CN110092941B - 基于物理吸附的三维石墨烯复合润滑材料、制备方法及应用 - Google Patents

基于物理吸附的三维石墨烯复合润滑材料、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于物理吸附的三维石墨烯复合润滑材料、制备方法及应用，属于复合润滑材料领域，所述三维石墨烯复合润滑材料是以软质聚氨酯海绵为基体，吸附不同含量的石墨烯/石蜡后采用原位聚合的方法制备得到，所述复合润滑材料工艺简单，所用石墨烯(GO)较少，可量产，该材料作为润滑衬块具有良好的摩擦学性能，应用前景广阔。

Description

基于物理吸附的三维石墨烯复合润滑材料、制备方法及应用
技术领域
本发明属于复合润滑材料领域，具体地，涉及一种基于物理吸附的三维石墨烯复合润滑材料、制备方法及应用。
背景技术
润滑材料广泛应用于各种机械设备中，用来降低设备的摩擦，并防止机械设备自身的磨损，提高机械安全运行性能。石墨烯作为世界上已知最薄和最强的润滑材料，其润滑特性主要来源于三个方面：其一是其自身片层间极小的摩擦，理论研究发现石墨烯层间的纳米摩擦力主要取决于石墨烯层间的晶格公度性（错配角度），其中，非公度（晶格失配）形式堆垛的石墨烯的层间滑动摩擦力非常小，甚至出现超低摩擦（超润滑），而堆叠的多层石墨更易转变为非公度态，理论上讲会成为更加有效的纳米润滑剂；其二是石墨烯片表面较小的滑动摩擦，主要包括电子-声子耦合机理、面外折皱机理、弹性变形的能量耗散机理和剪切变形机理；其三是依靠其较好的吸附能力与其它润滑剂相结合形成一个更加优异的润滑体系。
然而，目前已经报道应用的聚合物基石墨烯润滑材料中，仅仅使用石墨烯所得材料的摩擦系数通常较大，这可能在滑动部件的长期运行过程中产生负面影响。因此,许多文献报道采用与其他润滑剂的协同作用来减少摩擦和提高耐磨性。例如,中国发明专利CN201610094019.6公开了一种包含石墨烯润滑剂的聚己内酰胺润滑材料，其最优用量高达10% (即约4%的纯石墨烯)，这在一定程度上加大了材料成本。另外，目前报道的石墨烯都需要经过繁杂的表面处理工艺，以在所改性的基体中获得良好分散从而发挥石墨烯润滑作用的最大效能，在这样的背景下，需要寻求一种石墨烯用量较少并能获得良好分散和但维持其优良摩擦学性能的润滑材料。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明的目的一在于提供一种基于物理吸附的三维石墨烯复合润滑材料，目的二在于提供上述复合润滑材料的制备方法，目的三在于提供上述复合润滑材料在铸型尼龙材料衬块中的应用。所述复合润滑材料以软质聚氨酯海绵(PU)为基体，吸附不同含量的石墨烯/石蜡后得到，该复合润滑材料工艺简单，所用石墨烯(GO)较少，可量产，作为聚酰胺衬块的改性剂具有良好的摩擦学性能，应用前景广阔。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
基于物理吸附的三维石墨烯复合润滑材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取聚氨酯海绵，清洗后烘干，将烘干后的海绵进行称重；然后置于石墨烯溶液中，挤压海绵使其吸入石墨烯溶液，然后浸泡12h取出，烘干，得PU/GO海绵；
步骤二、对PU/GO海绵进行称重，然后置于80-100℃融化的石蜡中进行浸泡3-9h，得到初级海绵材料；所述初级海绵材料中PU/GO海绵与石蜡的质量比为1:1.5-1:3；
步骤三、将己内酰胺熔融，真空搅拌30-50min，加入催化剂，继续真空搅拌30-50min，得活性液体；
步骤四、将步骤二所得初级海绵材料置于模具中；向步骤三所得活性液体中加入酰化剂，摇晃10-15s后迅速向模具中浇铸，使液面覆盖初级海绵材料，160-180℃聚合1-3h后自然冷却，得到三维石墨烯复合润滑材料。
作为对上述方案的进一步优化，步骤四中所述模具在浇铸前2-5min放入160-180℃烘箱内预热。
作为对上述方案的进一步优化，步骤三所述将己内酰胺熔融是指在140℃油浴加热下将己内酰胺熔融。
作为对上述方案的进一步优化，步骤一中所述烘干的温度条件为80℃、时间为12h。
作为对上述方案的进一步优化，步骤一中所述聚氨酯海绵的比重为0.012-0.036。
作为对上述方案的进一步优化，步骤一中所述石墨烯溶液的浓度为1.5 mg/ml-4.5 mg/ml。
作为对上述方案的进一步优化，所述催化剂为氢氧化钠，所述酰化剂为甲苯二异氰酸酯。
本发明还请求保护一种三维石墨烯复合润滑材料，所述三维石墨烯复合润滑材料是利用上述制备方法制备得到。
本发明另外请求保护上述三维石墨烯复合润滑材料作为润滑衬块的应用。
有益效果：
1、本发明所述物理吸附自组装的三维石墨烯符合润滑材料保持了石墨烯的优良性能，物理吸附自组装方法操作容易，所需工艺简单，节能环保。
2、本发明加入的聚氨酯海绵具有良好的吸附性和韧性，并能使石墨烯得到均匀分散，且极大降低昂贵的石墨烯的用量，并避免了为提高界面相容性能而针对石墨烯本身的繁杂的表面处理。
3、本发明制备的复合润滑材料基于海绵的三维网格体系，能够快速传导摩擦产生的热量，并能协同利用石墨烯和石蜡的减摩耐磨作用，可有效改善基体的耐磨性能和摩擦系数，从而有效提高采用该材料制作的润滑衬块的性能。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品。
实施例1：
取比重为0.012的PU海绵分别用乙醇与去离子水各清洗三遍，然后80℃下烘干12h，将烘干的海绵进行称重，然后置于3mg/ml的GO溶液中；对海绵进行挤压使其内部吸入GO溶液，浸泡12h后取出，在80℃下烘干12h，制得PU/GO海绵；取制备好的PU/GO海绵，称量质量，然后放于90℃融化的石蜡中进行浸泡6h，得到PU/GO海绵与石蜡的质量比为1:1.5的三维石墨烯润滑材料。
采用原位聚合的方法制备聚酰胺基三维石墨烯复合材料：在140℃油浴加热条件下将100g己内酰胺熔融，真空搅拌40min，然后加入0.8g NaOH，继续真空搅拌40min；将三维石墨烯润滑材料在浇铸前3min放入160℃模具内。己内酰胺真空搅拌完成后，取出三口烧瓶加入1ml甲苯二异氰酸酯，快速摇晃10秒后迅速浇铸，使己内酰胺基体液面覆盖海绵， 170℃聚合2h后自然冷却，脱模得到样品，即三维石墨烯复合材料。
实施例2：
取比重为0.019的PU海绵分别用乙醇与去离子水各清洗三遍，然后80℃下烘干12h，将烘干的海绵进行称量，然后置于1.5mg/ml的GO溶液中；对海绵进行挤压使其内部吸入GO溶液，浸泡12h后取出，在80℃下烘干12h。取制备好的PU/GO海绵，称量质量，然后放于80℃融化的石蜡中进行浸泡9h，得到海绵与石蜡的质量比为1:1.5的三维石墨烯润滑材料。
采用原位聚合的方法制备聚酰胺基三维石墨烯复合材料：在140℃油浴加热下将100g己内酰胺熔融，真空搅拌30min，然后加入0.5g NaOH，继续真空搅拌30min；将三维石墨烯润滑材料在浇铸前2min放入170℃模具内。己内酰胺真空搅拌完成后，取出三口烧瓶加入0.5ml甲苯二异氰酸酯，快速摇晃12秒后迅速浇铸，使己内酰胺基体液面覆盖海绵， 180℃聚合1h后自然冷却，脱模得到样品，即三维石墨烯复合材料。
实施例3：
取比重为0.026的PU海绵分别用乙醇与去离子水清洗三遍，然后80℃下烘干12h，将烘干的海绵进行称量，然后置于4.5mg/ml的GO溶液中，对海绵进行挤压使其内部吸入GO溶液，浸泡12h后取出，在80℃下烘干12h。取制备好的PU/GO海绵，称量质量，然后放于100℃融化的石蜡中进行浸泡3h，得到海绵与石蜡的质量比为1:1.5的三维石墨烯润滑材料。
采用原位聚合的方法制备聚酰胺基三维石墨烯复合材料，即140℃油浴加热下将100g己内酰胺熔融，真空搅拌30min，然后加入0.5g NaOH，继续真空搅拌30min；将三维石墨烯润滑材料在浇铸前2min放入170℃模具内。己内酰胺真空搅拌完成后，取出三口烧瓶加入1.5ml甲苯二异氰酸酯，快速摇晃15秒后迅速浇铸，使己内酰胺基体液面覆盖海绵， 160℃聚合3h后自然冷却，脱模得到样品，即三维石墨烯复合材料。
实施例4：
取比重为0.036的PU海绵分别用乙醇与去离子水清洗三遍，然后80℃下烘干12h，将烘干的海绵进行称量，然后置于3mg/ml的GO溶液中，对海绵进行挤压使其内部吸入GO溶液，浸泡12h后取出，在80℃下烘干12h。取制备好的PU/GO海绵，称量质量，然后放于90℃融化的石蜡中进行浸泡6h，得到海绵与石蜡的质量比分别为1:3的三维石墨烯润滑材料。
采用原位聚合的方法制备聚酰胺基三维石墨烯复合材料：在140℃油浴加热下将100g己内酰胺熔融，真空搅拌30min，然后加入1.1g NaOH，继续真空搅拌30min；将三维石墨烯润滑材料在浇铸前3min放入170℃模具内。己内酰胺真空搅拌完成后，取出三口烧瓶加入1ml甲苯二异氰酸酯，快速摇晃10秒后迅速浇铸，使己内酰胺基体液面覆盖海绵， 160℃聚合2h后自然冷却，脱模得到样品，即三维石墨烯复合材料。
对比例1：
称取己内酰胺置于三口烧瓶中，在油浴锅中加热至140℃使己内酰胺完全融化，然后边搅拌边抽真空。反应半小时后，向三口烧瓶中加入氢氧化钠固体，继续抽真空。半小时后，向三口烧瓶中加入少量酰化剂（甲苯-2,4-二异氰酸酯），震荡三口烧瓶后立即将三口烧瓶内液体转移到提前预热过的模具中，在160℃下加热两小时，自然冷却，得到聚己内酰胺。
摩擦测试工况采用MM-2HL型塑料滑动摩擦磨损试验机在干摩擦状态，加载180N，试验速率为200r/min，试验时间为60min，对偶采用直径为40mm的钢环。实施例1-4测定的摩擦系数和磨损率结果如表1所示。
表1 实施例1-4和对比例1制备的材料的摩擦系数和磨损量对比表
Figure DEST_PATH_IMAGE002
通过表1可知，与对比例1相比，采用实施例1-4制备的聚合材料的摩擦系数和磨损率较低，尤其以实施例1制备的聚合材料的性能最佳，其耐磨性提高6倍。
本发明所述采用原位聚合的方法制备聚酰胺基三维石墨烯复合材料，其GO 含量约0.4%，且有效改善耐磨性能，降低摩擦系数。其作用机理如下：
本发明所含有的氧化石墨烯具有极小的纳米尺寸、较大的比表面积和表面皱褶形貌，同时结合PU海绵表面丰富的官能团可增强了与基体分子间通过共价键和非共价键的相互作用，利于应力分散，并提高其承载能力；三维石墨烯润滑材料网格体系能够快速传导摩擦产生的热量，并能协同利用石墨烯和石蜡的减摩耐磨作用，可有效改善基体的耐磨性能和摩擦系数。
需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于物理吸附的三维石墨烯复合润滑材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、取聚氨酯海绵，清洗后烘干，将烘干后的海绵进行称重；然后置于石墨烯溶液中，挤压海绵使其吸入石墨烯溶液，然后浸泡12h取出，烘干，得PU/GO海绵；所述石墨烯溶液的浓度为1.5 mg/ml-4.5 mg/ml；
步骤二、对PU/GO海绵进行称重，然后置于80-100℃融化的石蜡中进行浸泡3-9h，得到初级海绵材料；所述初级海绵材料中PU/GO海绵与石蜡的质量比为1:1.5-1:3；
步骤三、将己内酰胺熔融，真空搅拌30-50min，加入催化剂，继续真空搅拌30-50min，得活性液体；
步骤四、将步骤二所得初级海绵材料置于模具中；向步骤三所得活性液体中加入酰化剂，摇晃10-15s后迅速向模具中浇铸，使液面覆盖初级海绵材料，160-180℃聚合1-3h后自然冷却，得到三维石墨烯复合润滑材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤四中所述模具在浇铸前2-5min放入160-180℃烘箱内预热。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三所述将己内酰胺熔融是指在140℃油浴加热下将己内酰胺熔融。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤一中所述烘干的温度条件为80℃、时间为12h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤一中所述聚氨酯海绵的比重为0.012-0.036。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂为氢氧化钠，所述酰化剂为甲苯二异氰酸酯。
7.一种三维石墨烯复合润滑材料，其特征在于：利用权利要求1-6任意一项所述的制备方法制备得到。
8.根据权利要求7所述的三维石墨烯复合润滑材料作为润滑衬块的应用。
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