一種氧化石墨烯-聚合物微球水基潤滑添加劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于潤滑添加劑領(lǐng)域，具體涉及一種氧化石墨烯-聚合物微球水基潤滑添加劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約30%?50%的能源損失是由于相互作用面間的摩擦磨損造成的。潤滑劑可以降低摩擦阻力，減小部件間的磨損，對提高能源利用率、減小能源浪費(fèi)起著關(guān)鍵的作用。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，油基潤滑劑發(fā)展日趨成熟，目前已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。然而隨著全球的能源危機(jī)與環(huán)境污染日益嚴(yán)重，油基潤滑劑的發(fā)展得到了部分限制，同時(shí)，水基潤滑劑由于其資源豐富和低污染、低成本的優(yōu)點(diǎn)，得以快速發(fā)展。然而，目前水基潤滑劑存在摩擦系數(shù)大、抗磨性能差等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種氧化石墨烯-聚合物微球水基潤滑添加劑及其制備方法。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0005]—種氧化石墨烯-聚合物微球水基潤滑添加劑的制備方法，包括如下步驟:
[0006](I)氧化石墨烯粉末的制備:將天然鱗片石墨和硝酸鈉加入到濃硫酸中，置于冰水浴O?2°C溫度下反應(yīng)30?60min ;然后在攪拌條件下緩慢加入高錳酸鉀，持續(xù)攪拌反應(yīng)3?5h ;再升溫至35°C繼續(xù)攪拌反應(yīng)30?60min，隨后緩慢滴加去離子水，待滴加完成后，溫度升至98°C反應(yīng)15?30min，反應(yīng)結(jié)束后，滴加少量雙氧水至溶液變色，真空抽濾，離心洗滌至PH值為中性，取上清液，經(jīng)提取、旋蒸、冷凍干燥和研磨后得到氧化石墨烯粉末；
[0007](2)聚合物微球乳液的制備:將乳化劑加入到去離子水中，攪拌至乳化劑溶解，再向其中加入單體物質(zhì)，升溫至40 °C，攪拌反應(yīng)25?40min ;再升溫至80 °C，緩慢滴加引發(fā)劑溶液，反應(yīng)80?120min，保溫I?1.5h，得到聚合物微球乳液，所述單體物質(zhì)為丙稀酸酯或苯乙烯，所述聚合物微球乳液為聚丙烯酸酯微球乳液或聚苯乙烯微球乳液；
[0008](3)將氧化石墨烯粉末加入到聚合物微球乳液中，超聲振蕩至氧化石墨烯粉末完全分散后得到氧化石墨烯-聚合物微球復(fù)合乳液，將氧化石墨烯-聚合物微球復(fù)合乳液用去離子水稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 %?2%，即得到氧化石墨烯-聚合物微球水基潤滑添加劑。
[0009]上述方案中，步驟(I)所述天然鱗片石墨、硝酸鈉和高錳酸鉀的質(zhì)量比為1:0.5?
2:3 ?5ο
[0010]上述方案中，步驟(I)所述天然鱗片石墨與濃硫酸的質(zhì)量體積比為Ig:50?80ml ;所述去離子水與濃硫酸的體積比為1:4?8。
[0011]上述方案中，步驟(2)所述丙烯酸酯為甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯或丙烯酸丁酯。
[0012]上述方案中，步驟(2)所述單體物質(zhì)、乳化劑和去離子水的質(zhì)量比為1:0.03?
0.05:1 ?1.3。
[0013]上述方案中，步驟(2)所述乳化劑是由0P-10和十二烷基硫酸鈉按質(zhì)量比為
1.5?2:1的比例組成。
[0014]上述方案中，步驟(2)所述引發(fā)劑溶液是由過硫酸鉀和少量去離子水組成，過硫酸鉀的質(zhì)量為所述單體物質(zhì)質(zhì)量的0.3%?0.6%。
[0015]上述方案中，步驟⑵所述聚合物微球乳液中，聚合物微球的粒徑為70nm?500nmo
[0016]上述方案中，步驟(2)所述聚合物微球乳液的固體物質(zhì)含量為45%?56%，步驟
(3)所述氧化石墨烯粉末的質(zhì)量為聚合物微球乳液中固體物質(zhì)質(zhì)量的0.1%?2%。
[0017]上述方案中，步驟(3)所述超聲振蕩的超聲功率為100w，超聲頻率為30?40KHz，超聲時(shí)間為I?3h。
[0018]上述制備方法制備得到的氧化石墨烯-聚合物微球水基潤滑添加劑。
[0019]本發(fā)明利用改進(jìn)的Hmnmers法制備氧化石墨稀，制備得到的氧化石墨稀的表面含有豐富的含氧基團(tuán)，具有優(yōu)異的親水性；同時(shí)，制備得到的聚丙烯酸酯微球乳液中含有大量的酯鍵，呈極性，具有良好的親水性，且制備的聚苯乙烯微球在水中分散性良好；氧化石墨烯表面的羥基、羧基等存在氫鍵作用力，有利于實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯與聚合物微球的組裝，也有利于氧化石墨烯與聚合物微球復(fù)合乳液可以穩(wěn)定地存在于水中。本發(fā)明的氧化石墨烯-聚合物微球水基潤滑添加劑可應(yīng)用于機(jī)械加工、冷乳、石油鉆井等多個(gè)領(lǐng)域；采用氧化石墨烯-聚合物微球水基潤滑添加劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的油基潤滑劑，可降低摩擦系數(shù)，提高抗磨性能，減少環(huán)境污染、降低成本，提高使用穩(wěn)定性，同時(shí)具有冷卻、防銹緩蝕等多種功效。
[0020]本發(fā)明的有益效果如下:
[0021](I)本發(fā)明所述氧化石墨烯-聚合物微球水基潤滑添加劑，其中氧化石墨烯表面吸附有大量聚合物微球，使得氧化石墨烯片層間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，有利于降低摩擦系數(shù)；同時(shí)，氧化石墨烯片層間也具有自潤滑作用，也能有效降低摩擦系數(shù)；(2)本發(fā)明所述氧化石墨烯-聚合物微球水基潤滑添加劑，其中多層氧化石墨烯片層與微球相互吸附的結(jié)構(gòu)有利于形成多層邊界潤滑膜，能有效提高潤滑添加劑的抗磨性能；同時(shí)，聚合物微球具有一定的彈性和黏著性，一定程度上增加了水基液對摩擦副的附著力，更易于形成邊界潤滑膜；(3)本發(fā)明所述氧化石墨烯與聚合物微球乳液的極性相似，其中氧化石墨烯表面的羥基、羧基等還存在氫鍵作用力，將氧化石墨烯與聚合物微球乳液復(fù)合時(shí)，兩者之間的氫鍵作用力有利于形成均勻穩(wěn)定的水基潤滑液，具有一定的粘度，附著性好，使用周期長；
(4)本發(fā)明所述氧化石墨烯-聚合物微球水基潤滑添加劑可應(yīng)用于機(jī)械加工、冷乳、石油鉆井等多個(gè)領(lǐng)域，將其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的油基潤滑劑，可有效降低摩擦系數(shù)，提高抗磨性能，減少環(huán)境污染、降低成本，提高使用穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0022]圖1是氧化石墨烯-聚合物微球水基潤滑添加劑的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中I表示氧化石墨烯片層，2表示聚合物微球。
[0023]圖2是合成的氧化石墨烯的紅外光譜圖。
[0024]圖3是實(shí)施例1制備的氧化石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯微球水基潤滑添加劑的掃描電鏡圖片。
[0025]圖4是實(shí)施例1制備的氧化石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯微球水基潤滑添加劑摩擦系數(shù)與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線圖。
[0026]圖5是實(shí)施例1制備的氧化石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯微球水基潤滑添加劑磨損率與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線圖。
[0027]圖6是實(shí)施例3制備的氧化石墨烯-聚苯乙烯微球水基潤滑添加劑摩擦系數(shù)與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線圖。
[0028]圖7是實(shí)施例3制備的氧化石墨烯-聚苯乙烯微球水基潤滑添加劑磨損率與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0030]實(shí)施例1
[0031]—種氧化石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯微球水基潤滑添加劑的制備方法，包括如下步驟:
[0032](I)采用改進(jìn)Hummers法制備氧化石墨稀粉末:稱取2.4g天然鱗片石墨和3g硝酸鈉置于三角燒瓶中，向其中加入140ml濃硫酸中，置于冰水浴(TC溫度下反應(yīng)30min ;然后在攪拌條件下緩慢加入12g高錳酸鉀，持續(xù)攪拌反應(yīng)3h ;再升溫至35°C繼續(xù)攪拌反應(yīng)30min，隨后緩慢滴加600ml去離子水，待滴加完成后，溫度升至98°C反應(yīng)15min，反應(yīng)結(jié)束后，滴加1ml雙氧水至溶液變色，真空抽濾，用去離子水以10000r/min的速度離心洗滌5min至pH值為7，繼續(xù)離心4次，取上層上清液，經(jīng)旋蒸、冷凍干燥后，研磨得到氧化石墨烯粉末；
[0033](2)聚甲基丙烯酸甲酯微球乳液的制備:將乳化劑(2g OP-1OUg SDS)加入到10ml去離子水中，攪拌至乳化劑溶解，再向其中加入10g甲基丙烯酸甲酯，升溫至40°C，攪拌反應(yīng)30min ;再升溫至80°C，緩慢滴加引發(fā)劑溶液(引發(fā)劑溶液是由20g去離子水和
0.5g過硫酸鉀組成)，反應(yīng)90min，保溫lh，降至室溫后過濾出料，得到聚甲基丙烯酸甲酯微球乳液，測得聚甲基丙烯酸甲酯乳液的固體物質(zhì)含量為48.9% ;
[0034](3)將0.978g氧化石墨烯粉末加入到200g聚甲基丙烯酸甲酯微球乳液中，超聲振蕩(超聲功率100W，超聲頻率30KHz，超聲時(shí)間2h)至氧化石墨烯完全分散后得到復(fù)合乳液，將復(fù)合乳液用去離子水稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2 %，0.4 %，0.6 %，0.8 %，I %，1.2 %和
1.4%，即得到不同濃度的氧化石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯微球水基潤滑添加劑。
[0035]將本實(shí)施例制備的氧化石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯微球水基潤滑添加劑用掃描電子顯微鏡進(jìn)行了觀察，結(jié)果見圖3，圖3所示氧化石墨烯片層與聚合物微球相互吸附在一起，聚合物微球的粒徑范圍在70?500nm不等，平均直徑為180nm，分散均勻。
[0036]將本實(shí)施例制備的氧化石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯微球水基潤滑添加劑進(jìn)行了摩擦磨損性能測試，采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察了氧化石墨烯-聚甲基丙烯酸甲酯微球水基潤滑添加劑的摩擦磨損性能。將制備的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，I %，1.2%和1.4%的氧化