CN104017628B - 石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法，将膨胀石墨、纳米粒子、溶剂在超声乳化分散器中进行超声分散，获得混和均匀的分散体系A；将分散体系A放入超声波细胞粉碎机中进行超声剥离处理，超声作用使膨胀石墨剥离为多层石墨烯片，多层石墨烯片与纳米粒子进行负载，待超声剥离结束后获得分散体系B；将分散体系B进行静置分离，并取下部黑色浑浊液体进行高速离心分离，并将分离获得的固体洗至中性，获得固体C；将固体C放入真空干燥箱干燥，即得所述石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂。本发明方法简便，工艺简单，可控性强，适合于工业化生产，制备出的复合减摩抗磨添加剂具有稳定性能好、摩擦系数低、抗磨性能优等特点，在摩擦磨损领域具有广泛的应用前景。

Description

石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，特别是一种石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法。
背景技术
随着现代工业的发展，机械、装备、生产线等不断向高速、重载、集成化、高精度等方向发展，其运行工况越来越苛刻，零部件在运行过程中难免会发生摩擦磨损，如齿轮与齿轮、轴与轴承、活塞环与缸套之间在工作环境中及与外界介质接触时，通常不可避免会产生摩擦磨损，从而引起设备的可靠性和安全性下降，并造成重大经济损失和能源浪费。据统计，2006年全国因摩擦磨损导致9500亿元的经济损失，占GDP的4.5％，同时能源的1/3是消耗在克服摩擦方面。因此，有效地控制摩擦、改善润滑性能、减少磨损是提高经济收益、节约能源和原材料的重要措施，对提高产品质量、延长机械设备的使用寿命和增加其可靠性具有重要作用。润滑是解决零部件之间摩擦磨损的最有效途径之一，而提升润滑剂润滑性能的关键技术是制备高性能的润滑添加剂。传统的润滑添加剂难以满足高性能、低含量、低碳、环保、可持续发展等更高要求，这就要求不断创新研发新型润滑添加剂。
石墨烯(Graphene)是近年来被发现的一种新型二维碳纳米材料，其优异的性能、极大的比表面积、较低的生产成本(相对于碳纳米管、富勒烯)，使其非常适合于开发高性能的复合材料。石墨烯超薄的片层结构(易进入摩擦接触面)、优异的力学性能和自润滑特性，使其能够改善润滑油的减摩抗磨性能，而纳米粒子作为润滑油添加剂，也会赋予润滑油优异的减摩抗磨性能，因此，使得石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的研究成为可能。石墨烯负载纳米粒子复合材料不但可以同时保持石墨烯和纳米粒子的本身固有特性，而且能够产生新颖的协同效应。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法，该方法简便，工艺简单，可控性强，适合于工业化生产，可制备出摩擦系数低、抗磨性能高的复合减摩抗磨添加剂，可以满足高性能、低含量、低碳、环保、可持续发展等要求，更好地改善设备运行过程中的摩擦磨损问题，提升设备零部件在服役阶段的可靠性、延长其服役期限。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法，它包括下列步骤：
步骤一：将膨胀石墨、纳米粒子、溶剂在超声乳化分散器中进行超声分散，其中膨胀石墨的质量(g):纳米粒子的质量(g):溶剂的体积(L)为1:(0.025～0.1):(0.2～5)，获得混和均匀的分散体系A；
步骤二：将分散体系A放入超声波细胞粉碎机中进行超声剥离，超声作用使膨胀石墨剥离为多层石墨烯片，多层石墨烯片与纳米粒子进行负载，待超声剥离结束后获得分散体系B；
步骤三：将分散体系B进行静置分离，并取下部黑色浑浊液体进行高速离心分离，并将分离获得的固体洗至中性，获得固体C；
步骤四：将固体C放入真空干燥箱干燥，即得摩擦系数低、抗磨性能优的石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂。其中，所述纳米粒子质量占整个复合减摩抗磨添加剂质量的6％～50％。
进一步的，所述纳米粒子为TiO2、SiO2、Fe3O4、Fe2O3、Al2O3、PbO、CaCO3、SiC、WSe2、LaF3、ZnS、Fe、Cu、Al中的一种或两种，纳米粒子的粒径为5nm～150nm。
进一步的，所述步骤一中的溶剂为：去离子水、丙酮、无水乙醇、乙二醇、正丙醇、丙二醇、丙三醇、异丙醇、正丁醇、丁二醇、二甲基亚砜、N-甲基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺中的一种。
进一步的，所述步骤一中的超声乳化分散工艺参数为：输出功率在50W～300W之间，变幅杆直径在2mm～12mm之间，超声时间在2s～9s之间，超声间隔时间在2s～9s之间，设备工作时间为10min。
进一步的，所述步骤二中的超声波细胞粉碎机的超声剥离工艺参数为：输出功率在50W～300W之间，变幅杆直径在2mm～12mm之间，超声时间在2s～9s之间，超声间隔时间在2s～9s之间，设备工作时间在1h～6h之间。
进一步的，所述步骤三中的静置时间在3min～5min之间；离心速度在2000～3000转/分钟之间；离心时间在10min～30min之间；洗涤直至溶液pH在6.5～7.5之间，洗涤溶剂为无水乙醇、或去离子水、或无水乙醇与去离子水混合液。
进一步的，所述步骤四中的真空度在0.02MPa～0.085MPa之间；干燥温度在50℃～120℃之间；干燥时间在10h～36h之间。
本发明的有益效果是：本发明石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂具有摩擦系数低、抗磨性能高、低碳环保的优点，可改善设备运行过程中的摩擦磨损问题，提升设备零部件在工作过程中的可靠性、延长其服役期限，其制备方法简单，适合于工业化生产。
附图说明
图1为本发明石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法的流程图。
图2为本发明实施例2制备出的石墨烯负载Fe3O4纳米粒子复合减摩抗磨添加剂GN/Fe3O4作为液体石蜡添加剂时，在试验载荷20N下的摩擦系数与试验时间的关系曲线图。
图3为本发明实施例3制备出的石墨烯负载SiO2纳米粒子复合减摩抗磨添加剂GN/SiO2作为纯水添加剂时，在试验载荷40N下的摩擦系数与试验时间的关系曲线图。
图4、图5为本发明实施例4制备出的石墨烯负载Cu纳米粒子复合减摩抗磨添加剂GN/Cu的TEM图像与能谱。
具体实施方式
以下将以具体实施例结合附图来说明本发明的结构和所欲达到的技术效果，但所选用的实施例仅用于说明解释，并非用以限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供一种石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法，该复合减摩抗磨添加剂制备方法步骤包括：(1)将膨胀石墨、纳米粒子、溶剂在超声环境下分散混合，例如在超声乳化分散器中分散均匀，获得分散体系A；(2)将分散体系A放入超声波细胞粉碎机中进行超声剥离，超声作用使膨胀石墨剥离为多层石墨烯片，多层石墨烯片与纳米粒子进行负载，待超声剥离结束后获得分散体系B；(3)将分散体系B进行静置分离，并取下部黑色浑浊液体进行高速离心分离，并将分离获得的固体洗至中性，获得固体C；(4)将固体C放入真空干燥箱干燥，即可获得石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1：
按照膨胀石墨的质量(g):纳米Fe3O4粒子的质量(g):二甲基亚砜的体积(L)为1:0.05:0.5的比例，称取膨胀石墨0.44g，纳米Fe3O4粒子0.022g，量取二甲基亚砜0.22L，将膨胀石墨和粒径为20nm的Fe3O4粒子分散在二甲基亚砜中，在超声波材料乳化分散器中超声分散10min，变幅杆直径为10mm，其工艺参数为：输出功率150W，超声时间4s，间隔时间2s。然后放入超声波细胞粉碎机中进行超声剥离，变幅杆直径为6mm，工作时间为3h，其工艺参数为：输出功率为50W，超声时间4s，间隔时间2s。超声结束后，静置3min后，取下部黑色浑浊液体进行高速离心分离30min，并用乙醇洗至中性，最后在真空干燥箱中60℃干燥24h，即得石墨烯负载Fe3O4纳米粒子复合减摩抗磨添加剂GN/Fe3O4。称取制备的复合减摩抗磨添加剂GN/Fe3O4分散于去离子水中，配置成浓度为0.01wt％的GN/Fe3O4水分散体系，在MFT-R4000型多功能往复摩擦磨损试验仪上考察GN/Fe3O4水分散体系的减摩性能，纯水作对照试验。摩擦试验条件为：频率5Hz，试验时间10min，摩擦行程10mm；所用上试样为直径6mm的GCr15钢球，硬度770HV；下试样为尺寸20×20×2.5mm的45钢，硬度为250～300HV。在试验载荷10N下，GN/Fe3O4水分散体系的平均摩擦系数为0.325，较纯水(0.457)下降28.88％；磨损体积为3.36×106μm3，较纯水(5.22×106μm3)下降35.63％。
实施例2：
将实施例1中的二甲基亚砜换为去离子水，其他工艺保持不变，制得石墨烯负载Fe3O4纳米粒子复合减摩抗磨添加剂GN/Fe3O4。称取制备的复合减摩抗磨添加剂GN/Fe3O4分散于液体石蜡中，配置成浓度为0.01wt％的GN/Fe3O4石蜡分散体系，摩擦试验所用设备及条件同实施例1。在载荷试验20N下，GN/Fe3O4石蜡分散体系的摩擦系数与试验时间的关系曲线如图2所示。
实施例3：
按照膨胀石墨的质量(g):纳米SiO2粒子的质量(g):二甲基亚砜的体积(L)为1:0.05:0.5的比例，称取膨胀石墨0.44g，纳米SiO2粒子0.022g，量取二甲基亚砜0.22L，将膨胀石墨和粒径为20nm的SiO2粒子分散在二甲基亚砜中，在超声波材料乳化分散器中超声分散10min，变幅杆直径为10mm，其工艺参数为：输出功率150W，超声时间4s，间隔时间2s。然后放入超声波细胞粉碎机中进行超声剥离，变幅杆直径为6mm，工作时间为3h，其工艺参数为：输出功率为50W，超声时间4s，间隔时间2s。超声结束后，静置5min后，取下部黑色浑浊液体进行高速离心分离20min，并用去离子水洗至中性，最后在真空干燥箱中60℃干燥24h，即得石墨烯负载SiO2纳米粒子复合减摩抗磨添加剂GN/SiO2。称取制备的复合减摩抗磨添加剂GN/SiO2分散于纯水中，配置成浓度为0.01wt％的GN/SiO2水分散体系，摩擦试验所用设备及条件同实施例1。在试验载荷40N下，GN/SiO2水分散体系的摩擦系数与试验时间的关系曲线如图3所示。
实施例4：
按照膨胀石墨的质量(g):纳米Cu粒子的质量(g):正丁醇的体积(L)为1:0.025:0.5的比例，称取膨胀石墨0.44g，纳米Cu粒子0.011g，量取正丁醇0.22L，将膨胀石墨和粒径为40nm的Cu粒子分散在正丁醇中，在超声波材料乳化分散器中超声分散10min，变幅杆直径为10mm，其工艺参数为：输出功率100W，超声时间4s，间隔时间2s。然后放入超声波细胞粉碎机中进行超声剥离，变幅杆直径为6mm，工作时间为2.5h，其工艺参数为：输出功率为100W，超声时间4s，间隔时间2s。超声结束后，静置5min后，取下部黑色浑浊液体进行高速离心分离30min，并用乙醇洗至中性，最后在真空干燥箱中80℃干燥36h即得石墨烯负载Cu纳米粒子复合减摩抗磨添加剂GN/Cu，其TEM图像及能谱如图4、图5所示。
本发明以膨胀石墨、纳米粒子为原料，采用液相超声直接剥离法制备石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂，制备的复合减摩抗磨添加剂包含石墨烯负载纳米粒子、多层石墨烯片层、纳米粒子。其中，纳米粒子粒径为5nm～150nm，均匀分布于多层石墨烯片层表面和层间，与多层石墨烯片层复合良好。该复合减摩抗磨添加剂负载纳米粒子的量可根据纳米粒子的种类调整，纳米粒子质量占整个复合减摩抗磨添加剂的6％～50％。本发明方法简便，工艺简单，可控性强，适合于工业化生产，制备出的复合减摩抗磨添加剂具有稳定性能好、摩擦系数低、抗磨性能优等特点，在摩擦磨损领域具有广泛的应用前景。
需要指出的是，上述实施方式仅仅是可能的实施例，是为了清楚地理解本发明的原理而提出的。可以在不背离本发明原理和范围的情况下对上述本发明的实施方式进行许多变化和修改。所有这些修改和变化都包括在本发明揭示的范围中，并且受到所附权利要求的保护。

Claims (8)

1.一种石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法，其特征在于，它包括：
步骤一：将膨胀石墨、纳米粒子、溶剂在超声乳化分散器中进行超声分散，获得混和均匀的分散体系A；
步骤二：将分散体系A放入超声波细胞粉碎机中进行超声剥离，超声作用使膨胀石墨剥离为多层石墨烯片，多层石墨烯片与纳米粒子进行负载，待超声剥离结束后获得分散体系B；
步骤三：将分散体系B进行静置分离，并取下部黑色浑浊液体进行高速离心分离，并将分离获得的固体洗至中性，获得固体C；
步骤四：将固体C放入真空干燥箱干燥，即得所述石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂。
2.根据权利要求1所述的石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法，其特征在于：所述纳米粒子为TiO2、SiO2、Fe3O4、Fe2O3、Al2O3、PbO、CaCO3、SiC、WSe2、LaF3、ZnS、Fe、Cu、Al中的一种或两种，纳米粒子的粒径为5nm～150nm。
3.根据权利要求1所述的石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的溶剂为：去离子水、丙酮、无水乙醇、乙二醇、正丙醇、丙二醇、丙三醇、异丙醇、正丁醇、丁二醇、二甲基亚砜、N-甲基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺中的一种。
4.根据权利要求1所述的石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的超声乳化分散工艺参数为：输出功率在50W～300W之间，变幅杆直径在2mm～12mm之间，超声时间在2s～9s之间，超声间隔时间在2s～9s之间，设备工作时间为10min。
5.根据权利要求1所述的石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法，其特征在于：所述步骤二中的超声波细胞粉碎机的超声剥离工艺参数为：输出功率在50W～300W之间，变幅杆直径在2mm～12mm之间，超声时间在2s～9s之间，超声间隔时间在2s～9s之间，设备工作时间在1h～6h之间。
6.根据权利要求1所述的石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法，其特征在于：所述步骤三中的静置时间在3min～5min之间；离心速度在2000～3000转/分钟之间；离心时间在10min～30min之间；洗涤直至溶液pH在6.5～7.5之间，洗涤溶剂为无水乙醇、或去离子水、或无水乙醇与去离子水混合液。
7.根据权利要求1所述的石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法，其特征在于：所述步骤四中的真空度在0.02MPa～0.085MPa之间；干燥温度在50℃～120℃之间；干燥时间在10h～36h之间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的石墨烯负载纳米粒子复合减摩抗磨添加剂的制备方法，其特征在于：所述纳米粒子质量占整个复合减摩抗磨添加剂质量的6％～50％。
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