맞춤형 표면 및 층간 기능화로 오일 내 층상 지르코늄 인산염 나노플레이틀렛의 마찰 특성 최적화

요약

2차원 무기 층상 나노플레이틀렛은 고체 및 오일 분산 시스템 모두에서 고효율 윤활제로 부상하고 있습니다. 본 연구에서는 표면 그라프팅과 층간 인터칼레이션이 광물유 내 α-지르코늄 인산염(ZrP) 나노플레이틀렛의 마찰 저감 및 내마모 특성에 미치는 영향을 체계적으로 조사했습니다. 순수 ZrP를 C8, C12, C16 알킬 사슬을 가진 실란 커플링제로 먼저 기능화하여 오일 용해도를 개선한 후, 수정된 플레이트를 헥실아민(N6) 또는 1-도데실아민(N12)으로 인터칼레이션하여 층간 간격을 확장했습니다. 마찰 시험 결과, 외부 표면의 더 긴 알킬 사슬과 적당한 층간 거리 증가가 특히 높은 하중 조건에서 가장 유리한 마찰 계수와 마모 흔적 직경을 제공함을 보여주었습니다. 이러한 발견은 표면 및 층간 화학의 신중한 제어가 윤활유 내 2D 나노플레이틀렛의 성능을 조절할 수 있음을 입증하며, 차세대 나노윤활제 설계의 길을 제시합니다.

배경

나노윤활유-기존 오일에 무기 나노입자를 강화한 것-는 순수 유기 첨가제에 비해 우수한 마찰 및 내마모 능력으로 큰 관심을 끌었습니다. 일반적인 나노필러에는 0차원 산화물과 풀러렌, 1차원 나노튜브, 그래핀, MoS₂, 층상 금속 인산염과 같은 2차원(2D) 나노플레이틀렛이 포함됩니다. 후자는 이방성 기하학과 층간 슬라이딩을 제공하여 윤활에 특히 유망합니다.

α-지르코늄 인산염(ZrP)과 그 유도체는 최근 강력한 2D 클래스로 부상하여 무거운 하중에서 마찰 계수 0.17-0.20, 마모 흔적 직경 700 µm 미만을 보여 광물유에서 MoS₂와 흑연을 능가합니다. ZrP의 견고한 격자와 강한 층간 결합은 오일 매체에서 내구성에 기여하며, 윤활제의 표면 흡착은 점도와 피막 형성을 추가로 향상시킬 수 있습니다.

이러한 장점에도 불구하고 실용적 적용을 위해서는 입자 크기, 표면 화학, 층간 간격이 분산, 유변학, 마찰 특성에 미치는 영향에 대한 깊은 이해가 필요합니다. ZrP는 본질적으로 친수성이므로 안정적인 분산을 위해 오일 용해성 계면활성제가 필수적입니다. 이전 연구에서는 알킬 아민을 ZrP에 인터칼레이션했지만 이 접근법은 표면과 층간을 동시에 수정하여 각각의 개별 효과를 모호하게 만들었습니다. 여기서는 이 두 가지 수정을 분리하여 윤활에 대한 각각의 고유한 기여를 분리했습니다.

방법

순수 ZrP 나노플레이틀렛 합성

순수 ZrP는 수열법으로 제조했습니다(Sun et al.). ZrOCl₂·8H₂O(4.0 g)를 6.0 M H₃PO₄(40.0 mL)와 혼합하고 테플론 라이닝 용기에 밀봉하여 200°C에서 24시간 가열했습니다. 냉각 후 원심분리로 과량 산을 제거하기 위해 탈염수로 5회 세척하고 80°C에서 24시간 건조한 후 미세 분말로 분쇄했습니다. 이 물질을 순수 ZrP라고 합니다.

순수 ZrP 나노플레이틀렛 표면 수정

순수 ZrP(10 g)를 톨루엔에 분산시키고 세 가지 알킬 실란(C8, C12, C16) 중 하나(20 g)와 혼합했습니다. 혼합물을 100°C에서 48시간 교반 가열한 후 원심분리로 용매를 제거하고 석유 에테르로 3회 세척했습니다. 건조 분말을 70°C에서 24시간 건조 후 다시 분쇄했습니다. 결과 표면 수정 시료를 C8-ZrP, C12-ZrP, C16-ZrP로 표기합니다.

ZrP 나노플레이틀렛 층간 수정

각 표면 수정 ZrP 2 g을 헥실아민(N6) 5 g 또는 1-도데실아민(N12) 10 g과 헥산 60 mL에 혼합했습니다. 혼합물을 40 kHz에서 3시간 초음파 처리한 후 석유 에테르로 3회 세척하고 70°C에서 24시간 건조했습니다. 인터칼레이션된 생성물을 C8-ZrP-N6, C8-ZrP-N12, C12-ZrP-N6, C12-ZrP-N12, C16-ZrP-N6, C16-ZrP-N12로 표기합니다.

나노윤활유 제조

각 ZrP 시료 1.0 wt% 마스터 배치를 분말과 광물유를 기계적 교반으로 혼합한 후 20분 초음파 처리하여 제조했습니다. 마스터 배치를 기본 광물유로 0.1 wt%로 희석하여 초음파 처리하에 시험용 오일을 제조했습니다.

특성 분석

결정 구조는 X-선 회절(Rigaku DMAX-2500)로 평가했습니다. 형태는 SEM(TESCAN Vega3, 30 kV)으로 조사했습니다. 표면 작용기는 FTIR(PerkinElmer Spectrum Two)로 확인했습니다. 마찰 특성은 Bruker UMT-2 4구 테스터(ASTM D4172)로 70 N 하중, 350 rpm, 1시간 조건에서 측정했습니다. 마찰 계수(COF)는 100 Hz로 기록했고 마모 흔적은 광학적으로 이미징했습니다. 강구 표면 거칠기는 155.0 ± 14.8 nm였습니다.

결과 및 논의

순수 ZrP 층은 하이드록실기로 종결되어 층간 수소 결합과 표면 기능화를 모두 가능하게 합니다. 기존 아민 인터칼레이션은 외부 표면과 층간 모두에 부착하므로, 우리는 먼저 실란을 표면에 그라프팅하여 외부를 고정하면서 층간을 후속 아민 삽입을 위해 자유롭게 남겨두었습니다.

XRD 패턴은 C8-, C12-, C16-ZrP가 원래 층간 간격(7.6 Å)을 유지함을 확인했으며, 이는 실란이 인터칼레이션되지 않았음을 나타냅니다. 아민 인터칼레이션 후 간격은 헥실아민으로 22.5 Å, 1-도데실아민으로 34.9 Å로 확장되었으며, 더 긴 알킬 사슬에서 예상대로입니다.

모든 수정 시료는 600-800 nm 직경의 플레이틀렛 형태를 보였으며 수정으로 측방 치수는 변경되지 않았습니다. 2시간 분산 후 사진(Fig. 3)은 표면 수정 ZrP만 안정적으로 분산된 반면 순수 ZrP는 급속히 침전됨을 보여주었습니다.

마찰 시험(70 N, 350 rpm, 1시간) 결과 표면의 더 긴 알킬 사슬이 마찰 계수(COF)와 마모 흔적 직경(WSD)을 감소시켰습니다. C8-ZrP는 기본 오일(0.33)보다 40% 낮은 0.20의 COF를 보였습니다. C12-ZrP와 C16-ZrP는 각각 0.18과 0.17의 COF를 달성했으며 WSD는 700 µm과 600 µm로 기본 오일 대비 각각 70%와 74% 감소했습니다. 최상의 성능은 C16-ZrP에서 나왔으며 가장 작은 데이터 산포를 보여 우수한 분산 안정성을 나타냈습니다.

C16-ZrP 시리즈로 인터칼레이션 효과를 조사했습니다. 헥실아민 추가(C16-ZrP-N6)는 COF를 0.21로 약간 증가시켰지만 550 µm의 낮은 WSD를 유지했습니다. 반면 1-도데실아민(C16-ZrP-N12)은 COF를 0.35로 증가시켜 기본 오일을 초과했고 WSD를 1,400 µm로 증가시켰습니다. 이 결과는 적당한 층간 확장(22.5 Å)은 성능을 저하시키지 않지만 큰 확장(34.9 Å)은 윤활을 손상시킴을 나타내며, 이는 층간 응집력 감소와 종횡비 변화 때문일 가능성이 높습니다.

종횡비 계산(직경/두께)은 순수 ZrP에서 ~10에서 헥실아민 인터칼레이션 후 ~5-6, 1-도데실아민 후 ~3으로 감소했습니다. 높은 종횡비는 정렬과 전단 유도 윤활을 촉진하는 반면 낮은 비율은 회전 증가와 덜 효과적인 하중 지지로 이어집니다.

80 N의 증가된 하중에서 C16-ZrP-N6은 ~0.20의 안정적인 COF와 650 µm WSD를 유지한 반면 C16-ZrP의 COF는 ~0.45로 급증하고 2,600 µm 마모 흔적을 보였으며, 이는 무거운 하중에서 적당한 층간 확장의 이점을 확인합니다. 마모 흔적 SEM(Fig. 9)은 C16-ZrP-N6의 더 매끄러운 표면을 C16-ZrP와 비교하여 확인했습니다.

결론

표면 및 층간 화학이 광물유 내 층상 ZrP 나노플레이틀렛의 마찰 성능에 독립적으로 미치는 영향을 규명했습니다. 더 긴 알킬 실란으로 표면 그라프팅하면 분산이 개선되고 COF와 WSD가 모두 감소하며, C16-ZrP가 최상의 기본 성능을 제공합니다. 후속 헥실아민 인터칼레이션은 이러한 이점을 보존하고 무거운 하중에서 성능을 향상시키는 반면, 층간 간격을 크게 확장하는 1-도데실아민 인터칼레이션은 윤활을 저하시킵니다. 이 결과는 고성능 나노윤활제 설계를 위해 표면 소수성과 층간 간격을 미세하게 조정하는 것의 중요성을 강조합니다.