一种复合低硫燃油及其制备方法

摘要

本发明涉及燃油助剂技术领域，具体涉及一种复合低硫燃油及其制备方法。本发明提供的复合低硫燃油，包含二维层状纳米材料和低硫燃油，所述二维层状纳米材料由若干层MXene单元组成，所述二维层状纳米材料为大片层状，所述二维层状纳米材料的片层大小为30～100μm。本发明将具有类石墨烯结构的二维层状纳米材料与低硫燃油配合使用，得到具有优良润滑性能的复合低硫燃油，在频繁起停条件下作为发动机燃油泵等运动机构的滑动摩擦润滑介质，具有良好的应用前景。

权利要求

1.一种复合低硫燃油，其特征在于，包含二维层状纳米材料和低硫燃油，所述二维层状纳米材料由若干层MXene单元组成，所述二维层状纳米材料为大片层状，所述二维层状纳米材料的片层大小为30～100μm；所述二维层状纳米材料和低硫燃油的质量比为0.1:99.9；

所述二维层状纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

将三元层状化合物MAX陶瓷粉置于氢氟酸溶液中，进行刻蚀，得到含MXene的酸溶液；

将所述含MXene的酸溶液依次进行超声、清洗，得到二维层状纳米材料；所述超声功率为80～600W，时间为30～100min；所述清洗的方式为离心清洗；

所述超声、清洗的具体过程为：将所述含MXene的酸溶液进行第一超声处理，然后置于离心管中，进行第一离心，弃去上清液；然后继续向离心管中加水，依次进行第二超声处理和第二离心；如此循环超声处理和离心过程，直至上清液的pH值为中性。

2.根据权利要求1所述的复合低硫燃油，其特征在于，所述二维层状纳米材料的厚度为

10～30nm。

3.根据权利要求1所述的复合低硫燃油，其特征在于，所述低硫燃油中的硫含量小于

10ppm。

4.权利要求1～3任一项所述复合低硫燃油的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二维层状纳米材料和低硫燃油混合，得到复合低硫燃油；

所述二维层状纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

将三元层状化合物MAX陶瓷粉置于氢氟酸溶液中，进行刻蚀，得到含MXene的酸溶液；

将所述含MXene的酸溶液依次进行超声、清洗，得到二维层状纳米材料；所述超声功率为80～600W，时间为30～100min；所述清洗的方式为离心清洗；

所述超声、清洗的具体过程为：将所述含MXene的酸溶液进行第一超声处理，然后置于离心管中，进行第一离心，弃去上清液；然后继续向离心管中加水，依次进行第二超声处理和第二离心；如此循环超声处理和离心过程，直至上清液的pH值为中性。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述混合在超声条件下进行，所述超声的功率为80～600W，时间为30～100min。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述三元层状化合物MAX陶瓷粉为Ti3AlC2粉，所述三元层状化合物MAX陶瓷粉的粒径为50～100μm。

7.根据权利要求4或6所述的制备方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液的质量浓度为35～55％。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀的温度为30～40℃；所述刻蚀在搅拌条件下进行，所述搅拌的转速为300～800rpm，时间为12～36h。

说明书

一种复合低硫燃油及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及燃油助剂技术领域，具体涉及一种复合低硫燃油及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着现代工业的迅猛发展，机械传动设备的运行工况日趋苛刻。尤其是在燃油润滑介质下，混合润滑甚至边界润滑在机械运动部件的实际运行中频繁发生。然而，当摩擦副(聚合物-金属摩擦副)处在边界、混合润滑区时，摩擦副的固体表面发生了直接接触，固体表面尤其是聚合物及其复合材料表面发生塑性形变，在油膜局部破裂后出现粘着，致使摩擦副材料产生严重的磨损甚至咬合现象，从而使得机械部件润滑失效。因此，提高摩擦副材料在燃油介质下的减摩耐磨性更为重要。发动机燃油泵的运动机构处在边界、混合润滑状态，摩擦副的摩擦磨损是燃油润滑系统设计的关键性难题之一。

[0003] 另外，随着环境标准的要求的提高，降低柴油中的硫含量及推行低硫柴油成为国际发展趋势。然而，在燃油脱硫过程中也减少了燃油中具有润滑作用的含硫或氮的氧化物，在燃油使用过程中易出现燃油机高压油泵和喷油器的磨损失效事故。

[0004] 如何解决摩擦副材料在低硫燃油下的失效问题，成为目前研究人员亟需解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种复合低硫燃油，采用本发明提供的复合低硫燃油能够降低摩擦副的摩擦磨损。

[0006] 为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

[0007] 本发明提供了一种复合低硫燃油，包含二维层状纳米材料和低硫燃油，所述二维层状纳米材料由若干层MXene单元组成，所述二维层状纳米材料为大片层状，所述二维层状纳米材料的片层大小为30～100μm。

[0008] 优选地，所述二维层状纳米材料的厚度为10～30nm。

[0009] 优选地，所述二维层状纳米材料在所述复合低硫燃油中的质量含量为0.01～1.0％。

[0010] 优选地，所述低硫燃油中的硫含量小于10ppm。

[0011] 本发明提供了上述技术方案所述复合低硫燃油的制备方法，包括以下步骤：

[0012] 将二维层状纳米材料和低硫燃油混合，得到复合低硫燃油。

[0013] 优选地，所述混合在超声条件下进行，所述超声的功率为80～600W，时间为30～100min。

[0014] 优选地，所述二维层状纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

[0015] 将三元层状化合物MAX陶瓷粉置于氢氟酸溶液中，进行刻蚀，得到含MXene的酸溶液；

[0016] 将所述含MXene的酸溶液依次进行超声、清洗，得到二维层状纳米材料；所述超声的功率为80～600W，时间为30～100min；所述清洗的方式为离心清洗。

[0017] 优选地，所述三元层状化合物MAX陶瓷粉为Ti3AlC2粉，所述三元层状化合物MAX陶瓷粉的粒径为50～100μm。

[0018] 优选地，所述氢氟酸溶液的质量浓度为35～55％。

[0019] 优选地，所述刻蚀的温度为30～40℃；所述刻蚀在搅拌条件下进行，所述搅拌的转速为300～800rpm，时间为12～36h。

[0020] 本发明提供了一种复合低硫燃油，包含二维层状纳米材料和低硫燃油，所述二维层状纳米材料由若干层MXene单元组成，所述二维层状纳米材料为大片层状，所述二维层状纳米材料的片层大小为30～100μm。本发明将具有类石墨烯结构的二维层状纳米材料与低硫燃油配合使用，得到具有优良润滑性能的复合低硫燃油；在摩擦过程中，二维层状纳米材料中的MXene释放到摩擦界面，因MXene表面具有活泼化学基团更容易与对偶表面发生化学反应形成结合强度较高且承载能力较强的转移膜，转移膜的生成可以减少摩擦副的直接接触进而降低摩擦磨损；本发明采用大片层状的二维层状纳米材料在低硫燃油中具有更加优异的分散性，提高复合低硫燃油的综合性能；本发明提供的复合低硫燃油对频繁起停条件下发动机燃油泵等运动机构的滑动摩擦部件具有良好的应用前景。

附图说明

[0021] 图1为本发明实施例1制备的二维层状纳米材料的SEM图；

[0022] 图2为实施例1～2制备的复合低硫燃油和对比例1提供的低硫燃油的摩擦系数；

[0023] 图3为实施例1～2制备的复合低硫燃油和对比例1提供的低硫燃油的特征磨损率。

具体实施方式

[0024] 本发明提供了一种复合低硫燃油，包含二维层状纳米材料和低硫燃油，所述二维层状纳米材料由若干层MXene单元组成，所述二维层状纳米材料为大片层状，所述二维层状纳米材料的片层大小为30～100μm。

[0025] 本发明提供的复合低硫燃油包含二维层状纳米材料，所述二维层状纳米材料由若干层MXene单元组成。在本发明中，所述二维层状纳米材料为大片层状，在低硫燃油中具有更加优异的分散性。

[0026] 在本发明中，所述二维层状纳米材料的厚度优选为10～30nm，更优选为20nm；所述二维层状纳米材料优选占复合低硫燃油总质量的0.01～1.0％。

[0027] 在本发明中，所述二维层状纳米材料在低硫燃油的润滑条件下，可以降低摩擦界面上转移膜的剪切力，从而降低了摩擦过程中的摩擦系数；此外，二维层状纳米材料中MXene表面存在的功能性基团(具体为-OH基团、-O基团和-F基团)容易与含氧聚合物中的含氧基团反应，或形成氢键，两者同时转移到金属对偶表面形成高机械性能且与金属对偶具有高结合强度的转移膜，从而提高含氧聚合物的耐磨性。

[0028] 在本发明中，所述二维层状纳米材料的制备方法，优选包括以下步骤：

[0029] 将三元层状化合物MAX陶瓷粉置于氢氟酸溶液中，进行刻蚀，得到含MXene的酸溶液；

[0030] 将所述含MXene的酸溶液依次进行超声、清洗，得到二维层状纳米材料。

[0031] 本发明优选将三元层状化合物MAX陶瓷粉置于氢氟酸溶液中，进行刻蚀，得到含MXene的酸溶液。在本发明中，所述二维层状化合物MAX陶瓷粉优选为Ti3AlC2粉；所述二维层状化合物MAX陶瓷粉的粒径优选为50～100μm，更优选为74μm。

[0032] 在本发明中，所述氢氟酸溶液的质量浓度优选为35～55％，更优选为40％。在本发明的具体实施例中，所述氢氟酸溶液的制备方法优选为：将浓盐酸与氟化锂混合，发生置换反应，得到氢氟酸溶液。在本发明中，所述浓盐酸的浓度优选为12mol/L，所述浓盐酸与氟化锂的用量比优选为11.25mL：0.8g。在本发明中，所述置换反应优选在冰水浴中进行；所述置换反应优选在搅拌条件下进行，所述搅拌的速率优选为400～600rpm，更优选为500rpm；所述置换反应的时间优选为20～40min，更优选为30min。

[0033] 在本发明中，所述三元层状化合物MAX陶瓷粉与氢氟酸溶液中的氢氟酸质量比优选为1:(0.2～0.3)，更优选为1:0.24。

[0034] 在本发明中，所述刻蚀的温度优选为30～40℃，更优选为35℃；所述刻蚀优选在搅拌条件下进行，所述搅拌的转速优选为300～800rpm，更优选为500rpm；所述刻蚀的时间优选为12～36h，更优选为24h。本发明在所述刻蚀过程中，Ti3AlC2中的Al元素层被氢氟酸刻蚀掉之后，形成了富含表面活性基团的二维层状Ti3C2Tx。

[0035] 在本发明中，所述二维层状纳米材料的分子式为Ti3C2Tx，其中x代表MXene表面的功能性基团数量。

[0036] 得到含MXene的酸溶液后，本发明优选将所述含MXene的酸溶液依次进行超声、清洗，得到二维层状纳米材料。在本发明中，所述超声的功率优选为80～600W，更优选为200W；所述超声的时间优选为30～100min，更优选为60min。本发明采用较长时间的超声，得到了具有大片层结构的二维层状纳米材料，有利于提高复合低硫燃油的润滑性。

[0037] 在本发明中，所述超声、清洗的具体过程优选为：将所述含MXene的酸溶液进行第一超声处理，然后置于离心管中，进行第一离心，弃去上清液；然后继续向离心管中加水，依次进行第二超声处理和第二离心；如此循环超声处理和离心过程，直至上清液的pH值为中性。在本发明的具体实施例中，所述超声处理和离心过程的次数优选为6次。在本发明中，每次超声处理的功率优选为80～600W，更优选为200W；每次超声处理的时间优选为10min。在本发明中，每次离心的转速优选为3500r/min，每次离心的时间优选为10min，洗涤过程中使用的水优选为去离子水。

[0038] 本发明在所述超声、清洗结束后，优选将所得的沉淀物进行干燥，得到所述二维层状纳米材料。在本发明中，所述干燥优选为冷冻干燥，所述干燥的温度优选为-55℃，所述干燥的时间优选为24h。

[0039] 在本发明中，所述低硫燃油中的硫含量优选小于10ppm，符合国V标准。

[0040] 本发明还提供了上述技术方案所述复合低硫燃油的制备方法，包括以下步骤：将二维层状纳米材料和低硫燃油混合，得到复合低硫燃油。在本发明中，所述混合优选在超声条件下进行，所述超声的功率优选为80～600W，更优选为200W；所述超声的时间优选为30～100min，更优选为60min。本发明通过超声将所述二维层状纳米材料均匀分散在低硫燃油中，形成均匀分散的复合低硫燃油。

[0041] 下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

[0042] 实施例1

[0043] 将11.25mL的浓盐酸(浓度为12mol/L)与0.8g的LiF放置在塑料瓶内进行置换反应，得到氢氟酸溶液；其中，所述置换反应在冰水浴中进行，并在置换反应过程中持续搅拌30min；

[0044] 向11.25mL所述氢氟酸溶液中缓慢加入1.0g、粒径为74μm的Ti3AlC2粉，Ti3AlC2粉的加入速度控制在5min加完，将温度缓慢升高至35℃，持续搅拌反应24h，得到含MXene的酸溶液；

[0045] 将所述含MXene的酸溶液在200W的超声功率条件下进行超声10min，然后将所得分散液置于离心管中，在3500r/min的转速下进行离心清洗10min，弃去上清液，继续向离心管中加入去离子水，依次进行超声和离心，重复上述过程，直至上清液的pH值为中性；将离心洗涤后的沉淀物进行冷冻干燥，得到片层大小为50μm的二维层状纳米材料；所述二维层状纳米材料为大片层状，平均厚度为20nm。

[0046] 所得二维层状纳米材料的扫描电镜图(SEM图)如图1所示，由图1可以看出，本实施例制备的二维层状纳米材料为较薄且片层较大的层状纳米材料。

[0047] 将所述二维层状纳米材料和低硫燃油置于烧杯中，然后将所述烧杯置于超声波清洗仪中，在200W的功率下进行超声分散60min，得到复合低硫燃油；其中，二维层状纳米材料和低硫燃油的质量比为0.1：99.9。

[0048] 实施例2

[0049] 与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，所述二维层状纳米材料和低硫燃油的质量比为1：99。

[0050] 对比例1

[0051] 以金盾石化集团有限公司生产的国V标准的低硫燃油为对比例1。

[0052] 测试例

[0053] 采用高速环-块摩擦试验机(MRH-1A，济南益华)对实施例1～2制备的复合低硫燃油以及对比例1的低硫燃油进行摩擦实验，测试条件为：以环氧树脂作为摩擦副的一种材料，对偶钢环为GCr15，初始端面粗糙度Ra＝0.27，钢环的外径为Φ＝60mm，内径为Φ＝50mm，高度为25mm，试验载荷为100N，滑动线速度为1m/s，摩擦磨损试验时间为3h；将实施例
1～2制备的复合低硫燃油以及对比例1的低硫燃油分别匀速滴加在环氧树脂与钢环的接触界面上，流量恒定在300μL/h，进行摩擦实验，摩擦曲线如图2所示。

[0054] 由图2可以看出，在低硫柴油中二维层状纳米材料可以显著降低相对运动中的摩擦系数。在环氧树脂-金属摩擦副的运动过程中，复合低硫柴油与低硫柴油相比表现出极其优越的减摩效果，作为发动机燃油泵等运动机构的滑动摩擦润滑介质具有很好的应用前景。

[0055] 所述摩擦实验过程中，磨损率的计算公式为：

[0056]

[0057] 其中，Ws为试样的特征磨损率，L'为试样的宽度(mm)，R为对偶钢环的直径(mm)，W为磨痕的宽度(mm)，F为法向施加的力(N)，L为滑动距离(m)，所得磨损率的测试结果如表1和图3所示：

[0058] 表1实施例1～2和对比例的特征磨损率测试结果

[0059]

[0060] 由表1和图3可以看出，在低硫柴油中二维层状纳米材料可以显著提高摩擦副的耐磨性能，在环氧树脂-钢环摩擦副的相对运动中，复合低硫柴油与低硫柴油相比表现出极其优越的摩擦学性能，作为发动机燃油泵等运动机构的滑动摩擦润滑介质具有很好的应用前景。

[0061] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。