CN104479804A - 一种纳米铜/石墨烯复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新材料制备及润滑油添加剂技术领域,公开一种纳米铜/石墨烯复合材料及其制备方法与应用。所述制备方法为先将铜前驱体化合物、表面活性剂和络合剂溶解在还原性醇中,再加入氧化石墨烯,超声分散,得到混合液;然后将还原剂加入到混合液中并转移到反应釜中,通入CO2气体控制气压和温度使CO2达到超临界状态;将反应釜中的混合溶液搅拌反应,冷却泄压,离心洗净,真空干燥,得到纳米铜/石墨烯复合材料。本发明制备方法简单,省时快速。制备的纳米铜/石墨烯复合材料纳米复合材料具有物相单一、负载量可控、纳米铜粒径小且均匀分布在石墨烯纳米层表面等特点,具有协同润滑效应,能显著改善基础润滑油的减摩抗磨性能。
Description
技术领域
本发明属于新材料制备及润滑油添加剂技术领域,具体涉及一种纳米铜/石墨烯复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
铜在自然中分布广泛,储量丰富。金属铜具有很好的延展性、导电性、导热性等特性,使其在各领域中都有广泛应用。纳米铜还具有优良的摩擦性能,许多相关的文献报道表明,纳米铜无论单独还是与其它材料复合后作润滑油添加剂,都能提升基础油的减摩抗磨性能。可见纳米铜在润滑领域有很好的应用前景。
石墨烯自2004年由英国科学家发现以来,一直是科技研究的热点。它堪称目前最理想的二维纳米材料,是由碳原子以SP2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体。理想石墨烯是仅由一层密集的晶体点阵上的碳原子组成,其厚度仅为0.35nm,是世界上最薄的二维材料。由于其极好的机械性能,石墨烯也被用作润滑材料。W Zhang等人在J.Phys.D:Appl.Phys.44(2011)205303上报道:将0.02-0.06wt%油酸修饰的石墨烯加入齿轮油PAO9中,减磨抗磨性能明显提高,摩擦系数和磨斑直径各自减小17%和14%。
石墨烯非同寻常的纳米层状结构和卓越的特性使其很有可能成为制备新型纳米复合材料的基体。以石墨烯为基体,在其片层结构上引入金属纳米粒子制备的石墨烯负载金属纳米颗粒复合材料,不仅具有金属纳米粒子和石墨烯自身的优异性能,而且还表现出由薄层碳原子平面和金属纳米粒子的协同效应而产生的一些新的特别性质。石墨烯负载金属纳米颗粒复合材料的制备方法很多。申请号为201010515131.5的中国发明专利公开了一种纳米金-石墨烯纳米复合材料的制备方法,首先分别制备纳米金和氧化石墨烯,再将二者混合于二甲亚砜溶液,经长时间搅拌,制得复合材料。申请号为201110434334.6的中国发明专利申请公开了一种银/石墨烯纳米复合材料的光催化还原制备方法,所用原料是硝酸银和氧化石墨烯,所用溶剂是去离子水和还原性醇,所用催化剂是WO3颗粒。申请号为201210239602.3中国发明专利申请公开了一种铂/石墨烯纳米复合材料的制备方法与应用,以γ射线或电子束辐射诱导一步还原氧化石墨与铂金属前驱体,得到Pt/RGO纳米复合材料,材料表现出比单纯石墨烯更好地电学性能。
现有的一般常规技术方法存在分散性能差、沉积速率低、负载量难以控制等缺陷,难以制备出物相单一、负载量可控、纳米颗粒小且均匀分布在石墨烯纳米片层表面的石墨烯基纳米复合材料。
超临界二氧化碳(SCCO2),其密度近于液体,粘度近于气体,扩散系数为液体的100倍,因而具有惊人的溶解能力。超临界二氧化碳因其优异性能被广泛应用于有机合成及萃取、高分子材料成型及纳米材料制备等技术领域。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足,本发明的首要目的在于提供一种纳米铜/石墨烯复合材料的制备方法,所述纳米铜/石墨烯复合材料的制备方法应用了超临界二氧化碳,由于超临界二氧化碳的低粘度、高扩散性及零表面张力,极易地将铜前驱体运载至石墨烯纳米片层间,有利于纳米铜均匀还原沉积在石墨烯纳米片层表面;同时,由于石墨烯片层的包覆,沉积的纳米铜晶粒尺寸得到有效控制,从而制备的纳米铜/石墨烯复合材料中纳米铜不仅粒径小,而且能够均匀负载在石墨烯纳米层表面。该制备方法流程简单,快速省时,制备的纳米铜/石墨烯复合材料结构均匀、性能优异。
本发明的另一目的在于提供上述制备方法得到的纳米铜/石墨烯复合材料,所述纳米铜/石墨烯复合材料由球状铜纳米颗粒和石墨烯复合而成。
本发明的再一目的在于提供上述纳米铜/石墨烯复合材料的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种纳米铜/石墨烯复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)常温下,将铜前驱体化合物、表面活性剂和络合剂溶解在还原性醇中,搅拌均匀后加入氧化石墨烯,超声分散,得到均匀分散的混合液;
(2)将还原剂加入到上述混合液中并迅速转移到反应釜中,通入CO2气体,控制气压和温度使CO2达到超临界状态;
(3)将步骤(2)反应釜中的混合溶液进行搅拌反应,然后冷却泄压,离心洗净,真空干燥,得到纳米铜/石墨烯复合材料。
优选地,所述铜前驱体化合物为氯化铜、硫酸铜或乙酰丙酮铜中的一种或者两种以上的混合物;
优选地,所述铜前驱体化合物在步骤(1)所述混合液中的质量百分含量为1%~20%;更优选地,所述铜前驱体化合物在步骤(1)所述混合液中的质量百分含量为2%~8%;
优选地,所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠或十六烷基磺酸钠的一种或者两种以上的混合物;
优选地,所述表面活性剂在步骤(1)所述混合液中的浓度为0.0001~0.004mol/L;更优选地,所述表面活性剂在步骤(1)所述混合液中的浓度为0.0002~0.001mol/L;
优选地,所述络合剂为醋酸钠、柠檬酸钠、亚硫酸钠中的一种或者两种以上的混合物;
优选地,所述络合剂在步骤(1)所述混合液中的浓度为0.0003~0.006mol/L;更优选地,所述络合剂在步骤(1)所述混合液中的浓度为0.0004~0.002mol/L;
优选地,所述还原性醇为甲醇、乙醇或乙二醇中的一种以上;
优选的,所述铜前驱体化合物与石墨烯粉的质量比1:10~10:1;
优选地,所述还原剂为硼氢化钠、二甲胺基甲硼烷(DMAB)或水合肼中的一种;
优选地,所述还原剂在步骤(2)反应釜混合溶液中的浓度为0.02~0.4mol/L;更优选地,所述还原剂在步骤(2)反应釜混合溶液中的浓度为0.02~0.08mol/L;
优选的,步骤(3)所述离心洗净所用的洗涤溶剂为乙醇或去离子水中一种或两种混合物;
优选地,步骤(1)所述超声分散的时间为0.5~2h;
优选地,步骤(2)所述气压为8~30MPa,温度为30~200℃;更优选的,步骤(2)所述气压为9~18MPa,温度为60~90℃;
优选地,步骤(3)所述搅拌反应的搅拌速度为100~1000rpm,反应时间为10~120min;更优选的,步骤(3)所述搅拌反应的搅拌速度为300~600rpm,反应时间为40~80min;
优选地,步骤(3)所述真空干燥的温度为40~60℃,干燥时间为2~4h。
根据上述制备方法得到一种纳米铜/石墨烯复合材料,所述纳米铜/石墨烯复合材料由球状铜纳米颗粒和石墨烯复合而成,其中,铜纳米颗粒的直径为5~10nm,均匀分布在石墨烯片层表面。
上述纳米铜/石墨烯复合材料具有优异的减摩抗磨性能,可应用于润滑油添加改性领域,具体可作为润滑油添加剂添加至润滑油中以提高润滑性能。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
(1)本发明所述制备方法简单快捷,工艺用时短。
(2)相较于现有技术,本发明所述制备方法得到的纳米铜/石墨烯复合材料铜颗粒粒径更小,均匀负载在石墨烯片层表面。
(3)本发明所述纳米铜/石墨烯复合材料作为润滑油添加剂,能显著降低摩擦钢球的摩擦系数和磨斑直径,具有优异的抗磨减摩性。其润滑性能优于传统方法所得的纳米铜/石墨烯复合材料。
附图说明
图1为氧化石墨烯(GO)、纳米铜颗粒(Nano-Cu)以及本发明实施例2制备的纳米铜/石墨烯复合材料(Sc-Cu/GO)的X射线衍射图谱。
图2为实施例2制备的纳米铜/石墨烯复合材料的TEM图。
图3为实施例2制备的纳米铜/石墨烯复合材料的SEM图。
图4为不同润滑剂润滑下摩擦试验后钢球磨斑的对比SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种纳米铜/石墨烯复合材料,其制备方法如下:
(1)在30℃下,将33mg二水合氯化铜、5mg十二烷基硫酸钠(SDS)、6mg柠檬酸钠加入到50ml无水乙醇中,超声搅拌30min形成均匀溶液;然后加入100mg氧化石墨烯,超声分散1小时,得到均匀分散的混合液;
(2)将120mg二甲胺基甲硼烷(DMAB)加入到上述混合液中,轻微搅拌1min,然后迅速转移到100毫升不锈钢反应釜中,泵入CO2气体,加压至12MPa,加热至80℃,使CO2达到超临界状态;
(3)将步骤(2)反应釜中的混合溶液进行搅拌反应1小时,然后冷却至室温后,泄压排气,离心,用乙醇和去离子水洗涤产物,于45℃真空干燥,即得到所述纳米铜/石墨烯复合材料。
实施例2
一种纳米铜/石墨烯复合材料,其制备方法如下:
(1)在30℃下,将100mg二水合氯化铜、5mg十二烷基硫酸钠(SDS)、6mg柠檬酸钠加入到50ml无水乙醇中,超声搅拌30min形成均匀溶液;然后加入100mg氧化石墨烯,超声分散1.5小时,得到均匀分散的混合液;
(2)将120mg二甲胺基甲硼烷(DMAB)加入到上述混合液中,轻微搅拌1min,然后迅速转移到100毫升不锈钢反应釜中,泵入CO2气体,加压至12MPa,加热至80℃,使CO2达到超临界状态;
(3)将步骤(2)反应釜中的混合溶液进行搅拌反应1小时,然后冷却至室温后,泄压排气,离心,用乙醇和去离子水洗涤产物,于45℃真空干燥,即得到所述纳米铜/石墨烯复合材料。
实施例3
一种纳米铜/石墨烯复合材料,其制备方法如下:
(1)在30℃下,将300mg二水合氯化铜、5mg十二烷基硫酸钠(SDS)、6mg柠檬酸钠加入到50ml无水乙醇中,超声搅拌30min形成均匀溶液;然后加入100mg氧化石墨烯,超声分散2小时,得到均匀分散的混合液;
(2)将120mg二甲胺基甲硼烷(DMAB)加入到上述混合液中,轻微搅拌1min,然后迅速转移到100毫升不锈钢反应釜中,泵入CO2气体,加压至12MPa,加热至80℃,使CO2达到超临界状态;
(3)将步骤(2)反应釜中的混合溶液进行搅拌反应1小时,然后冷却至室温后,泄压排气,离心,用乙醇和去离子水洗涤产物,于45℃真空干燥,即得到所述纳米铜/石墨烯复合材料。
实施例4
一种纳米铜/石墨烯复合材料,其制备方法如下:
(1)在30℃下,将147mg五水合硫酸铜、2.72mg十六烷基磺酸钠、8.2mg醋酸钠加入到50ml甲醇中,超声搅拌30min形成均匀溶液;然后加入100mg氧化石墨烯,超声分散2小时,得到均匀分散的混合液;
(2)将200mg水合肼加入到上述混合液中,轻微搅拌1min,然后迅速转移到100毫升不锈钢反应釜中,泵入CO2气体,加压至18MPa,加热至60℃,使CO2达到超临界状态;
(3)将步骤(2)反应釜中的混合溶液进行搅拌反应80min,然后冷却至室温后,泄压排气,离心,用乙醇和去离子水洗涤产物,于40℃真空干燥4小时,即得到所述纳米铜/石墨烯复合材料。
实施例5
一种纳米铜/石墨烯复合材料,其制备方法如下:
(1)在30℃下,将154mg乙酰丙酮铜、17.5mg十二烷基苯磺酸钠、25mg亚硫酸钠加入到50ml乙二醇中,超声搅拌30min形成均匀溶液;然后加入100mg氧化石墨烯,超声分散1.5小时,得到均匀分散的混合液;
(2)将303mg硼氢化钠加入到上述混合液中,轻微搅拌1min,然后迅速转移到100毫升不锈钢反应釜中,泵入CO2气体,加压至9MPa,加热至90℃,使CO2达到超临界状态;
(3)将步骤(2)反应釜中的混合溶液进行搅拌反应40min,然后冷却至室温后,泄压排气,离心,用乙醇和去离子水洗涤产物,于60℃真空干燥2小时,即得到所述纳米铜/石墨烯复合材料。
性能分析:
1、取本发明实施例2制备的纳米铜/石墨烯复合材料(Sc-Cu/GO),以及对照用的氧化石墨烯(GO)和纳米铜颗粒(Nano-Cu)进行X射线衍射分析,所得XRD图如图1所示。
从图1可知,在Sc-Cu/GO的图谱上,石墨烯的(001)峰基本消失,纳米铜的(111)、(200)、(220)峰清晰可见。因此说明,经过反应,石墨烯的氧化基团基本被完全还原,同时铜前驱体也被还原单质铜。
2、取本发明实施例2制备的纳米铜/石墨烯复合材料进行形貌分析,透射电镜所得图如图2所示,扫描电镜所得图如图3所示。从图2与图3可知,纳米铜呈颗粒状均匀分布在石墨烯片层上,颗粒大小为5-10nm。
3、摩擦试验
采用四球摩擦试验机,在200N、1200rpm及常温条件下,分别以纯液体石蜡(a)、0.05wt%纳米铜颗粒添加的液体石蜡(b)、0.05wt%石墨烯添加的液体石蜡(c)、常规方法(无CO2通入,其余步骤与实施例2相同)制备的0.05wt%纳米铜/石墨烯添加的液体石蜡(d),及0.05wt%本发明实施例2制备的纳米铜/石墨烯复合材料添加的液体石蜡(e)作为润滑剂的摩擦试验。摩擦试验后的各实验组钢球磨斑的对比图如图4所示。
从图4可知,相对于其他组,(e)组的磨斑直径非常小(仅为0.15mm左右),磨斑上的磨痕和沟槽更少且更加细小。这表明本发明制备的纳米铜/石墨烯复合材料用作润滑油添加剂有很好的抗磨效果。
本发明其余实施例所得的纳米铜/石墨烯复合材料进行性能检测的结果与上述结果基本一致。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种纳米铜/石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)常温下,将铜前驱体化合物、表面活性剂和络合剂溶解在还原性醇中,搅拌均匀后加入氧化石墨烯,超声分散,得到均匀分散的混合液;
(2)将还原剂加入到上述混合液中并迅速转移到反应釜中,通入CO2气体,控制气压和温度使CO2达到超临界状态;
(3)将步骤(2)反应釜中的混合溶液进行搅拌反应,然后冷却泄压,离心洗净,真空干燥,得到纳米铜/石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种纳米铜/石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于:所述铜前驱体化合物为氯化铜、硫酸铜或乙酰丙酮铜中的一种或者两种以上的混合物;所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或十六烷基磺酸钠的一种或者两种以上的混合物;所述络合剂为醋酸钠、柠檬酸钠、亚硫酸钠中的一种或者两种以上的混合物;所述还原性醇为甲醇、乙醇或乙二醇中的一种以上;步骤(2)所述还原剂为硼氢化钠、二甲胺基甲硼烷或水合肼中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种纳米铜/石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于:所述铜前驱体化合物在步骤(1)所述混合液中的质量百分含量为1%~20%;所述表面活性剂在步骤(1)所述混合液中的浓度为0.0001~0.004mol/L;所述络合剂在步骤(1)所述混合液中的浓度为0.0003~0.006mol/L;所述还原剂在步骤(2)反应釜混合溶液中的浓度为0.02~0.4mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种纳米铜/石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于:所述铜前驱体化合物在步骤(1)所述混合液中的质量百分含量为2%~8%;所述表面活性剂在步骤(1)所述混合液中的浓度为0.0002~0.001mol/L;所述络合剂在步骤(1)所述混合液中的浓度为0.0004~0.002mol/L;所述还原剂在步骤(2)反应釜混合溶液中的浓度为0.02~0.08mol/L。
5.根据权利要求1所述的一种纳米铜/石墨烯复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述铜前驱体化合物与所述氧化石墨烯的质量比1:10~10:1。
6.根据权利要求1所述的一种纳米铜/石墨烯纳米复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述超声分散的时间为0.5~2h;步骤(2)所述气压为8~30MPa,温度为30~200℃;步骤(3)所述搅拌反应的搅拌速度为100~1000rpm,反应时间为10~120min;步骤(3)所述真空干燥的温度为40~60℃,干燥时间为2~4h。
7.根据权利要求6所述的一种纳米铜/石墨烯纳米复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述气压为9~18MPa,温度为60~90℃;步骤(3)所述搅拌反应的搅拌速度为300~600rpm,反应时间为40~80min。
8.一种根据权利要求1~7任一项所述纳米铜/石墨烯纳米复合材料的制备方法制得的纳米铜/石墨烯复合材料,所述纳米铜/石墨烯复合材料由球状铜纳米颗粒和石墨烯复合而成,铜纳米颗粒的直径为5~10nm,均匀分布在石墨烯片层表面。
9.根据权利要求8所述的纳米铜/石墨烯纳米复合材料在润滑油添加改性领域中的应用。
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