纳米二硫化钼对冷冻机油密度和黏度的影响

李萌，张华，娄江峰

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

在蒸气压缩式制冷系统中，冷冻机油在制冷压缩机工作时起着润滑、密封和传热的作用，且部分随着制冷剂一起循环。纳米冷冻机油是纳米流体的一种，即采用一定的工艺将纳米颗粒稳定分散在冷冻机油中制备而成。研究表明，在冷冻机油中添加适当的纳米粉体，可以明显改变润滑油的黏度和密度[1]，降低压缩机轴承上的摩擦系数[2]。

二硫化钼（MoS2）是常用的耐磨无机填料，是一类层状结构化合物，同时层与层之间极易劈开，具有优良的固体润滑性能，常作为润滑油与润滑脂的添加剂。研究表明，MoS2纳米颗粒具有比微米级 MoS2更为优异的性能[3]，添加纳米 MoS2颗粒可以显著提高润滑油脂的极压性能、减摩与抗磨性能[4]。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是一种非晶高聚物，具有较强的络合性和表面活性，能与无机物表面发生反应形成络合物，有效地改善无机物界面性质，同时其分子结构单元环内及分子主链上有非极性的亚甲基，使其具有亲油性。因此，PVP可作为一种表面活性剂，对 MoS2纳米颗粒进行表面改性。

黏度和密度是研究纳米流体流动与换热规律的重要基础数据，Das等[5]研究了水基 A l2O3纳米流体，发现纳米流体的黏度随纳米颗粒浓度的增加而增加，随温度的升高而减小。Tseng等[6]测量了水基TiO2纳米流体的黏度，发现流体的相对黏度随着体积分数的增加呈指数增加趋势。但是到目前为止，研究主要集中在纳米颗粒和水纳米流体黏度的研究，缺少纳米冷冻机油黏度的研究。本文采用两步法，采用PVP K-30为改性剂，对纳米M oS2粉体进行了表面改性，制备了分散稳定性良好的环烷基纳米冷冻机油，并测试了纳米冷冻机油的密度和黏度，拟合了纳米冷冻机油的黏度关联式，为工程实际应用提供了基础数据。

1 纳米冷冻机油的制备

纳米冷冻机油的配制采用两步法，首先将一定量的纳米MoS2颗粒和PVP粉末加入冷冻机油中，在323K下磁力搅拌30m in，然后采用超声波清洗器（昆山超声KQ3200DE）在50℃下超声分散2h，即得到纳米冷冻机油[7]。其中，冷冻机油和纳米材料分别是SUNISO 3GS和北京德科岛金科技有限公司生产的纳米MoS2粉体，其粒径为50nm，纯度为99.9%，PVP为国药化学试剂有限公司生产的沃凯K-30。

2 实验方法

实验所使用的密度设备为全自动台式密度计Anton Paar-DMA4500M，其测量范围为0～3g/cm3，测量精度为±0.002%。黏度实验设备包括数字型旋转式黏度计（汇析SNB-1，测量范围为1～200mPa·s，测量准确度为±2%）和恒温水浴（SHP-CH1015，工作温度范围为 293～373K，温度波动为±0.05K）。黏度实验台的测量准确度为±2%。

旋转式黏度计的实验原理基于同心圆柱的旋转，外筒中空且被固定于恒温水浴中，内筒为实心圆柱并悬于外筒内，待测样品被放置于内外筒之间的圆环域，使得内圆柱可以在样品中自由转动。实验时，电动机通过联轴器带动内圆柱旋转，内圆柱在待测样品中受到黏滞阻力作用，从而产生反作用使电机壳体中的游丝产生扭矩。黏度计自动记录扭矩并换算为动力黏度，当扭矩和黏滞阻力达到平衡时，黏度计示数稳定，即为待测样品的黏度。

3 实验结果及分析

3.1 纳米冷冻机油的密度

图1 4种配比的纳米冷冻机油沉降照片

江成军等[8]研究了PVP对纳米流体稳定性的影响，发现纳米粉体的分散效果随着PVP浓度的增加先增大后减小，存在一个最佳值。因此，需要在保证纳米冷冻机油分散稳定性的前提下，确定纳米MoS2和表面活性剂PVP的最佳配比。图1为4种配比的纳米MoS2冷冻机油新配备（静置0h）和静置72h后的沉降观测照片，其中纳米MoS2质量分数均为0.5%，PVP质量分数从左到右分别为0.25%、0.5%、0.75%、1%。从图中看出，PVP与纳米MoS2质量分数之比大于1∶1时，颗粒均匀分散于冷冻机油中，冷冻机油较稳定，为避免过多表面活性剂的加入对冷冻机油的物性产生影响，选用PVP与纳米MoS2质量分数之比为1∶1的纳米冷冻机油进行试验。这是由于PVP亲油性的亚甲基非极性基团能很好地吸附在纳米 MoS2粒子表面，使其悬浮与冷冻机油中。此外，PVP的内酰胺强极性基团带负电，吸附后可增大纳米 MoS2粒子表面电位的绝对值，提高颗粒间静电斥力，有利于分散。

采用Anton Paar-DMA4500M高精度密度计测量了纳米MoS2和PVP质量分数比为1∶1的20个样本的密度，其中纳米冷冻机油中纳米 MoS2质量分数为0.05%～1.5%，测量温度为15℃。并与Wasp等[9]总结的悬浮液密度公式（1）计算值进行比较。

式中，ρcal为待测冷冻机油密度的计算值；ωn、ρn为纳米 MoS2质量分数和颗粒密度；ωs、ρs为表面活性剂PVP质量分数和粉末密度；ρl为纯油密度。密度单位均为g/cm3。如图2所示，以上测量值ρm与计算值 ρcal的差值均在±1%之间，纳米冷冻机油的分散稳定性很好。

3.2 纳米冷冻机油的黏度

图2 288K时ω=0.05%～1.5%的纳米冷冻机油密度计算值和测量值

图3为纳米MoS2质量分数为0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%、1.5%的纳米冷冻机油在293～333K时的黏度测量值。由图3可知，温度较低时，纳米冷冻机油黏度随纳米 MoS2质量分数的增加略有下降，而随着温度的升高，纳米冷冻机油黏度的变化越来越小。在未添加表面活性剂时，纳米MoS2冷冻机油稳定性较差，为减小因纳米颗粒团聚而带来的影响，黏度测量均在纳米冷冻机油配制后一天内测量。

图3 MoS2纳米冷冻机油黏度随纳米颗粒质量分数的变化（无表面活性剂）

图4为添加表面活性剂PVP后的纳米MoS2冷冻机油的黏度随温度变化的趋势。添加了表面活性剂后，纳米冷冻机油黏度随 MoS2质量分数的增加而下降，且降低幅度更加明显，而当温度升高时，纳米 MoS2冷冻机油的黏度也有一定下降，这是由于表面活性剂增加了纳米冷冻机油的稳定性，使纳米MoS2在高温时也不易团聚。

图4 MoS2纳米冷冻机油黏度随纳米颗粒质量分数的变化（有表面活性剂）

当制冷压缩机运行启动时，往往温度较低，冷冻机油的黏度较高，摩擦阻力增加，负荷较大；而随着运行后温度的升高，油的黏度降低，摩擦部分由流体润滑向边界润滑过度，从而使磨损增加[10]。因此，需要冷冻机油因温度变化而引起的黏度变化尽量小。图5比较了纯油、仅添加纳米粒子的冷冻机油和纳米粒子与表面活性剂质量分数之比为1∶1的冷冻机油在293K和333K时的黏度差。如图所示，添加了纳米粒子后的冷冻机油黏度在高低温时变化明显小于纯油，且纳米粒子的质量分数越大，黏度差越小。而在加入适量表面活性剂后，冷冻机油黏度在高低温时的黏度差比仅添加纳米粒子的冷冻机油更小，且随质量分数的增大而减小。可见，稳定性良好的纳米冷冻机油的使用，有利于改善了冷冻机油的抗磨减摩效果。

图5 不同质量分数的纳米冷冻机油黏度在293K和333K时的差值

4 纳米冷冻机油黏度关联式

为了便于实际应用，将纳米冷冻机油的黏度实验数据拟合成密度和温度的关联式，Kedzierski[11]提出了如式（2）的关联式。

式中，µm为纳米冷冻机油黏度，10-3Pa·s；ρm为纳米冷冻油密度，g/cm3；Tm为悬浮液温度，K。

通过拟合得到 A=0.00007，B=-0.96686，C= 14.55146。由此拟合公式得到的拟合值 µcal和实际测量值µm的对比如图6所示，可见90%以上的拟合值的误差在±15%以内，拟合值和测量值基本吻合。

图6 黏度拟合值和测量值对比

5 结 论

（1）表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和纳米MoS2在质量分数之比为1∶1的时候，纳米MoS2在冷冻机油中达到最佳的分散效果。

（2）纳米冷冻机油黏度随纳米MoS2质量分数的增加而下降，低温时下降幅度明显；添加了含表面活性剂的纳米MoS2冷冻机油降幅更大。

（3）添加了表面活性剂的纳米冷冻机油在高低温时的黏度差明显小于无表面活性剂的纳米冷冻机油。

（4）通过测试数据得到密度和黏度的关系式，检验证明，该公式在预测纳米冷冻机油黏度上有一定的参考价值。

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