CN108102762B - 功能化石墨烯-凹凸棒复合纳米材料、制备方法及其应用 - Google Patents

功能化石墨烯-凹凸棒复合纳米材料、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功能化石墨烯‑凹凸棒纳米复合材料、制备方法及其应用。其步骤为：用硅烷偶联剂改性处理氧化石墨烯获得功能化氧化石墨烯；将功能化氧化石墨烯与凹凸棒纳米粒子混合，加热反应后得到功能化石墨烯‑凹凸棒纳米复合材料；将该复合材料作为润滑油添加剂与润滑油按一定比例混合进行摩擦磨损实验，极少的添加量就能降低摩擦系数，起到减摩抗磨的效果，同时还有智能修复作用。本发明在润滑油中具有优异的长期稳定性和分散性，并且工艺简单、性价比高，原料易得；本发明制备的润滑油添加剂具有良好的减摩抗磨的润滑性能和修复功能，同时石墨烯的高导热性对润滑作用也能产生有益影响。

Description

功能化石墨烯-凹凸棒复合纳米材料、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种功能化石墨烯-凹凸棒纳米复合材料、制备方法及其作为润滑油添加剂的应用，属于润滑油技术领域。
背景技术
摩擦部件的严重磨损往往会导致重大事故，而磨损事故的产生一般起始于早期的轻度表面微损伤，并逐渐发展成为严重的表面损伤而导致设备最终失效。随着纳米粉体制备技术和表面改性技术的发展，研究人员采用物理或者化学方法制备了不同种类的纳米自修复材料，主要包括纳米单质粉体、氢氧化物、氧化物、硫属化合物、硼酸盐、硅酸盐及高分子化合物等。
石墨烯是由碳原子经过sp2杂化组成的呈六角蜂巢状二维网络结构的新型碳材料，具有优异的导电、导热和机械性能，被认为是目前材料界最坚硬的材料。由于石墨烯优良的机械性能和微小片层之间的剪切力使其具有比石墨更低的摩擦系数，优异的减摩润滑性。而氧化石墨烯具有类似于石墨烯的诸多优点，同时，由于其表面富含含氧官能团，使片层之间的剪切力更大，同时为新物质的引入得到性能更加优异的新材料提供了可能。
凹凸棒石黏土是一种含水镁铝硅酸盐的黏土矿物，其晶体多为针状纤维，单晶直径大多为10~100 nm，长度为0.1~1 μm，是天然的一维纳米材料。已有文献报道凹凸棒石纳米粉体可以直接作为润滑油添加剂[南峰,许一,高飞,徐滨士,于鹤龙,吴毅雄.凹凸棒石粉体作为润滑油添加剂的摩擦学性能.硅酸盐学报,2013,41(06):836-841.]，其在金属磨损表面形成自修复层的条件不太苛刻。但是无机纳米粉体易团聚，在介质中极易沉降，尤其是长期稳定性还不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功能化石墨烯-凹凸棒纳米复合材料、制备方法及其应用；该复合材料不仅能够降低润滑油在机械接触面的摩擦系数，提高润滑油的润滑性能；还能通过摩擦磨损过程中发生摩擦力学和/或化学反应，在摩擦表面形成一种自修复薄膜，从而达到智能修复的效果，进一步提高机械的使用寿命。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种功能化石墨烯-凹凸棒纳米复合材料，将氧化石墨烯采用氨基硅烷偶联剂进行改性制得功能化氧化石墨烯，再通过化学法键合凹凸棒，经加热还原得到所述复合材料。
其中，氨基硅烷偶联剂为A-1100、A-1110、A-1120、KBM-602中任意一种。
进一步的，凹凸棒与氧化石墨烯的质量比为0.5-8:1。
实现本发明目的的技术解决方案为：功能化石墨烯-凹凸棒纳米复合材料，按照如下步骤进行：
第一步：采用改进的Hummers法制备的氧化石墨烯作为原料，制备氧化石墨烯的分散液，加入氨基硅烷偶联剂，室温下搅拌0.5-2 h，于60-95 ℃下加热反应1-3 h，冷却至室温，离心分离，清洗后得到功能化氧化石墨烯；
第二步：称取一定量的凹凸棒粉体，分散于功能化氧化石墨烯分散液中，搅拌30-90 min，于100-180℃ 加热反应0.5-2 h，静置冷却；离心分离，清洗后得到功能化石墨烯-凹凸棒纳米复合材料。
进一步的，第一步中，硅烷偶联剂的添加量为25-200 mL硅烷偶联剂对应每克氧化石墨烯；氧化石墨烯的分散液中的分散剂为水或者乙醇；加热方式可以是水浴回流、水热或者溶剂热。
进一步的，第二步中，功能化氧化石墨烯分散液中的分散剂为水或者乙醇；加热方式为水热或者溶剂热。
上述功能化石墨烯-凹凸棒纳米复合材料作为润滑油添加剂的应用，该添加剂在润滑油中质量百分比为0.01 %-0.5 %。所述润滑油可以是任意品牌的润滑油，像昆仑天蝎F5000、SF15W-40型润滑油和长城SJ10W-40润滑油等；也可以是基础油像矿物基础油或者合成基础油。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：（1）将石墨烯和凹凸棒纳米粒子通过偶联剂的化学键合组装到一起，获得的材料组分分散均匀、稳定，同时兼具石墨烯的减摩抗磨性、高稳定性、热导性、机械性能等优异性能与凹凸棒的减摩抗磨、修复性能的优异的综合性能；（2）该复合添加剂的制备工艺环保、简单，原料易得、成本低廉；（3）获得的纳米添加剂在润滑油中具有优良的长期分散性和稳定性；（4）获得的添加剂能显著降低润滑油的摩擦系数，对金属的磨损面有明显得智能修复作用。
附图说明
图1为氧化石墨烯（GO）和实例一、二中不同偶联剂的使用量得到功能化氧化石墨烯（6 mL-A/GO和3 mL-A/GO）红外光谱图对比。
图2为实例一中单纯物理混合(before)和120℃水热后(after)复合材料的红外光谱图。
图3为摩擦磨损测试后下试样的SEM图，方框内平整部分为自修复后的磨痕区。
具体实施方式
以下为具体实施实例对本发明进行的详细说明，但实施实例对本发明不做任何形式的限定。
本发明将功能化石墨烯与凹凸棒纳米粒子通过硅烷偶联剂化学复合在一起，既能增加纳米粒子和石墨烯的分散稳定性，又可以综合两者的优点，更大程度地提高润滑油的润滑性能。在起到抗磨减摩作用的同时，还能达到智能修复的效果。目前功能化石墨烯-凹凸棒纳米粉体的润滑油添加剂还未见报道。
实施实例一
(1)采用改进的Hummers法制备的氧化石墨烯作为原料，将得到的氧化石墨烯用硅烷偶联剂改性处理。首先，称取2.5 wt%的氧化石墨烯水溶液1.6 g，加150 mL去离子水稀释超声分散均匀。然后，滴加6 mL的硅烷偶联剂(A-1100)，室温下磁力搅拌1 h。最后转移至烧瓶中，80 ℃水浴反应2 h。静置冷却，离心分离，水洗后加入适量去离子水得功能化氧化石墨烯分散液。图1为氧化石墨烯（GO）和功能化氧化石墨烯（6mL-A/GO）红外光谱图，由谱图可以看出成功制得功能化氧化石墨烯，偶联剂与氧化石墨烯成功键合。。
(2)称取0.08 g的凹凸棒纳米粉体，溶于上述功能化氧化石墨烯分散液中；磁力搅拌60 min；转移至反应釜中，120 ℃水热反应1 h，静置冷却；离心分离，分别用水和乙醇洗，干燥得到功能化石墨烯-凹凸棒的润滑油添加剂。图2为单纯物理混合(before)和120℃水热后(after)功能化石墨烯-凹凸棒复合材料的红外光谱图，由谱图可以看出成功制备功能化石墨烯-凹凸棒复合材料。
(3)摩擦学性能评价
将制得的功能化石墨烯-凹凸棒的润滑油添加剂与昆仑天蝎F5000润滑油以不同比例混合。利用HT-1000高温摩擦磨损试验机，测试条件：载荷1000 g，摩擦半径3 mm，电机转速336 r/min，试验时间2 h。摩擦副采用球-盘接触形式，上试样为 Φ 6 mm的GCr15钢球，硬度770 HV；下试样为尺寸Φ 25 mm×8 mm的45钢，硬度为250~300 HV。本实例中功能化石墨烯-凹凸棒纳米添加剂在润滑油中不同浓度下摩擦磨损数据见表1，由不同浓度的摩擦系数可见制得的添加剂具有显著的抗磨减摩作用；图3为摩擦磨损后磨痕表面SEM图，由图可以看出磨痕宽度大约为170 μm，并且磨痕表面较旁边未磨部分明显平滑，可见功能化石墨烯-凹凸棒纳米添加剂本身对磨损面有着明显的智能修复作用。
实施实例二
(1)采用改进的Hummers法制备的氧化石墨烯作为原料，将得到的氧化石墨烯用硅烷偶联剂改性处理。首先，称取2.5 wt%的氧化石墨烯水溶液1.6 g，加150 mL去离子水稀释超声分散均匀。然后，滴加3 mL的硅烷偶联剂(A-1100)，室温下磁力搅拌1 h。最后转移至烧瓶中，80 ℃水浴反应2 h。静置冷却，离心分离，水洗后加入适量去离子水得功能化氧化石墨烯分散液。图1为氧化石墨烯（GO）和功能化氧化石墨烯（3 mL-A/GO）红外光谱图，由谱图可以看出，偶联剂成功与氧化石墨烯发生键合，获得功能化氧化石墨烯。
(2)称取0.08 g的凹凸棒纳米粉体，溶于上述功能化氧化石墨烯分散液中；磁力搅拌60 min；转移至反应釜中，120 ℃水热反应1 h，静置冷却；离心分离，分别用水和乙醇洗，干燥得到功能化石墨烯-凹凸棒的润滑油添加剂。
(3)摩擦学性能评价
将制得的功能化石墨烯-凹凸棒的润滑油添加剂与昆仑天蝎F5000润滑油以一定比例混合。利用HT-1000高温摩擦磨损试验机，测试条件：载荷1000 g，摩擦半径3 mm，电机转速336 r/min，试验时间2 h。摩擦副采用球-盘接触形式，上试样为 Φ 6 mm的GCr15钢球，硬度770 HV；下试样为尺寸Φ 25 mm×8 mm的45钢，硬度为250~300 HV。其摩擦磨损数据见表1。
实施实例三
(1)采用改进的Hummers法制备的氧化石墨烯作为原料，将得到的氧化石墨烯用硅烷偶联剂改性处理。首先，称取2.5 wt%的氧化石墨烯水溶液1.6 g，加150 mL去离子水稀释超声分散均匀。然后，滴加8 mL的硅烷偶联剂(A-1110)，室温下磁力搅拌0.5 h。最后转移至烧瓶中，60 ℃水浴反应1 h，静置冷却；离心分离，水洗后加入适量无水乙醇得功能化氧化石墨烯分散液。
(2)称取0.32 g的凹凸棒纳米粉体，溶于上述功能化氧化石墨烯分散液中；磁力搅拌30 min；转移至反应釜中，100 ℃溶剂（乙醇）热反应0.5 h，静置冷却；离心分离，分别用水和乙醇洗，干燥得到功能化石墨烯-凹凸棒的润滑油添加剂。
(3)摩擦学性能评价
将制得的功能化石墨烯-凹凸棒的润滑油添加剂与昆仑天蝎F5000润滑油以一定比例混合。利用HT-1000高温摩擦磨损试验机，测试条件：载荷1000 g，摩擦半径3 mm，电机转速336 r/min，试验时间2 h。摩擦副采用球-盘接触形式，上试样为 Φ 6 mm的GCr15钢球，硬度770 HV；下试样为尺寸Φ 25 mm×8 mm的45钢，硬度为250~300 HV。其摩擦磨损数据见表1。
实施实例四
(1)采用改进的Hummers法制备的氧化石墨烯作为原料，将得到的氧化石墨烯用硅烷偶联剂改性处理。首先，称取2.5 wt%的氧化石墨烯水溶液1.6 g，加150mL无水乙醇稀释超声分散均匀。然后，滴加1mL的硅烷偶联剂（A-1120），室温下磁力搅拌2 h。最后转移至反应釜中，95 ℃溶剂热反应3 h，静置冷却；离心分离，水洗后加入适量无水乙醇得功能化氧化石墨烯分散液。
(2)称取0.02 g的凹凸棒纳米粉体，溶于上述功能化氧化石墨烯分散液中；磁力搅拌90 min；转移至反应釜中，140 ℃溶剂（乙醇）热反应2 h，静置冷却；离心分离，分别用水和乙醇洗，干燥得到功能化石墨烯-凹凸棒的润滑油添加剂。
(3)摩擦学性能评价
将制得的功能化石墨烯-凹凸棒的润滑油添加剂与昆仑天蝎F5000润滑油以一定比例混合。利用HT-1000高温摩擦磨损试验机，测试条件：载荷1000 g，摩擦半径3 mm，电机转速336 r/min，试验时间2 h。摩擦副采用球-盘接触形式，上试样为 Φ 6 mm的GCr15钢球，硬度770 HV；下试样为尺寸Φ 25 mm×8 mm的45钢，硬度为250~300 HV。其摩擦磨损数据见表1。
实施实例五
(1)采用改进的Hummers法制备的氧化石墨烯作为原料，将得到的氧化石墨烯用硅烷偶联剂改性处理。首先，称取2.5 wt%的氧化石墨烯水溶液1.6 g，加150 mL无水乙醇稀释超声分散均匀。然后，滴加3 mL的硅烷偶联剂(KBM-602)，室温下磁力搅拌1 h。最后转移至烧瓶中，75 ℃水浴回流反应2 h。静置冷却，离心分离，水洗后加入适量去离子水得功能化氧化石墨烯分散液。
(2)称取0.16 g的凹凸棒纳米粉体，溶于上述功能化氧化石墨烯分散液中；磁力搅拌60 min；转移至反应釜中，180 ℃水热反应1 h，静置冷却；离心分离，分别用水和乙醇洗，干燥得到功能化石墨烯-凹凸棒的润滑油添加剂。
(3)摩擦学性能评价
将制得的功功能化石墨烯—凹凸棒的润滑油添加剂与昆仑天蝎F5000润滑油以一定比例混合。利用HT-1000高温摩擦磨损试验机，测试条件：载荷1000 g，摩擦半径3 mm，电机转速336 r/min，试验时间2 h。摩擦副采用球-盘接触形式，上试样为 Φ 6 mm的GCr15钢球，硬度770 HV；下试样为尺寸Φ 25 mm×8 mm的45钢，硬度为250~300 HV。其摩擦磨损数据见表1。
表1 功能化石墨烯—凹凸棒的润滑油添加剂于润滑油中摩擦磨损系数
Figure DEST_PATH_IMAGE002

Claims (9)

1.功能化石墨烯-凹凸棒纳米复合材料，其特征在于，将氧化石墨烯采用氨基硅烷偶联剂进行改性制得功能化氧化石墨烯，再通过化学法键合凹凸棒纳米粒子，经加热还原得到所述纳米复合材料；
具体包括如下步骤：
第一步，采用改进的Hummers法制备的氧化石墨烯作为原料，制备氧化石墨烯的分散液，加入硅烷偶联剂，室温下搅拌0.5-2 h，于60-95 ℃下加热反应1-3 h，冷却至室温，离心分离，清洗后得到功能化氧化石墨烯；
第二步，将凹凸棒纳米粉体溶于功能化氧化石墨烯分散液中搅拌，于100-180℃加热反应0.5-2 h，静置冷却；离心分离，清洗后得到所述复合材料。
2.如权利要求1所述的纳米复合材料，其特征在于，氨基硅烷偶联剂为A-1100、A-1110、A-1120、KBM-602中任意一种。
3.如权利要求1所述的纳米复合材料，其特征在于，凹凸棒与氧化石墨烯的质量比为0.5-8:1。
4.如权利要求1-3任一所述的功能化石墨烯-凹凸棒纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，采用改进的Hummers法制备的氧化石墨烯作为原料，制备氧化石墨烯的分散液，加入硅烷偶联剂，室温下搅拌0.5-2 h，于60-95 ℃下加热反应1-3 h，冷却至室温，离心分离，清洗后得到功能化氧化石墨烯；
第二步，将凹凸棒纳米粉体溶于功能化氧化石墨烯分散液中搅拌，于100-180℃加热反应0.5-2 h，静置冷却；离心分离，清洗后得到所述复合材料。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，第一步中，硅烷偶联剂的添加量为25-200 mL硅烷偶联剂对应每克氧化石墨烯；氧化石墨烯的分散液中的分散剂为水或者乙醇。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，第二步中，功能化氧化石墨烯分散液中的分散剂为水或者乙醇；将凹凸棒纳米粉体溶于功能化氧化石墨烯分散液中搅拌30-90min。
7.如权利要求1-3任一所述的功能化石墨烯-凹凸棒纳米复合材料作为润滑油添加剂的应用，其特征在于，该添加剂在润滑油中质量百分比为0.01 %-0.5 %。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述润滑油为矿物基础油或者合成基础油。
9.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述润滑油为昆仑天蝎F5000、SF15W-40型润滑油或长城SJ10W-40润滑油。
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