一種類液體石墨烯水基潤滑劑、制備方法及用圖
【專利摘要】本發明提供了一種類液體石墨烯水基潤滑劑、制備方法及用途，所述方法是首先將氧化石墨烯溶于去離子水中超聲分散均勻，加入磺酸基修飾劑，再加入堿性溶液調節pH值，然后轉移入圓底燒瓶中反應；將所得反應液進行抽濾清洗，溶于去離子水中進行離子交換取代溶液中的金屬陽離子，調節pH值；然后向所得反應液中加入聚氧乙烯烷基胺水溶液進行酸堿中和反應，直到溶液呈中性為止，將最后得到的反應液烘干，冷卻，得到類液體石墨烯。本發明制備的類液體石墨烯材料在水中具有良好的自分散性，不易發生沉積，可作為水基潤滑添加劑，具有良好的潤滑效果。
【專利說明】
一種類液體石墨烯水基潤滑劑、制備方法及用途
技術領域
[0001]本發明屬于摩擦材料領域，尤其是一種類液體石墨烯水基潤滑劑、制備方法及用途。
【背景技術】
[0002]在機械工業領域，開發高效、節能、環保的新型潤滑材料，更好地減少機械摩擦、降低材料磨損、節約能源消耗和改善燃氣排放，對我國走新型工業化道路、建設循環經濟、實現節能減排的發展戰略具有十分重要的現實意義。隨著納米摩擦學的發展，將納米材料與傳統潤滑技術相結合，研制兼具納米潤滑和流體潤滑雙重優點的環境友好型高性能潤滑材料，是近年來摩擦與潤滑領域的研究熱點。目前，這種結合往往是通過將納米粒子分散于液體潤滑劑中來實現減磨耐磨的效果的。常用的金屬單質、金屬氧化物、金屬硫化物、稀土化合物等納米粒子在摩擦過程中化學性質不穩定，易被摩擦界面產生的高溫分解或者被摩擦過程中產生的酸性物質腐蝕破壞。針對這一問題，通常引入具有耐腐蝕、耐高溫、耐磨損特性的納米石墨、富勒稀、碳納米管、石墨稀等納米碳質添加劑來解決。
[0003]石墨烯作為新型的納米碳質潤滑材料，其力學和熱學性能更加優異，本征強度高達130Gpa，熱導率高達5000W/(m.K)，而且獨特的二維平面結構，使得片層之間的剪切力很小，摩擦系數極低，具有比富勒烯、碳納米管、石墨等碳質潤滑材料更好的成膜性和更穩定的減摩抗磨功能。Eswaraiah等通過聚焦太陽福照剝落技術制備了氧含量較低的石墨稀，將其分散于潤滑劑中發現當石墨烯濃度為0.025mg/mL時，潤滑劑的摩擦系數和對偶磨斑直徑分別減小了80%和33%，承載能力高達935N。但是，由于JT-JT鍵和范德華力的作用，石墨烯在潤滑劑中很難分散且穩定性差，易發生不可逆的團聚沉淀而失去其優異的潤滑性能，甚至還會引起嚴重的磨粒磨損。

【發明內容】

[0004]針對現存的水基潤滑添加劑分散性欠佳的現狀，本發明提供了一種類液體石墨烯水基潤滑劑、制備方法及用途，提高片層狀石墨烯材料在水中的分散性及減磨耐磨性能。
[0005]本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。
[0006]—種類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]S1、將氧化石墨烯溶于去離子水中超聲分散均勻，加入磺酸基修飾劑，再加入堿性溶液調節至堿性，然后轉移入圓底燒瓶中反應；
[0008]S2、將SI中所得反應液進行抽濾清洗，溶于去離子水中進行離子交換取代溶液中的金屬陽離子，調節PH值;然后向所得反應液中加入聚氧乙烯烷基胺水溶液進行酸堿中和反應，直到溶液呈中性為止，將最后得到的反應液烘干，冷卻，得到類液體石墨烯。
[0009]進一步地，所述磺酸基修飾劑為3_(三羥基硅基)_丙烷磺酸或氨基苯磺酸;所述堿性溶液為NaOH水溶液或KOH水溶液;所述聚氧乙烯烷基胺的分子式為R-(C2H4O)m-(C3H6O)n-NH2，R代表烷基鏈，分子量在2000-3000。
[0010]進一步地，SI中所述的類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法，其特征在于，SI中所述的氧化石墨稀溶于水后的濃度為0.5mg/mL-l.5mg/mL(質量濃度)；超聲波分散是在180W的超聲波儀器中超聲lh-2h，反應溫度是80 0C -90 0C。
[0011 ]進一步地，SI所述的加入磺酸基修飾劑與石墨稀的質量比在3:1-8:1。
[0012]進一步地，SI所述的加入堿性水溶液調節的pH值達到6-7之間。
[0013]進一步地，S2所述的離子交換取代溶液中的金屬陽離子調節pH值在1-3之間。
[0014]進一步地，S2所述的抽濾清洗是采用聚乙烯濾膜抽濾的。
[0015]進一步地，S2所述的將反應液烘干是在60°C_80°C下烘干48h得到類液體石墨烯。
[0016]本發明還包括所述的類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法制備得到的類液體石墨稀水基潤滑劑。
[0017]所述的類液體石墨烯水基潤滑劑作為水摩擦添加劑的用途，將所述的類液體石墨烯水基潤滑劑溶于水中快速分散均勻，形成穩定的水基潤滑液。
[0018]本發明的有益效果:
[0019]本發明所述的類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法，該方法制備原料簡單易得，成本低，制備方法所用設備與過程簡單。高密度接枝的聚氧乙烯烷基烷在離子鍵的作用下無法密堆積排列，結晶受到抑制，在石墨烯表面形成柔軟的有機殼層，成為了石墨烯宏觀流動的“溶劑”。而且每個石墨烯顆粒嚴格享有各自的“溶劑”，并將周圍所有相鄰的粒子排斥開，彼此不發生任何接觸，使得石墨烯在各種體系中都很難聚沉，在避免使用其它溶劑和分散劑的情況下具有了類似于液體的宏觀流動性。通過該方法制備得到的類液體石墨烯水基潤滑劑溶于水中能夠快速分散均勻，形成穩定的水基潤滑液，并且不會發生沉積，能夠直接以液一液互溶的方式實現石墨烯在水中的長期穩定分散，得到體系均一、性能優異、綠色環保的類液體石墨烯基潤滑材料。摩擦過程中，以離子鍵結合的聚氧乙烯烷基胺和石墨烯在機械剪切作用下能夠發生核-殼協同的潤滑效應，在摩擦副表面形成構型有序、厚度穩定、軟硬交替的邊界潤滑薄膜，起到很好的減摩抗磨效果。本發明所述的類液體石墨烯水基潤滑劑作為水摩擦添加劑的用途，能夠顯著降低水摩擦在45#鋼表面的摩擦系數與磨損率。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明所制備類液體石墨烯水基潤滑劑照片。
[0021 ]圖2為本發明所制備類液體石墨烯水基潤滑劑不同濃度的照片。
[0022]圖3為本發明所制備類液體石墨烯水基潤滑劑的不同濃度的摩擦系數變化圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護范圍并不限于此。
[0024]本發明所述的類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法，是首先將氧化石墨烯溶于去離子水中超聲分散均勻，加入磺酸基修飾劑，再加入堿性溶液調節PH值，然后轉移入圓底燒瓶中反應;將所得反應液進行抽濾清洗，溶于去離子水中進行離子交換取代溶液中的金屬陽離子，調節pH值;然后向所得反應液中加入聚氧乙烯烷基胺水溶液進行酸堿中和反應，直到溶液呈中性為止，將最后得到的反應液烘干，冷卻，得到類液體石墨烯。所述磺酸基修飾劑為3-(三羥基硅基)-丙烷磺酸或氨基苯磺酸;所述堿性溶液為NaOH水溶液或KOH水溶液；所述的聚氧乙烯烷基胺的分子式為R-(C2H4O)m-(C3H6O)n-NH2, R代表烷基鏈，分子量在2000-3000。通過該方法制備得到的類液體石墨烯水基潤滑劑溶于水中能夠快速分散均勻，形成穩定的水基潤滑液，并且不會發生沉積。能夠顯著降低水摩擦在45#鋼表面的摩擦系數與磨損率。
[0025]實施例1
[0026]1、用電子天平秤取0.1g的氧化石墨烯粉末，加入到10mL去離子水中，超聲分散后加入0.4g的3-(三羥基硅基)-丙烷磺酸溶液，利用1wt %的NaOH水溶液調節其pH值至6;將上述溶液轉移到圓底燒瓶中，在80°C下反應24h，期間取出燒瓶進行超聲分散處理，一共三次，每次5min，抽濾過后靜置待用。
[0027]2、將步驟I中的反應所得液進行抽濾清洗，采用聚乙烯濾膜進行抽濾，期間用50mL去離子水沖洗抽濾；隨后將抽濾所得產物溶于10mL去離子水中，進行離子交換反應;然后逐滴加入10wt%的分子量在2000左右的聚氧乙烯烷基胺，加入過程中用pH計測定其pH值，直到反應液呈中性;將上述反應液放入烘箱中60°C下干燥48h，制備得到類液體石墨烯，如圖1所示。
[0028]3、配制質量濃度為lwt%、5wt%以及10的％的類液體石墨烯水溶液，如圖2所示，分別采用純水以及上述三種溶液進行水摩擦試驗，測試其摩擦系數分別為0.32、0.20、0.10和0.14，可以看出相較于純水，添加5wt%類液體石墨烯的摩擦系數降低了約69%，呈現出顯著的潤滑效果。如圖3所示。
[0029]實施例2
[0030]1、用電子天平秤取0.1g的氧化石墨烯粉末，加入到10mL去離子水中，然后加入
0.8g的加入氨基苯磺酸，利用1wt %的1(0!1水溶液調節其pH值至7;將上述溶液轉移到圓底燒瓶中，在90°C下反應24h，期間取出燒瓶進行超聲分散處理，一共三次，每次5min，抽濾過后靜置待用。
[0031]2、將步驟I中的反應所得液進行抽濾清洗，采用聚乙烯濾膜進行抽濾，期間用50mL去離子水沖洗抽濾；隨后將抽濾所得產物溶于10mL去離子水中，進行離子交換反應;然后逐滴加入10wt%的分子量在2500左右的聚氧乙烯烷基胺，加入過程中用pH計測定其pH值，直到反應液呈中性;將上述反應液放入烘箱中60°C下干燥48h，制備得到類液體石墨烯。
[0032]3、配制質量濃度為lwt%、5wt%以及10的％的類液體石墨烯水溶液，如圖2所示，分別采用純水以及上述三種溶液進行水摩擦試驗，測試其摩擦系數分別為0.32,0.28,0.16和0.20，可以看出相較于純水，添加5wt %類液體石墨烯的摩擦系數降低了約50 %，呈現出較好的潤滑效果。
[0033]實施例3
[0034]1、用電子天平秤取0.2g的氧化石墨烯粉末，加入到10mL去離子水中，超聲分散后加入1.2g的3-(三羥基硅基)-丙烷磺酸溶液，利用I Owt %的NaOH水溶液調節其pH值至6;將上述溶液轉移到圓底燒瓶中，在80°C下反應24h，期間取出燒瓶進行超聲分散處理，一共三次，每次5min，抽濾過后靜置待用。
[0035]2、將步驟I中的反應所得液進行抽濾清洗，采用聚乙烯濾膜進行抽濾，期間用50mL去離子水沖洗抽濾；隨后將抽濾所得產物溶于10mL去離子水中，進行離子交換反應;然后逐滴加入10wt%的分子量在3000左右的聚氧乙烯烷基胺，加入過程中用pH計測定其pH值，直到反應液呈中性;將上述反應液放入烘箱中80°C下干燥48h，制備得到類液體石墨烯。
[0036]3、配制質量濃度為lwt%、5wt%以及10的％的類液體石墨烯水溶液，如圖2所示，分別采用純水以及上述三種溶液進行水摩擦試驗，測試其摩擦系數分別為0.32、0.20、0.14和0.18，可以看出相較于純水，添加5wt %類液體石墨烯的摩擦系數降低了約56 %，呈現出較好的潤滑效果。
[0037]實施例4
[0038]1、用電子天平秤取0.2g的氧化石墨烯粉末，加入到10mL去離子水中，然后加入
1.5g的加入氨基苯磺酸，利用1wt%的1(0!1水溶液調節其pH值至7;將上述溶液轉移到圓底燒瓶中，在90°C下反應24h，期間取出燒瓶進行超聲分散處理，一共三次，每次5min，抽濾過后靜置待用。
[0039]2、將步驟I中的反應所得液進行抽濾清洗，采用聚乙烯濾膜進行抽濾，期間用50mL去離子水沖洗抽濾；隨后將抽濾所得產物溶于10mL去離子水中，進行離子交換反應;然后逐滴加入10wt%的分子量在3000左右的聚氧乙烯烷基胺，加入過程中用pH計測定其pH值，直到反應液呈中性;將上述反應液放入烘箱中80°C下干燥48h，制備得到類液體石墨烯。
[0040]3、配制質量濃度為lwt%、5wt%以及10的％的類液體石墨烯水溶液，如圖2所示，分別采用純水以及上述三種溶液進行水摩擦試驗，測試其摩擦系數分別為0.32、0.20、0.18和0.24，可以看出相較于純水，添加5wt %類液體石墨烯的摩擦系數降低了約43 %，呈現出較好的潤滑效果。
[0041]所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明并不限于上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 51、將氧化石墨烯溶于去離子水中超聲分散均勻，加入磺酸基修飾劑，再加入堿性溶液調節至堿性，然后轉移入圓底燒瓶中反應； 52、將SI中所得反應液進行抽濾清洗，溶于去離子水中進行離子交換取代溶液中的金屬陽離子，調節PH值;然后向所得反應液中加入聚氧乙烯烷基胺水溶液進行酸堿中和反應，直到溶液呈中性為止，將最后得到的反應液烘干，冷卻，得到類液體石墨烯。2.如權利要求1所述的類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法，其特征在于，所述磺酸基修飾劑為3_(三羥基硅基)_丙烷磺酸或氨基苯磺酸;所述堿性溶液為NaOH水溶液或KOH水溶液;所述的聚氧乙烯烷基胺的分子式為R-(C2H4O)m-(C3H6O)n-NH2，R代表烷基鏈，分子量在2000-3000 ο3.如權利要求1所述的類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法，其特征在于，SI中所述的氧化石墨稀溶于水后的濃度為0.5mg/ml-l.5mg/ml(質量濃度)；超聲波分散是在180W的超聲波儀器中超聲lh_2h，反應溫度是80 °C-90 °C。4.如權利要求1所述的類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法，其特征在于，SI所述的加入磺酸基修飾劑與石墨稀的質量比在3:1?8:1。5.如權利要求1所述的類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法，其特征在于，SI所述的加入堿性溶液將溶液的PH值調節為6-7之間。6.如權利要求1所述的類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法，其特征在于，S2所述的離子交換取代溶液中的金屬陽離子調節PH值在1-3之間。7.如權利要求1所述的類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法，其特征在于，S2所述的抽濾清洗是采用聚乙烯濾膜抽濾的。8.如權利要求1所述的類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法，其特征在于，S2所述的將反應液烘干是在60°C-80°C下烘干48h得到類液體石墨烯。9.如權利要求1-7中任意一項所述的類液體石墨烯水基潤滑劑的制備方法制備得到的類液體石墨烯水基潤滑劑。10.如權利要求8所述的類液體石墨烯水基潤滑劑作為水摩擦添加劑的用途，將所述的類液體石墨烯水基潤滑劑溶于水中快速分散均勻，形成穩定的水基潤滑液。
【文檔編號】C10N30/06GK105925341SQ201610268209
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】楊進, 陳貝貝, 劉燦
【申請人】江蘇大學