CN104017627B - 一种改性氧化石墨烯抗磨剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改性氧化石墨烯抗磨剂的制备方法。本发明在三口烧瓶中加入氧化石墨烯和含硼、钼、钙、铜、稀土元素的化合物，在上述容器中加入有机溶剂搅拌加热，然后加入浓硫酸作为催化剂并反应，升温至溶剂的沸点蒸出溶剂，将产物放入真空干燥箱干燥，即得到改性氧化石墨烯抗磨剂。本发明克服了油质润滑剂和固体润滑剂，但它们都有成本高、使用条件较苛刻、更换麻烦、产生废物污染环境等问题。本发明利用氧化石墨烯超薄、超硬、超润滑、耐腐蚀、耐高温特性的特性，通过具有抗磨性能元素的表面改性，制备出性能优异的新型抗磨剂，该产品能够显著改善润滑剂的润滑性能，大幅减少机械运动表面的摩擦和磨损，具有节材和节能的功效。

Description

一种改性氧化石墨烯抗磨剂的制备方法

技术领域

本发明属于润滑技术领域，特别涉及一种改性氧化石墨烯抗磨剂的制备方法。

背景技术

据国际权威机构统计，金属材料磨损、腐蚀、疲劳三大损耗约占工业总产值的30％，摩擦磨损是普遍存在的自然现象。摩擦损失了世界约三分之一的一次能源，磨损是造成材料与设备破坏和失效的三种最主要的形式之一，润滑则是降低摩擦、减少或避免磨损的最有效技术。发展具有良好抗磨损性能、高承载能力、对磨损表面具有一定修复功能、对据国际权威机构统计，金属材料磨损、腐蚀、疲劳三大损耗约占工业总产值的30％，摩擦磨损是普遍存在的自然现象。摩擦损失了世界约三分之一的一次能源，磨损是造成材料与设备破坏和失效的三种最主要的形式之一，润滑则是降低摩擦、减少或避免磨损的最有效技术。发展具有良好抗磨损性能、高承载能力、对磨损表面具有一定修复功能、对环境无污染或少污染的润滑技术，是当代化学和材料科学及摩擦学的重要课题之一。

传统的极压润滑脂提高极压抗磨性能主要是含硫、氯和磷的有机化合物，尽管极压性能较好，但是硫、氯和磷化合物会产生腐蚀和环境污染问题。而广泛应用的二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)高效极压抗磨剂，现在已显得难于适应形势发展的需要。这是因为：(1)元素Zn会使某些合金轴承(主要指含银、铅部件)产生电化学腐蚀；(2)在高于160度的工况下会因急剧分解而丧失抗氧化和极压抗磨性能。因此，寻找能够克服ZDDP局限性的新型极压抗磨剂已成为润滑脂研发的热点。

在固体润滑剂中，长期以来，工业上用的润滑剂主要有两种：油质润滑剂和固体润滑剂，但它们都有成本高、使用条件较苛刻、更换麻烦、产生废物污染环境等问题。石墨作为固体润滑添加剂以其来源广、价格低、固体润滑效果好等特点，大量应用于工业生产已有上百年的历史。但是使用的超细石墨和二硫化钼粉末的颗粒尺寸为微米尺寸，缺点是混合均匀性差，利用率低，添加量高。

石墨烯材料具有超大的形状比(平面大小/厚度比)，并保持了石墨的基本导电性质和优良的润滑、耐腐蚀、耐高温特性。研究表明，石墨烯是目前发现的材料当中强度最高的材料，具有内在的机械强度和类似石墨较低剪切力，并且具有层结构特点，所以是很好的固体润滑剂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，研制一种改性氧化石墨烯抗磨剂的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种改性氧化石墨烯抗磨剂的制备方法，其主要技术特征在于在三口烧瓶中加入氧化石墨烯和含硼、钼、钙、铜、稀土元素的化合物，在上述容器中加入有机溶剂搅拌加热，然后加入浓硫酸作为催化剂并反应，升温至溶剂的沸点蒸出溶剂，将产物放入真空干燥箱干燥，即得到改性氧化石墨烯抗磨剂。

所述的氧化石墨烯是用Hummers方法制备的。

所述的含硼、钼、钙、铜、稀土元素的化合物是指硼酸、硼酸镧、硼酸钼、硼酸钙，硼酸铜中的一种或者多种。

所述的氧化石墨烯和含硼、钼、钙、铜、稀土元素的化合物的重量比为1∶0.5-3。

所述的有机溶剂为石油醚、水、乙醇，苯，正己烷，氯仿。

所述浓硫酸催化剂的重量为反应物的0.1-0.5％。

所述的反应温度60-150℃，反应时间为2-8h。

所述的产物的真空干燥温度为20-80℃。

本发明的优点和效果在于利用氧化石墨烯超薄、超硬、超润滑、耐腐蚀、耐高温特性的特性，利用氧化石墨烯表面丰富的羟基和羧基，通过化学方法用具有抗磨性能的元素化合物对其进行改性，通过具有抗磨性能元素的表面改性，制备出性能优异的新型抗磨剂，该产品能够显著改善润滑剂的润滑性能，大幅减少机械运动表面的摩擦和磨损，具有节材和节能的功效。

本发明的其他具体优点和效果将在下面继续说明。

具体实施方式

实施例1：

在250mL三口烧瓶中加入1.2g氧化石墨烯和3.6g硼酸，然后加入30ml石油醚搅拌加入0.024g浓硫酸，升温至60℃冷凝回流反应8h，然后蒸出溶剂。将产物放入80℃真空干燥箱干燥得灰白色固体，即为硼酸改性氧化石墨烯。按照0.05％比例添加入普通润滑脂中，磨斑直径从空白脂的0.96减小到0.38，磨损率减少了60％，摩擦系数从空白脂的0.106下降到0.04，摩擦系数减少了60％。

氧化石墨烯是用Hummers方法制备的，属于采用现有技术制备，故省略具体制备方法。

实施例2：

在250mL三口烧瓶中加入1g氧化石墨烯和0.5g硼酸钙，然后加入70ml正己烷搅拌加热至60℃加入0.005g滴浓硫酸，继续升温至150℃冷凝回流反应2h，然后蒸出溶剂。将产物放入20℃真空干燥箱干燥得灰白色固体，即为硼酸钙改性氧化石墨烯。按照0.5％比例添加入普通润滑脂中，磨斑直径从空白脂的0.96减小到0.20，磨损率减少了80％，摩擦系数从空白脂的0.106下降到0.02，摩擦系数减少了80％。

实施例3：

在250mL三口烧瓶中加入1g氧化石墨烯和1.5g硼酸镧然后加入50ml乙醇搅拌加热至80℃加入0.020g浓硫酸，继续升温至130℃冷凝回流反应5h，然后蒸出溶剂。将产物放入60℃真空干燥箱干燥得灰白色固体即为硼酸镧氧化石墨烯。按照0.1％比例添加入普通润滑脂中，磨斑直径从空白脂的0.96减小到0.28，磨损率减少70％左右，摩擦系数从空白脂的0.106下降到0.04，摩擦系数减少了60％左右。

实施例4：

在250mL三口烧瓶中加入1g氧化石墨烯和1.2g硼酸铜然后加入10ml乙醇搅拌加热至40℃加入0.023g浓硫酸，继续升温至120℃冷凝回流反应4h，然后蒸出溶剂。将产物放入40℃真空干燥箱干燥得灰白色固体，即为硼酸铜改性氧化石墨烯。按照0.08％比例添加入普通润滑脂中，磨斑直径从空白脂的0.96减小到0.28，磨损率下降为空白的70％，摩擦系数从空白脂的0.106下降到0.02，摩擦系数减少了80％。

应用本发明得到的改性氧化石墨烯抗磨剂，添加入润滑剂中的比例为0.05％-0.5％，磨损率相比较空白脂减少了50-100％，摩擦系数相比较空白脂减少了50-100％。

查看实施例1-4，可以看出，将改性石墨烯加入普通润滑脂中通过四球摩擦磨损试验机来对其进行了四球摩擦磨损实验，实验的条件为：压力392N；转速1200r/min；时间3600s。

结果显示，经过改性的氧化石墨烯具有显著地减少磨损，降低摩擦系数的功效。

表1：添加剂与基础油在不同比例下的表征

Claims (4)

1.一种改性氧化石墨烯抗磨剂的制备方法，其特征在于在三口烧瓶中加入氧化石墨烯和含硼、钼、钙、铜、稀土元素的化合物，在上述三口烧瓶中加入有机溶剂搅拌加热，然后加入浓硫酸作为催化剂并反应，升温至溶剂的沸点蒸出溶剂，将产物放入真空干燥箱干燥，即得到改性氧化石墨烯抗磨剂；所述的含硼、钼、钙、铜、稀土元素的化合物是指硼酸、硼酸镧、硼酸钼、硼酸钙、硼酸铜中的一种或者多种，所述的氧化石墨烯和含硼、钼、钙、铜、稀土元素的化合物的重量比为：1∶0.5-3，反应温度60-150℃，反应时间为2-8h，所述浓硫酸催化剂的重量为反应物的0.1-0.5％。

2.根据权利要求1所述的一种改性氧化石墨烯抗磨剂的制备方法，其特征在于所述的氧化石墨烯是用Hummers方法制备的。

3.根据权利要求1所述的一种改性氧化石墨烯抗磨剂的制备方法，其特征在于所述的有机溶剂为石油醚、乙醇、苯、正己烷或氯仿。

4.根据权利要求1所述的一种改性氧化石墨烯抗磨剂的制备方法，其特征在于产物的真空干燥温度为20-80℃，干燥时间为6-12h。