一種原位制備石墨烯水基潤(rùn)滑劑的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種原位制備石墨烯水基潤(rùn)滑劑的方法，具體是一種在表面改性劑水溶液中原位制備石墨烯并用作潤(rùn)滑劑的技術(shù)。屬于石墨烯用作納米潤(rùn)滑添加劑的應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
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[0002]在金屬材料加工工業(yè)領(lǐng)域，為提高效率及加工精度、改善產(chǎn)品質(zhì)量、減少磨損、降低摩擦，要選用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑，具體分為油基型與水基型兩種。兩者相比，水基潤(rùn)滑劑因其冷卻性好、適合高速加工條件、加工表面光潔度好、環(huán)境兼容性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但同時(shí)由于其自身潤(rùn)滑性及抗磨性較差，所以只能適用于輕加工負(fù)荷的場(chǎng)合。目前，水基潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑及抗磨性能的提高主要依賴于增加其中乳化油的含量，形成乳化液，從而提高潤(rùn)滑薄膜的強(qiáng)度，而這必然會(huì)導(dǎo)致水基潤(rùn)滑劑各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)性能的降低。因此，有必要開發(fā)出新型的水基潤(rùn)滑添加劑，使能夠在保證水基潤(rùn)滑劑獨(dú)特性能的同時(shí)，提高其潤(rùn)滑及抗磨性能，拓寬其應(yīng)用范圍。
[0003]—種新型納米材料--石墨稀，自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，以其獨(dú)特優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性能，在材料、能源及電子器件等領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。值得注意的是，石墨烯作為傳統(tǒng)潤(rùn)滑材料一一石墨的組成單元，其本身擁有優(yōu)秀的潤(rùn)滑特性。石墨烯在厚度取向上的納米級(jí)尺寸使其容易在摩擦過程中進(jìn)入摩擦副間，而獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)又使其易于沉積在摩擦副表面，因此阻止摩擦件表面的直接接觸，使摩擦轉(zhuǎn)而發(fā)生在沉積于表面的石墨烯之間，從而達(dá)到降低摩擦、減小磨損的效果。目前，氧化石墨烯或還原氧化石墨烯由于表面存在大量含氧官能團(tuán)，使其具有易改性以及親水的特點(diǎn)，因而受到研宄人員的青睞。已經(jīng)有一些科技工作者成功對(duì)氧化還原法制備的石墨烯進(jìn)行表面改性，并作為納米添加劑加入潤(rùn)滑基礎(chǔ)油中，在一定程度上增強(qiáng)了潤(rùn)滑油的抗磨減摩性能(J.Phys.D Appl.Phys.，2011，44，205303)。另一方面，也有研宄人員基于氧化石墨烯的親水性能直接將其應(yīng)用于水基潤(rùn)滑劑中(Carbon，2013，59，167 - 175)，并取得了一定的研宄成果。但是，氧化石墨烯與本征石墨烯由于結(jié)構(gòu)的差異，性質(zhì)頗有不同。在作為水基潤(rùn)滑添加劑應(yīng)用方面，氧化石墨稀與本征石墨稀相比，存在以下不足:1、氧化石墨稀表面存在大量含氧官能團(tuán)并且呈現(xiàn)褶皺的形貌，從而使其表面的光滑性大大降低，增加了層間的摩擦系數(shù)。與之相對(duì)，本征石墨烯表面基本無官能團(tuán)，缺陷程度低，且平整無褶皺，利于層間滑動(dòng)。摩擦力顯微鏡研宄表明，氧化石墨烯表面的摩擦系數(shù)達(dá)到本征石墨烯的7倍之多(Tribol.Lett.，2013，50，137 - 144)。2、氧化石墨烯溶于水會(huì)形成膠體溶液，使?jié)櫥瑒┑恼扯却蠓仙瑥亩鴷?huì)降低其在噴霧潤(rùn)滑等應(yīng)用場(chǎng)合的可操作性(J.Phys.Chem.，2011，115，3410 -3415)。而本征石墨烯能夠以極少的添加量取得優(yōu)異的潤(rùn)滑效果，基本不影響水基潤(rùn)滑劑的粘度。3、氧化石墨稀或還原氧化石墨稀的制備工藝相對(duì)復(fù)雜、制備成本較高、所用化學(xué)試劑大多對(duì)環(huán)境有危害，難以滿足低成本綠色制備及應(yīng)用的需要。相比之下，本征石墨烯現(xiàn)在已經(jīng)可以利用液相直接剝離方法進(jìn)行宏量制備，同時(shí)兼有高效率、低成本、簡(jiǎn)易綠色、易規(guī)模化的優(yōu)勢(shì)，這為本征石墨烯在潤(rùn)滑領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。鑒于以上論述，很有必要開展本征石墨烯添加于水基潤(rùn)滑劑的應(yīng)用研宄，是一種簡(jiǎn)易高效、綠色環(huán)保的納米潤(rùn)滑添加劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]1、目的:本發(fā)明的目的在于提供一種原位制備石墨烯水基潤(rùn)滑劑的方法，所述潤(rùn)滑劑以原位制備的石墨烯作為潤(rùn)滑添加劑，分散穩(wěn)定性好，具有很好的抗磨減摩性能，而且制備方法簡(jiǎn)單，環(huán)境友好，無污染。
[0005]2、技術(shù)方案:上述發(fā)明目的是通過如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種原位制備石墨烯水基潤(rùn)滑劑的方法，所述潤(rùn)滑劑由石墨烯、表面改性劑和純水組成，其中，石墨烯占潤(rùn)滑劑總質(zhì)量的0.001%?1%。
[0007]本發(fā)明所述一種原位制備石墨烯水基潤(rùn)滑劑的方法，具體步驟如下:
[0008]步驟一:將表面改性劑以預(yù)定比例添加至去離子水中，并強(qiáng)力攪拌2-24小時(shí)，使表面改性劑充分溶于水中，得到用于制備水基潤(rùn)滑劑的溶液；
[0009]步驟二:將石墨粉以預(yù)定比例添加至步驟一制備的溶液中，攪拌至其分散均勻，得到石墨分散液；
[0010]步驟三:將步驟二中得到的石墨分散液在超聲空化發(fā)生裝置中處理2-48小時(shí)；
[0011]步驟四:將步驟三中超聲空化處理后的溶液靜置12-48小時(shí)，之后取上層溶液；
[0012]步驟五:將步驟四中取得的上層溶液分裝入離心管中，進(jìn)行離心分離處理，離心轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分至5000轉(zhuǎn)/分(離心加速度35g至3555g);離心處理時(shí)間為30分鐘至180分鐘。
[0013]步驟六:對(duì)步驟五中離心處理后的溶液，取其上層清液，即得到含石墨烯的水基潤(rùn)滑劑。
[0014]其中，步驟一中所述的表面改性劑是指以下所列改性劑中的一種:TritonX-100 (聚氧乙烯辛基苯基醚)、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鋰、膽酸鈉、?；敲撗跄懰徕c、十六烷基三甲基溴化銨、聚氧代乙烯(40)壬基苯基醚、Tween 80 (失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚)等，溶液中表面改性劑的最佳質(zhì)量比例為
0.01% -1%ο
[0015]其中，步驟一中所用去離子水也可以是普通純凈水、蒸餾水等。
[0016]其中，步驟二中所述的石墨粉為粒度小于325目的天然鱗片石墨。
[0017]其中，步驟二中所述添加石墨粉與溶液的質(zhì)量比為0.1% -10%。
[0018]其中，步驟三中所述的超聲空化處理是把石墨分散液裝入錐形瓶(但不限于錐形瓶)，然后將其浸浴在超聲空化發(fā)生裝置的容器(容器中預(yù)先盛有水)中進(jìn)行超聲空化處理，處理時(shí)間為2-48小時(shí)，期間通過循環(huán)冷卻的方式保持容器中的水溫低于40°C。
[0019]3、有益效果
[0020](I)在表面改性劑水溶液中原位制備石墨烯水基潤(rùn)滑劑的制備工藝及方法非常簡(jiǎn)單，易于實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)。
[0021 ] (2)該方法制備的水基潤(rùn)滑劑中，石墨烯的分散穩(wěn)定性很好。這是由于在超聲空化過程中表面改性劑分子對(duì)剝離產(chǎn)生的石墨烯片層進(jìn)行有效地包覆，從而防止了其團(tuán)聚及沉降。
[0022](3)含石墨烯的水基潤(rùn)滑劑有極佳的抗磨減摩性能，與無添加石墨烯的潤(rùn)滑劑相比，摩擦系數(shù)急劇降低，磨損量大幅減小。這是由于在摩擦過程中，石墨烯的片層結(jié)構(gòu)及厚度方向的納米級(jí)尺寸使其容易進(jìn)入到摩擦副間并沉積于摩擦件表面形成保護(hù)膜，進(jìn)而避免了摩擦件之間的直接接觸，使摩擦主要發(fā)生在石墨烯片層之間，從而提高了摩擦副的承載能力，同時(shí)也使摩擦系數(shù)明顯降低且更加穩(wěn)定。
[0023](4)該方法制備的水基潤(rùn)滑劑中石墨烯的含量很少，因此在提高潤(rùn)滑劑抗磨減摩性能的同時(shí)，也保持了水基潤(rùn)滑劑的固有優(yōu)點(diǎn)，如冷卻性好、加工性能好、無污染等。
【附圖說明】
[0024]圖1為實(shí)施例1?3所制備含石墨烯水基潤(rùn)滑劑的靜置沉降曲線，左側(cè)縱坐標(biāo)為潤(rùn)滑劑的吸光度測(cè)量值，右側(cè)縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的石墨烯濃度，橫坐標(biāo)為靜置時(shí)間。
[0025]圖2為實(shí)施例1?3中所述含石墨烯水基潤(rùn)滑劑及無添加石墨烯潤(rùn)滑劑(只含水和表面改性劑)的摩擦系數(shù)曲線圖；其中，0.000% -無添加石墨烯潤(rùn)滑劑，0.002% -實(shí)施例1，0.007% -實(shí)施例2，0.011% -實(shí)施例3 ;2N和15N指不同的實(shí)驗(yàn)負(fù)荷。
[0026]圖3為實(shí)施例1?3中所述含石墨烯水基潤(rùn)滑劑及無添加石墨烯潤(rùn)滑劑(只含水和表面改性劑)的鋼球磨斑直徑柱狀圖；其中，0.000% -無添加石墨烯潤(rùn)滑劑，0.002% -實(shí)施例1，0.007% -實(shí)施例2，0.011% -實(shí)施例3 ;2N和15N指不同的實(shí)驗(yàn)負(fù)荷。
[0027]圖4a為實(shí)驗(yàn)負(fù)載2N，潤(rùn)滑劑中石墨烯含量為0.000%時(shí)，摩擦實(shí)驗(yàn)后鋼球磨斑光學(xué)顯微鏡圖片；
[0028]圖4b為實(shí)驗(yàn)負(fù)載2N，潤(rùn)滑劑中石墨烯含量為0.000%時(shí)，摩擦實(shí)驗(yàn)后鋼盤劃痕光學(xué)顯微鏡圖片；
[0029]圖4c為實(shí)驗(yàn)負(fù)載2N，潤(rùn)滑劑中石墨烯含量為0.000%時(shí)，摩擦實(shí)驗(yàn)后鋼盤劃痕的掃描電鏡圖片；
[0030]圖4d為實(shí)驗(yàn)負(fù)載2N，潤(rùn)滑劑中石墨烯含量為0.000%時(shí)，摩擦實(shí)驗(yàn)后鋼盤劃痕的3D輪廓圖;
[0031]圖4e為實(shí)驗(yàn)負(fù)載2N，潤(rùn)滑劑中石墨烯含量為0.000%時(shí)，摩擦實(shí)驗(yàn)后鋼盤劃痕的截面輪廓圖。
[0032]圖5a為實(shí)驗(yàn)負(fù)載2N潤(rùn)滑劑中石墨烯含量為0.011% (實(shí)施例3)時(shí)，摩擦實(shí)驗(yàn)后鋼球磨斑光學(xué)顯微鏡圖片；
[0033]圖5b為實(shí)驗(yàn)負(fù)載2N潤(rùn)滑劑中石墨烯含量為0.011% (實(shí)施例3)時(shí)，摩擦實(shí)驗(yàn)后鋼盤劃痕光學(xué)顯微鏡圖片；
[0034]圖5c為實(shí)驗(yàn)負(fù)載2N潤(rùn)滑劑中石墨烯含量為0.011% (實(shí)施例3)時(shí)，摩擦實(shí)驗(yàn)后鋼盤劃痕的掃描電鏡圖片；
[0035]圖5d為實(shí)驗(yàn)負(fù)載2N潤(rùn)滑劑中石墨烯含量為0.011% (實(shí)施例3)時(shí)，摩擦實(shí)驗(yàn)后鋼盤劃痕的掃描電鏡圖片；
[0036]圖5e為實(shí)驗(yàn)負(fù)載2N潤(rùn)滑劑中石墨烯含量為0.011% (實(shí)施例3)時(shí)，摩擦實(shí)驗(yàn)后鋼盤劃痕的截面輪廓圖。
[0037]圖6為本發(fā)明流程框圖?！揪唧w實(shí)施方式】:
[0038]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來詳述本發(fā)明，但不限于此。
[0039]見圖6，本發(fā)明，一種原位制備石墨烯水基潤(rùn)滑劑的方法，該方法具體步驟如下:
[0040]實(shí)施例1
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