一种适用于多种纳米材料的脲基分散剂及其制备方法

本发明属于材料领域，具体涉及纳米材料分散领域，更具体涉及一种适用于纳米材料的脲基分散剂及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，纳米材料因其特殊的尺寸效应而展现出独特的界面性质，其导电、导热性能得到显著改善，在光电催化、生物医学以及摩擦润滑等领域获得了广泛应用。在摩擦润滑领域，纳米材料可作为润滑添加剂，通过在摩擦表面形成保护膜或填补摩擦副表面的微小缺陷，改善基础油的润滑性能。

2、然而，由于纳米材料具有较高的表面能，其在液体介质中容易发生团聚。团聚后的纳米材料不仅难以发挥其应有的减摩抗磨作用，还可能作为硬质磨粒加剧磨粒磨损，导致体系摩擦系数升高、磨损量增大，严重制约了纳米润滑技术的进一步发展。

3、针对纳米材料在基础油中分散稳定性差这一核心问题，国内外研究者主要采用表面化学改性技术，包括表面活性剂物理包覆、聚合物接枝改性等方法。例如，zhang等人利用十二硫醇对黑磷纳米片进行表面修饰，并将其以不同含量添加到聚脲润滑脂中，结果表明，当改性纳米片添加量为2 wt%时，摩擦系数较基础油降低39%，磨损体积降低16.3%（b.zhang,et al.,tribology international,216(2026),111606）。ding等人则通过氨基对二氧化硅纳米颗粒进行修饰，发现当其添加量为5 wt%时，与未改性的纳米颗粒相比，摩擦系数降低38%，进入稳定摩擦阶段所需时间缩短49%（m.ding,et al.,ceramicsinternational,44(2018),14901-14906）。上述改性方法虽在一定程度上改善了纳米材料的分散性和摩擦学性能，但通常存在工艺繁琐，反应条件苛刻，产量较低等问题，难以实现大规模工业化生产需求。此外，现有修饰过程中往往需要使用大量有机溶剂或有毒原料，会对操作人员和环境造成潜在危害。

4、因此，如何提供一种制备工艺简单、绿色环保、易于工业化生产，且能够使多种纳米材料在油相介质中长期稳定分散的分散剂，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中纳米材料在油相介质中易团聚、分散稳定性差，以及现有表面化学改性工艺繁琐、条件苛刻、难以工业化生产的问题，本发明提供一种适用于多种纳米材料的脲基分散剂及其制备方法。本发明通过在基础油中原位反应生成具有优异油溶性的脲分子作为分散组分，无需对纳米材料进行复杂的表面化学修饰，即可实现多种纳米材料在油相介质中的长期稳定分散。

2、第一方面，本发明提供一种脲基化合物，所述脲基化合物其结构式如式(ⅰ)所示：

3、。

4、第二方面，本发明提供一种脲基分散液的制备方法，包括如下步骤：

5、（1）将甲苯-2,4-二异氰酸酯加入第一部分基础油中，搅拌分散均匀，得到异氰酸酯基础油混合液；

6、（2）将二正辛胺加入第二部分基础油中，搅拌分散均匀，得到胺基础油混合液；所述甲苯-2,4-二异氰酸酯与二正辛胺的摩尔比为1:1.8~2.2；

7、（3）将所述胺基础油混合液滴加至所述异氰酸酯基础油混合液中，搅拌条件下将混合体系升温至150~200℃，并恒温反应30~60 min，使甲苯-2,4-二异氰酸酯与二正辛胺在基础油中原位加成反应，生成式(ⅰ)所示的脲基化合物；反应结束后，将所得反应体系冷却至20~25℃，得到所述脲基分散液；

8、所得脲基分散液中脲分子的质量百分含量为2~10 wt%；

9、所述基础油为聚α烯烃、季戊四醇四（2-乙基己酸）酯、工业白油中的任意一种。

10、本发明采用甲苯-2,4-二异氰酸酯与二正辛胺在基础油中进行原位反应，生成一种如式(ⅰ)所示的新型脲分子。传统具有稠化能力的脲类分子参考图1中d，h，在5 wt%含量下样品为白色半固体或固体状态。相比之下，本发明制备的脲基化合物在基础油中基本不表现出稠化作用，并具有良好的油溶性。即使脲分子在油相中的含量达到10 wt%，分散体系仍为淡黄色的透明状态，参考图1中c，g（实施例5），不会出现白色絮状沉淀；其中5 wt%浓度样品的外观如图1中a，e（实施例4）所示。如图2所示，在制备纳米材料的分散液时，只需将适量纳米材料加入预先制备的脲基分散液中，进行搅拌和超声处理，即可获得纳米材料的稳定分散液。该分散液可在室温条件下稳定分散10天以上，其中分散稳定性较优的样品可稳定放置100天以上而不发生明显沉降或分层，具有良好的工业化应用潜力。此外，当所述纳米材料分散液在长期放置后出现沉降时，仅需再次进行超声处理，即可恢复至均匀分散状态并继续使用，进一步提高了其实际应用价值。

11、优选地，所述基础油为聚α烯烃（pao8）、季戊四醇四（2-乙基己酸）酯（peb8）中的任意一种。

12、优选地，所述甲苯-2,4-二异氰酸酯的用量占反应体系总质量的0.66~1.66 wt%，所述二正辛胺的用量占反应体系总质量的1.33~3.33 wt%。

13、优选地，步骤（1）中所述搅拌分散的温度为40~50℃，时间为10 min；步骤（2）中所述搅拌分散的温度为40℃，时间为10 min；步骤（3）中升温至170~180℃并恒温反应60 min。

14、优选地，所得脲基分散液中脲分子的质量百分含量为2~10 wt%，优选为2~5 wt%，更优选为2 wt%。

15、第二方面，本发明提供由上述制备方法制备得到的脲基分散液。当脲基化合物的含量不高于10 wt%时，所述脲基分散液呈无色或淡黄色透明状态，且未观察到絮状沉淀。

16、第三方面，本发明提供一种纳米材料分散液，包括上述脲基分散液以及分散于所述脲基分散液中的纳米材料。在应用过程中，本发明的脲基分散液主要通过均匀分布于油相中的脲分子辅助纳米材料分散。所述分散作用可能与纳米材料与脲基化合物之间的范德华力和氢键作用有关。其中，脲分子所含的长链烷基赋予其与基础油良好的相溶性（图2），并通过空间位阻及界面作用抑制纳米材料之间的团聚。由于该脲分子在油相中仅存在较弱的分子间相互作用，所得体系保持流动性良好，可作为新型切削液或润滑分散体系使用。

17、优选地，所述纳米材料为碳纳米管、石墨烯、二硫化钼（mos2）或六方氮化硼（h-bn）中的至少一种，其粒径或片层尺寸不大于1 μm；所述纳米材料的添加量占所述纳米材料分散液总质量的0.5~1 wt%。

18、第四方面，本发明提供上述纳米材料分散液的制备方法：将所述纳米材料加入所述脲基分散液中，并交替进行搅拌和超声处理，使纳米材料均匀分散于脲基分散液中，得到所述纳米材料分散液。

19、第五方面，本发明提供上述纳米材料分散液作为润滑油添加剂分散体系或切削液的应用。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

21、（1）制备工艺简单、绿色环保：仅通过一步加成反应即可在基础油中原位生成脲基分散组分，无需对纳米材料进行复杂的表面化学修饰，避免了传统方法中大量有机溶剂的使用及繁琐的后处理过程，成本低廉，操作简便，易于工业化生产；

22、（2）所得脲基分散液在脲分子含量不高于10 wt%时呈无色或淡黄色的透明状态，且无絮状沉淀，不会像传统脲类稠化剂一样形成白色絮状沉淀，有利于后续观察纳米材料的分散状态；

23、（3）纳米材料分散液的分散稳定性优异：多种纳米材料（如碳纳米管、六方氮化硼、二硫化钼）在20~25℃下可稳定分散10天以上而不发生明显沉降或分层，其中分散稳定性较优的样品可稳定放置100天以上；并且分散液在长期放置出现沉降后，仅需再次进行超声处理，即可恢复至均匀分散状态并继续使用；

24、（4）适用范围广：所述脲基分散液可溶于多种基础油，并可有效辅助碳纳米管、石墨烯、二硫化钼、六方氮化硼等多种纳米材料的稳定分散；

25、（5）所述脲基分散液在辅助分散过程中可较好保持纳米材料的结构完整性，有助于纳米材料在润滑体系中发挥减摩抗磨作用，所得纳米材料分散液可作为润滑油添加剂分散体系或切削液使用，具有良好的工程应用前景。