CN102533406A - 含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜。通过1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体对石墨烯非共价功能化处理，使获得的石墨烯可以稳定的分散在水和有机溶剂里，然后将石墨烯和1-丁基-3甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体混合分散在丙酮里，最后通过静电吸附方式从分散液里制备出含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜。纳米复合润滑膜兼有石墨烯高的微摩擦承载力和离子液体低的微/纳摩擦系数，可用于解决MEMS等微器件的润滑问题。

Description

含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜

技术领域

本发明涉及一种具有优异微/纳摩擦学性能的含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)、超高密度磁盘存储系统、卫星器件等高技术的发展，对应用于其上的超薄润滑膜也提出了越来越高的要求，不仅要具有优良的减摩抗磨性能，还应具备在微摩擦副间隙下稳定工作的物化性能。由阴阳离子组成的室温离子液体具有极低的挥发性，高的热、化学稳定性，良好的导电与导热性等优点。这些特性完全符合高性能润滑剂的性能要求。国内外许多研究结果也已经报道了一些室温离子液体作为润滑油和添加剂表现出的优异宏观摩擦学性能。近年来，作为MEMS等微器件有希望的候选润滑剂，室温离子液体纳米润滑膜得到了摩擦学界广泛的关注。然而，其有限的抗磨和承载能力已经限制了它在MEMS润滑上的进一步发展。为了保持室温离子液体纳米润滑膜优异润滑性能的同时，进一步提高它的抗磨和承载能力，设计和制备一种兼有减摩相和抗磨相的离子液体纳米复合润滑膜就具有重要的意义。

石墨烯是一种由sp2杂化碳原子相互连接构成的单原子层的二维石墨晶体。科学研究发现，在石墨烯平面上，碳原子的二维蜂窝状晶格结构排列使它具有非常高的比强度，这一优异的力学性质使它可以作为力学增强材料与其它材料复合。另外，石墨烯也是构筑固体润滑剂石墨材料的基本组成单元，一些研究人员借助原子力显微镜发现石墨烯具有很好的纳米摩擦学性能。因此，我们提出一种综合了石墨烯高抗磨承载能力和离子液体优异减摩润滑性能的纳米复合润滑膜。这种纳米复合润滑膜成功制备的关键点在于如何获得石墨烯和离子液体在有机溶剂中的稳定混合分散液。

目前已经有许多制备石墨烯的方法，如微机械剥离法，溶剂热法，溶剂剥离法，化学气相沉积法，晶体外延生长法，氧化-还原法等。相比之下，石墨的氧化-还原法以其简单和多元化的工艺成为大规模制备石墨烯的可行方案。然而，由于石墨烯片层间强的π-π相互作用力和范德华力，很容易造成石墨烯的不可逆叠聚，这极大的增加了制备含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜的困难。目前，研究人员主要是通过添加大量表面活性剂来解决石墨烯的叠聚。但是效果并不理想。而且制备所得的石墨烯也只能分散于水中，不能分散与大多数的非极性有机溶剂中。

发明内容

本发明的目的是提供一种含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜。

本发明通过1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体([BMIM][BF₄])和石墨烯之间的π-π作用、氢键或静电作用使其非共价吸附在石墨烯表面，从而使石墨烯带有一定电荷，可以稳定分散于水溶液中，也能和1-丁基-3甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体([BMIM][PF₆])形成均匀稳定的有机溶剂分散液，进而可以通过静电吸附的方式从这种稳定的分散液里制备出含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜。这种纳米复合润滑膜可用于解决MEMS等微器件的润滑问题。

一种含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜，其特征在于纳米复合润滑膜通过以下步骤来制备：

A.石墨烯和离子液体丙酮分散液的制备

采用氧化石墨烯为原料，通过超声分散形成均匀稳定的氧化石墨烯去离子水分散液，然后将氧化石墨烯去离子水分散液和[BMIM][BF₄]去离子水溶液在超声分散作用下充分混合；将85wt％水合肼(N₂H₄·H₂O)加入到上述混合水溶液中，并于80-100℃水浴中搅拌反应1-5h，溶液由黄褐色变为黑色，待溶液冷却至室温时，用去离子水反复清洗，抽滤，再通过离心去除多余的[BMIM][BF₄]，离心后的石墨烯室温干燥；在超声分散作用下将石墨烯添加到[BMIM][PF₆]丙酮溶液中，最终获得稳定的石墨烯和离子液体丙酮分散液；

B.含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜的制备

通过98wt％H₂SO₄和30wt％H₂O₂对单晶硅片表面羟基化处理；然后利用提拉镀膜仪将羟基化单晶硅片浸渍在石墨烯和离子液丙酮分散液中，浸渍后在氮气环境下热处理，最终得到含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜。

在A步骤中，氧化石墨烯去离子水分散液的浓度为0.5mg·mL^-1-2mg·mL^-1。

在A步骤中，[BMIM][BF₄]去离子水溶液的浓度为5mg·mL^-1-20mg·mL^-1。

在A步骤中，氧化石墨烯去离子水分散液和[BMIM][BF₄]去离子水溶液的体积比为2∶1-1∶2。

在A步骤中，氧化石墨烯与85wt％水合肼的质量比为3∶1-1∶1。

在A步骤中，[BMIM][PF₆]丙酮溶液的浓度是1-4mg·mL^-1。

在A步骤中，石墨烯和离子液体丙酮分散液的浓度是0.005mg·mL^-1/1mg·mL^-1-0.4mg·mL^-1/4mg·mL^-1。

在B步骤中，羟基化单晶硅片在石墨烯和离子液丙酮分散液中的浸渍时间是1-5min。

在B步骤中，羟基化单晶硅片从石墨烯和离子液丙酮分散液中退出的速度是400-800um·s^-1。

在B步骤中，热处理温度是90-150℃，热处理时间是20-60min。

本发明所述的1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体能同时溶于水及丙酮等有机溶剂里，易于合成。1-丁基-3甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体在室温呈一定粘度的液态，易于合成，且具有低的微/纳摩擦系数。步骤B中单晶硅片表面羟基化是为了提高[BMIM][PF₆]离子液体和石墨烯在单晶硅片表面的静电吸附作用。步骤B中热处理过程，是为了提高[BMIM][PF₆]离子液体和石墨烯在单晶硅片表面的结合力，另外可以除去薄膜中吸附的少量溶剂及水，以使薄膜更加均匀致密。

本发明的优点在于利用[BMIM][BF₄]对石墨烯进行非共价功能化，从而获得稳定的石墨烯和离子液体丙酮分散液，最后通过静电吸附的原理从这种丙酮分散液中制备出含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜。

本发明涉及的含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜综合了石墨烯高的微摩擦承载力和离子液体低的微/纳摩擦系数，具有优异的微/纳摩擦学性能，可用于解决MEMS等微器件的润滑问题。

附图说明

图1为本发明实施例1所制得的氧化石墨烯和功能化的石墨烯的拉曼光谱图。

图2为本发明实施例1所制得的氧化石墨烯和功能化的石墨烯的红外吸收光谱图。

图3为本发明实施例1、实施例2、实施例3所制得的含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜的微摩擦系数和1h不破坏时的承载力。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，现在举例加以说明。

实施例1：

石墨烯的制备：

通过超声分散配制25mL的1mg·mL^-1氧化石墨烯去离子水分散液，再配制25mL的10mg·mL^-1的[BMIM][BF₄]去离子水溶液，将氧化石墨烯去离子水分散液和[BMIM][BF₄]去离子水溶液在超声分散作用下充分混合。然后将17mL的85wt％水合肼加入到去离子水混合溶液中，并于95℃水浴中搅拌反应2h，反应结束后将溶液自然冷却至室温，用去离子水反复清洗，过滤，再通过离心去除含有多余[BMIM][BF₄]的清液，将离心后的石墨烯室温下干燥。拉曼光谱(附图1)和红外吸收光谱(附图2)证明了功能化的石墨烯的成功制备。

石墨烯和离子液体丙酮分散液的制备：

在超声分散作用下将5mg石墨烯分散在500mL的2mg·mL^-1的[BMIM][PF₆]丙酮溶液中，最终获得0.01mg·mL^-1/2mg·mL^-1石墨烯和离子液体丙酮分散液。

含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜的制备：

利用提拉镀膜仪将羟基化单晶硅片浸渍在石墨烯和离子液丙酮分散液中，浸渍2min后，以600um·s^-1的速度从分散液中退出，在氮气环境下于120℃热处理30min，最终得到厚度为5nm的含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜。用美国CETR公司UMT-2MT微摩擦试验机在100mN，2Hz的实验条件下，与3mmGCr15钢球对偶摩擦时的微摩擦系数为0.11，1h内不破坏的承载力为100mN(附图3)。

实施例2：

石墨烯的制备与实施例1相同。

在超声震荡作用下，将5mg实施例1所制备的石墨烯分散在50mL的2mg·mL^-1的[BMIM][PF₆]丙酮溶液中，最终获得0.1mg·mL^-1/2mg·mL^-1的石墨烯和离子液体丙酮分散液。

含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜的制备与实施例1相同。用美国CETR公司UMT-2MT微摩擦试验机在100mN，2Hz的实验条件下，与3mmGCr15钢球对偶摩擦时的微摩擦系数为0.09，1h内不破坏的承载力达300mN(附图3)。

实施例3：

石墨烯的制备与实施例1相同。

在超声震荡作用下，将5mg实施例1所制备的石墨烯分散在25mL的2mg·mL^-1的[BMIM][PF₆]丙酮溶液中，最终获得0.2mg·mL^-1/2mg·mL^-1的石墨烯和离子液体丙酮分散液。

含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜的制备与实施例1相同。用美国CETR公司UMT-2MT微摩擦试验机在100mN，2Hz的实验条件下，与3mmGCr15钢球对偶摩擦时的微摩擦系数为0.136，1h内不破坏的承载力为200mN(附图3)。

Claims (10)

1.一种含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜，其特征在于纳米复合润滑膜通过以下步骤来制备：

A.石墨烯和离子液体丙酮分散液的制备

采用氧化石墨烯为原料，通过超声分散形成均匀稳定的氧化石墨烯去离子水分散液，然后将氧化石墨烯去离子水分散液和[BMIM][BF₄]去离子水溶液在超声分散作用下充分混合；将85wt％水合肼加入到上述混合水溶液中，并于80-100℃水浴中搅拌反应1-5h，溶液由黄褐色变为黑色，待溶液冷却至室温时，用去离子水反复清洗，抽滤，再通过离心去除多余的[BMIM][BF₄]，离心后的石墨烯室温干燥；在超声分散作用下将石墨烯添加到[BMIM][PF₆]丙酮溶液中，最终获得稳定的石墨烯和离子液体丙酮分散液；

B.含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜的制备

通过98wt％H₂SO₄和30wt％H₂O₂对单晶硅片表面羟基化处理；然后利用提拉镀膜仪将羟基化单晶硅片浸渍在石墨烯和离子液丙酮分散液中，浸渍后在氮气环境下热处理，最终得到含石墨烯离子液体纳米复合润滑膜。

2.如权利要求1所述的润滑膜，其特征在于A步骤中氧化石墨烯去离子水分散液的浓度为0.5mg·mL^-1-2mg·mL^-1。

3.如权利要求1所述的润滑膜，其特征在于A步骤中[BMIM][BF₄]去离子水溶液的浓度为5mg·mL^-1-20mg·mL^-1。

4.如权利要求1所述的润滑膜，其特征在于A步骤中氧化石墨烯去离子水分散液和[BMIM][BF₄]去离子水溶液的体积比为2∶1-1∶2。

5.如权利要求1所述的润滑膜，其特征在于A步骤中氧化石墨烯与85wt％水合肼的质量比为3∶1-1∶1。

6.如权利要求1所述的润滑膜，其特征在于A步骤中[BMIM][PF₆]丙酮溶液的浓度是1-4mg·mL^-1。

7.如权利要求1所述的润滑膜，其特征在于A步骤中石墨烯和离子液体丙酮分散液的浓度是0.005mg·mL^-1/1mg·mL^-1-0.4mg·mL^-1/4mg·mL^-1。

8.如权利要求1所述的润滑膜，其特征在于B步骤中羟基化单晶硅片在石墨烯和离子液丙酮分散液中的浸渍时间是1-5min。

9.如权利要求1所述的润滑膜，其特征在于B步骤中羟基化单晶硅片从石墨烯和离子液丙酮分散液中退出的速度是400-800um·s^-1。

10.如权利要求1所述的润滑膜，其特征在于B步骤中热处理温度是90-150℃，热处理时间是20-60min。

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