本发明涉及一种水润滑添加剂，尤其涉及一种mxene复合材料nb2c/nb2o5水润滑添加剂，以及使用有机碱调控并制备mxene复合材料nb2c/nb2o5水润滑添加剂的方法与应用，属于水润滑添加剂技术领域。
背景技术：
无论在机械还是能源行业，减摩与抗磨性能都一直是人们所追求的机械特性。从全球层面上看，世界总能源的约20％消耗在摩擦过程中，约80％的机械零部件损坏由摩擦引起，磨损导致。因此，为了减小摩擦带来的能量损耗与经济损失，最直接且最有效的方法就是在摩擦副之间添加润滑剂，避免两者直接接触，从而减少配合件之间的磨损。水基润滑剂凭借其优异的冷却性能与阻燃性能，以及相比于油基润滑剂而言较高的安全性与低污染性而广泛应用机械润滑，切割液和液压液等领域。然而，水基润滑剂却由于润滑性能的不足，在实际应用中往往不被重视。因此，高效的水基润滑剂添加剂的制备就显得尤为重要。
nb2c作为mxene系材料中的一种，具有比表面积大、导电性好、亲水性高、弹性模量大、载流子迁移率高等优点。凭借其天然拥有的亲水性和类石墨烯状的风琴状结构，只要对nb2c材料进行插层剥离，使之成为纳米或者亚纳米级别的少层甚至单层mxene材料，就能让其具有二维片层材料所拥有的优异性能，然而在此基础上进一步提升其作为水基润滑添加剂的耐磨减磨性，其结构调控与稳定分散就是需要解决的重点问题。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种mxene复合材料nb2c/nb2o5水润滑添加剂及其制备方法，以克服现有水基润滑剂的不足。
本发明的另一目的还在于提供所述mxene复合材料nb2c/nb2o5水润滑添加剂的应用。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种mxene复合材料nb2c/nb2o5水润滑添加剂的制备方法，其包括：
以有机碱对nb2c材料进行插层与剥离，获得减薄的nb2c材料，其中，所述有机碱包括四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵中的任意一种或两种以上的组合；
使所述减薄的nb2c材料与水均匀混合并搅拌，形成nb2c/nb2o5复合材料，获得nb2c/nb2o5水润滑添加剂。
进一步地，所述减薄的nb2c材料的层数为少层或单层。
本发明实施例还提供了由前述方法制备的nb2c/nb2o5水润滑添加剂。
本发明实施例还提供了一种水基润滑剂，其包含前述的nb2c/nb2o5水润滑添加剂和水。
进一步地，所述水基润滑剂中nb2c/nb2o5水润滑添加剂与水的质量体积比为0.25～1.0mg/1ml。
进一步地，所述的水基润滑剂还包含表面活性剂。
本发明实施例还提供了前述的nb2c/nb2o5水润滑添加剂或水基润滑剂于制备高水基的润滑液、液压液、切削液或冷轧液等领域中的用途。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供的使用有机碱调控并制备mxene复合材料nb2c/nb2o5水润滑添加剂的方法，所获水基润滑剂添加剂具有良好的润滑效果和耐磨性能；向水中加入本发明的mxene复合材料nb2c/nb2o5水润滑添加剂，能明显减低纯水摩擦系数约90％，并且减少磨损率约57％，除此之外，该nb2c/nb2o5水润滑添加剂还具有较好的稳定性和安全性能，降低能耗减少环境污染，可广泛应用于高水基的润滑液、切削液、冷轧液以及难燃液压液等高水基润滑剂领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施例中添加了nb2c/nb2o5复合材料后的水溶液在不同浓度下与去离子水对比的摩擦系数图。
图2是本发明一典型实施例中添加了nb2c/nb2o5复合材料后的水溶液在不同浓度下与去离子水对比的磨损率图。
具体实施方式
鉴于现有技术中水润滑剂润滑性能差、粘附性差等技术问题，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要通过如下步骤实现：一、用有机碱对nb2c进行插层与剥离，从而达到剥离减薄的作用；二、对已减薄的nb2c进行结构调控，得到nb2c/nb2o5的复合结构材料；三、制备可以稳定分散于去离子水中的nb2c/nb2o5复合材料添加剂。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供了一种nb2c/nb2o5水润滑添加剂的制备方法，其包括：
以有机碱对nb2c材料进行插层与剥离，获得减薄的nb2c材料，其中，所述有机碱包括四甲基氢氧化铵(tmaoh)、四乙基氢氧化铵(teaoh)、四丙基氢氧化铵(tpaoh)、四丁基氢氧化铵(tbaoh)等中的任意一种或两种以上的组合；
使所述减薄的nb2c材料与水均匀混合并搅拌，形成nb2c/nb2o5复合材料，获得nb2c/nb2o5水润滑添加剂。
在一些实施例中，所述制备方法具体包括：将nb2c材料与水混合，形成nb2c水溶液，之后向所述nb2c水溶液中加入所述有机碱水溶液，并进行磁力搅拌，再将混合液ph值调节至中性，获得减薄的nb2c材料。
进一步地，所述减薄的nb2c材料的层数为少层或单层。
进一步地，所述减薄的nb2c材料具有类石墨烯二维片层结构。
进一步地，所述nb2c材料与水的质量体积比为150～200mg：100ml。亦即，所述nb2c水溶液的制备方法为：每100ml的去离子水中，加入150-200mg的nb2c粉末。
进一步地，所述nb2c水溶液与所述有机碱水溶液的体积比为100：8～12，所述有机碱水溶液中有机碱的含量为50～70wt％。亦即，每100ml的nb2c水溶液，加入的当量为50～70wt％的有机碱水溶液含量为8～12ml。
在一些实施例中，所述磁力搅拌的转速为200～350转/分钟，外部温度条件为室温，置于空气中，搅拌时间为25～35h。
在一些实施例中，制备剥离后的单层或者少层的nb2c粉末前，需通过酸中和或者透析法使原溶液体系ph与纯水相近。
进一步地，所述制备方法包括：至少采用加酸中和、透析法中的任一种方式，使所述混合液ph值调节至中性。
在一些实施例中，所述减薄的nb2c材料与水的质量体积比为80～100mg：100ml。亦即，单层或少层的nb2c粉末与去离子水的配制比例为：每100ml去离子水加入80～100mgnb2c粉末。
在一些实施例中，所述制备方法包括：将所述减薄的nb2c材料与水均匀混合，并于室温磁力搅拌20～24h，转速为300～500转/分钟，形成所述nb2c/nb2o5复合材料。
其中，作为本发明的一更为优选的实施案例之一，使用有机碱调控并制备得到mxene复合材料nb2c/nb2o5水润滑添加剂的方法可以包括以下步骤：
首先用有机碱，nb2c原始粉末与去离子水配置成溶液，磁力搅拌进行插层与剥离，使之成为少层或者单层的类石墨烯二维片层结构，然后对其进行ph调节，并制备成粉体，重新配置成水溶液，再将上述溶液于室温条件下暴露在空气中磁力搅拌20～24h左右，得到nb2c/nb2o5的复合结构材料。
进一步地，一种利用mxene材料nb2c结构调控并制备nb2c/nb2o5复合水润滑添加剂的方法包括以下步骤：
①将nb2c粉末配备成水溶液，向其中加入有机碱并磁力搅拌，使之层数减少至少层或单层；
②制备出已减薄的nb2c粉末，再与去离子水配制成水溶液，磁力搅拌达到一定时间后，得到原始nb2c与其氧化物nb2o5共存的复合材料水溶液体系；
③对于上述溶液，加入微量的表面活性剂，使其可以长时间稳定分散于水介质中，得到复合材料水润滑添加剂。
本发明实施例的另一个方面还提供了由前述方法制备的nb2c/nb2o5水润滑添加剂。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种水基润滑剂，其包含前述的nb2c/nb2o5水润滑添加剂和水。
进一步地，所述水包括去离子水。
进一步地，所述水基润滑剂中nb2c/nb2o5水润滑添加剂与水的质量体积比为0.25～1.0mg/1ml，亦即，所述nb2c/nb2o5水润滑添加剂所制成的水基润滑剂的配比为每1ml水中含有0.25～1.0mg的nb2c/nb2o5水润滑添加剂。
进一步地，所述水基润滑剂还包含表面活性剂，添加微量的绿色中性表面活性剂(如：α-烯基磺酸盐(aos)、苯扎氯铵等)，即可得到包含稳定分散于去离子水中的nb2c/nb2o5水润滑添加剂的水基润滑剂。
进一步地，所述水基润滑剂中表面活性剂的体积含量为1～2vol％，所述中性表面活性剂溶液中表面活性剂的含量为60～80wt％。亦即，加入的表面活性剂要求为：每100ml的水性分散液(即nb2c/nb2o5水润滑添加剂)加入60～80wt％的表面活性剂1～2ml。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的nb2c/nb2o5水润滑添加剂或水基润滑剂于制备高水基的润滑液、液压液、切削液、冷轧液等高水基润滑剂领域的用途，起到降低摩擦系数和耐磨损降低能耗的作用。
本发明的机理可能在于：本发明将具有少层或单层的类石墨烯结构的nb2c材料粉体制备出来，再配制成水溶液，继续进行后处理，可以得到nb2c/nb2o5的复合材料。在摩擦过程中，片层状的nb2c可以进行层间滑移层间，减小其摩擦系数，提升其润滑性；氧化物nb2o5凭借其纳米颗粒的优势，填充摩擦过程中产生的犁沟与磨痕，起到抗磨的作用，两者的协同效应可以使整个体系的润滑性能大幅提升。在此基础上，向其中添加微量的表面活性剂，可以使得体系稳定存在一周以上，保证了其服役时的稳定性，且不破坏产品的安全性，可作为油基润滑剂的替代品。
综上所述，本发明提供的使用有机碱调控并制备mxene复合材料nb2c/nb2o5水润滑添加剂的方法，所获水基润滑剂添加剂具有良好的润滑效果和耐磨性能；向水中加入本发明的mxene复合材料nb2c/nb2o5水润滑添加剂，能明显减低纯水摩擦系数约90％，并且减少磨损率约57％，除此之外，该nb2c/nb2o5水润滑添加剂还具有较好的稳定性和安全性能，降低能耗减少环境污染，可广泛应用于高水基的润滑液、切削液、冷轧液以及难燃液压液等高水基润滑剂领域。
下面结合若干优选实施例及附图、对比例对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件。
实施例1
将当量为50wt％的有机碱四甲基氢氧化铵8ml，nb2c粉末150mg与去离子水100ml配置成溶液，于室温下，暴露于空气中以200转/分钟磁力搅拌达25h，然后通过酸中和法使体系ph达到纯水，并采用冷冻干燥法制备出粉末，将制备出的粉末再以80mg/100ml的比例与去离子水配置成溶液，以300转/分钟磁力搅拌20h，得到nb2c/nb2o5复合材料(即前述nb2c/nb2o5水润滑添加剂)，加入水基润滑液中使得nb2c/nb2o5与水的比例为0.25mg/ml，并添加60wt％的α-烯基磺酸盐1ml得到稳定分散的水基润滑剂。
实施例2
将当量为52wt％的有机碱四乙基氢氧化铵9ml，nb2c粉末165mg与去离子水100ml配置成溶液，于室温下，暴露于空气中以250转/分钟磁力搅拌达29h，然后通过酸中和法使体系ph达到纯水，并采用冷冻干燥法制备出粉末，将制备出的粉末再以90mg/100ml的比例与去离子水配置成溶液，以350转/分钟磁力搅拌20h，得到nb2c/nb2o5复合材料(即前述nb2c/nb2o5水润滑添加剂)，加入水基润滑液中使得nb2c/nb2o5与水的比例为0.30mg/ml，并添加65wt％的α-烯基磺酸盐1.5ml得到稳定分散的水基润滑剂。
实施例3
将当量为55wt％的有机碱四丙基氢氧化铵10ml，nb2c粉末165mg与去离子水100ml配置成溶液，于室温下，暴露于空气中以300转/分钟磁力搅拌达30h，然后通过酸中和法使体系ph达到纯水，并采用冷冻干燥法制备出粉末，将制备出的粉末再以95mg/100ml的比例与去离子水配置成溶液，以400转/分钟磁力搅拌21h，得到nb2c/nb2o5复合材料(即前述nb2c/nb2o5水润滑添加剂)，加入水基润滑液中使得nb2c/nb2o5与水的比例为0.5mg/ml，并添加70wt％的苯扎氯铵1.6ml得到稳定分散的水基润滑剂。
实施例4
将当量为65wt％的有机碱四丙基氢氧化铵11ml，nb2c粉末185mg与去离子水100ml配置成溶液，于室温下，暴露于空气中以315转/分钟磁力搅拌达33h，然后通过酸中和法使体系ph达到纯水，并采用离心干燥法制备出粉末，将制备出的粉末再以100mg/100ml的比例与去离子水配置成溶液，以450转/分钟磁力搅拌21h，得到nb2c/nb2o5复合材料(即前述nb2c/nb2o5水润滑添加剂)，加入水基润滑液中使得nb2c/nb2o5与水的比例为0.75mg/ml，并添加75wt％的苯扎氯铵1.8ml得到稳定分散的水基润滑剂。
实施例5
将当量为70wt％的有机碱四丁基氢氧化铵12ml，nb2c粉末200mg与去离子水100ml配置成溶液，于室温下，暴露于空气中以350转/分钟磁力搅拌达35h，然后通过透析法使体系ph达到纯水，并采用冷冻干燥法制备出粉末，将制备出的粉末再以95mg/100ml的比例与去离子水配置成溶液，以500转/分钟磁力搅拌24h，得到nb2c/nb2o5复合材料(即前述nb2c/nb2o5水润滑添加剂)，加入水基润滑液中使得nb2c/nb2o5与水的比例为1.0mg/ml，并添加80wt％的α-烯基磺酸盐2.0ml得到稳定分散的水基润滑剂。
对照例1
本对照例与实施例1的区别之处在于：将nb2c/nb2o5复合材料加入水基润滑液中使得nb2c/nb2o5与水的比例为0.1mg/ml。
为验证本发明的有益效果，本案发明人还采用前述实施例所获添加了nb2c/nb2o5复合材料后的水基润滑剂与纯水进行对比，进行了摩擦学性能实验，结果如下：前述实施例1-5、对照例1中添加了nb2c/nb2o5复合材料后的水溶液在不同浓度下与去离子水对比的摩擦系数图请参阅图1所示，磨损率图请参阅图2所示，表明nb2c/nb2o5水润滑添加剂作为水基润滑剂具有良好的润滑效果和耐磨性能。
综上所述，藉由本发明的上述技术方案的使用有机碱调控并制备mxene复合材料nb2c/nb2o5水润滑添加剂的方法，所获水基润滑剂添加剂具有良好的润滑效果和耐磨性能；向水中加入本发明的mxene复合材料nb2c/nb2o5水润滑添加剂，能明显减低纯水摩擦系数约90％，并且减少磨损率约57％，除此之外，该nb2c/nb2o5水润滑添加剂还具有较好的稳定性和安全性能，降低能耗减少环境污染，可广泛应用于高水基的润滑液、切削液、冷轧液以及难燃液压液等高水基润滑剂领域。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。
应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
此外，本案发明人还利用前文所列出的其它原料以及其它工艺条件等替代实施例1-5中的各种原料及相应工艺条件进行了相应试验，结果与前述实施例基本一致。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。
1.一种nb2c/nb2o5水润滑添加剂的制备方法，其特征在于包括：
以有机碱对nb2c材料进行插层与剥离，获得减薄的nb2c材料，其中，所述有机碱包括四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵中的任意一种或两种以上的组合；
使所述减薄的nb2c材料与水均匀混合并搅拌，形成nb2c/nb2o5复合材料，获得nb2c/nb2o5水润滑添加剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：将nb2c材料与水混合，形成nb2c水溶液，之后向所述nb2c水溶液中加入所述有机碱水溶液，并进行磁力搅拌，再将混合液ph值调节至中性，获得减薄的nb2c材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述减薄的nb2c材料的层数为少层或单层；优选的，所述减薄的nb2c材料具有类石墨烯二维片层结构。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述nb2c材料与水的质量体积比为150～200mg：100ml；和/或，所述nb2c水溶液与所述有机碱水溶液的体积比为100：8～12；优选的，所述有机碱水溶液中有机碱的含量为50～70wt％。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述磁力搅拌的转速为200～350转/分钟，温度为室温，搅拌时间为25～35h；
和/或，所述制备方法包括：至少采用加酸中和、透析法中的任一种方式，使所述混合液ph值调节至中性。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述减薄的nb2c材料与水的质量体积比为80～100mg：100ml；
和/或，所述制备方法包括：将所述减薄的nb2c材料与水均匀混合，并于室温磁力搅拌20～24h，搅拌转速为300～500转/分钟，形成所述nb2c/nb2o5复合材料。
7.由权利要求1-6中任一项所述方法制备的nb2c/nb2o5水润滑添加剂。
8.一种水基润滑剂，其特征在于包含权利要求7所述的nb2c/nb2o5水润滑添加剂和水；优选的，所述水基润滑剂中nb2c/nb2o5水润滑添加剂与水的质量体积比为0.25～1.0mg/1ml。
9.根据权利要求8所述的水基润滑剂，其特征在于还包含表面活性剂，优选为α-烯基磺酸盐和/或苯扎氯铵；优选的，所述水基润滑剂中表面活性剂溶液的含量为1～2vol％；优选的，所述中性表面活性剂溶液中表面活性剂的含量为60～80wt％。
10.权利要求7所述的nb2c/nb2o5水润滑添加剂或权利要求8-9中任一项所述的水基润滑剂于制备高水基的润滑液、液压液、切削液或冷轧液领域中的用途。
技术总结