CN105733739A - 基于表面改性石墨烯的润滑油、润滑油添加剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于表面改性石墨烯材料的润滑油添加剂，包含胆汁酸盐或其衍生物表面处理的石墨烯，所述胆汁酸盐或其衍生物表面处理的石墨烯在润滑油中的质量百分数为0.002-1％。以及一种基于改性石墨烯的润滑油、润滑油添加剂的制备方法和润滑油的制备方法。本发明的方法简单易行，重复率高，适合大规模的产业化生产。本发明的润滑油添加剂具有很好的分散性，能有效增加润滑油的抗磨擦性能并降低发动机的损耗。

Description

基于表面改性石墨烯的润滑油、润滑油添加剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及润滑油领域，尤其是一种基于表面改性石墨烯的润滑油、润滑油添加剂及其制备方法。

背景技术

发动机的润滑性能与汽车的安全、环保以及节能等性能息息相关，随着发动机性能的不断提高，对润滑方面的要求日趋复杂、苛刻，为了改善发动机润滑性能、实现减磨节能、提高机械效率的润滑油添加剂也应运而生。如何选择合适的纳米颗粒作为添加剂，并改善其分散性成为近年来润滑油添加剂领域研究的热点。

石墨烯作为一种具有二维结构的碳质新材料，具有较高的比表面积，导热性和力学性能等一系列优异的性能。将石墨烯作为固体添加剂添加到润滑油中，可以起到明显的减磨节能效果。但是石墨烯添加剂在使用过程中容易产生分层和沉淀现象，如何充分发挥石墨烯的效能，克服上述缺陷是开发基于石墨烯材料的润滑剂添加剂必须面对的难题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于表面改性石墨烯的润滑油、润滑油添加剂及其制备方法，以改善石墨烯的分散稳定性，提高发动机的润滑性。

作为本发明的一个方面，本发明提供了一种基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂，包含胆汁酸盐或其衍生物表面处理的石墨烯，所述胆汁酸盐或其衍生物表面处理的石墨烯在润滑油中的质量百分数为0.002-1％。

其中，所述胆汁酸盐或其衍生物表面处理的石墨烯在润滑油中的质量百分数为0.1-0.5％。

其中，所述胆汁酸盐包括但不限于选自胆酸、脱氧胆酸、鹅脱氧胆酸、石胆酸、甘氨胆酸、甘氨鹅脱氧胆酸、牛磺胆酸、牛磺鹅脱氧胆酸的钠盐或者钾盐。

优选地，所述胆汁酸盐为脱氧胆酸钠。

其中，所述润滑油为已商品化的车用润滑油。

其中，所述胆汁酸盐或其衍生物表面处理的石墨烯是通过将氧化石墨的水溶液添加到含有所述胆汁酸盐或其衍生物的水溶液中，加入还原剂反应后得到的产物。

其中，所述石墨烯的厚度0.17-1.4nm，片径大小为1～50μm。

作为本发明的另一个方面，本发明提供了一种基于表面改性石墨烯的润滑油，包含有如上任一项所述的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂。

作为本发明的再一个方面，本发明提供了一种基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂的制备方法，包括下列步骤：

制备氧化石墨，将其分散在水中制备成氧化石墨稀溶液；

向制备的氧化石墨稀溶液中加入胆汁酸盐或其衍生物的水溶剂，滴加还原剂，反应后得到目标产物。

其中，所述还原剂为水合肼。

其中，得到的所述表面改性石墨烯的厚度为0.17-1.4nm，片径大小为1～50μm。

作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种基于表面改性石墨烯的润滑油的制备方法，包括下列步骤：

将如上任一项制得的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂直接添加到润滑油中，搅拌混合，即得目标产物；

其中，所述制得的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂在所述润滑油中的质量百分数为0.002-1％。

其中，所述制得的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂在所述润滑油中的质量百分数为0.1-0.5％。

作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种如上任意一项所述的表面改性石墨烯在润滑油中的应用。

本发明采用两相法实现石墨烯表面处理，制备出分散性好的石墨烯。该方法简单易行，重复率高，适合大规模的产业化生产。本发明的润滑油添加剂，具有很好的分散性，避免了传统分散剂的使用，有效增加润滑油的抗磨擦性能并降低发动机的损耗。通过脱氧胆酸钠对石墨烯进行表面处理，制备具有很好分散性的石墨烯，同时避免了分散剂的添加。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

润滑油，是用在各种类型汽车、机械设备上以减少摩擦，保护机械及加工件的液体或半固体润滑剂，主要起润滑、冷却、防锈、清洁、密封和缓冲等作用，按其来源分动物油、植物油，石油润滑油和合成润滑油四大类。本发明中使用的润滑油为已商品化的所有类型的车用润滑油。

胆汁酸，即胆汁中分泌的酸类的总称。正常人胆汁中的胆汁酸(bileacid)按结构可分为两大类：一类为游离型胆汁酸，包括胆酸(cholicacid)、脱氧胆酸(deoxycholicacid)、鹅脱氧胆酸(chenodeoxycholicacid)和少量的石胆酸(lithochalicacid)；另一类是上述游离胆汁酸与甘氨酸或牛磺酸结合的产物、称结合型胆汁酸，主要包括甘氨胆酸、甘氨鹅脱氧胆酸，牛磺胆酸及牛磺鹅脱氧胆酸等。胆汁酸盐，则是胆汁酸的盐类，例如钠盐、钾盐等。胆汁酸盐的衍生物，则是胆汁酸盐中的氢原子或原子团被其他原子或原子团取代而衍生的产物，例如熊脱氧胆酸钠、Na-胆酰-(3-O-硝基-D-丝氨酸)等。

本发明所使用的石墨烯，可以是各种已知的石墨烯，例如通过机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等方法制备的石墨烯，也可以是经过进一步加工处理的石墨烯，例如单层石墨烯、氧化石墨烯、还原石墨烯、功能化石墨烯等。所述石墨烯的厚度和片径大小视实际需要选择，优选厚度为0.17-1.4nm，片径大小为1～50μm。

本发明公开了一种基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂，其中在润滑油中添加了胆汁酸盐或其衍生物处理的石墨烯，所述胆汁酸盐或其衍生物处理的石墨烯在润滑油中所占的质量百分数为0.002-1％，优选为0.1-0.5％。其中所述胆汁酸盐或其衍生物优选为脱氧胆酸钠。

所述的润滑油可以为已商品化的所有类型车用润滑油，所述润滑油中还可以添加各种公知的润滑油添加剂，例如抗氧化剂、分散剂、抗磨剂、粘度指数增进剂等。

本发明还公开了一种基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂的制备方法，包括下列步骤：

制备氧化石墨，将其分散在水中制备成氧化石墨稀溶液；

向制备的氧化石墨稀溶液中加入胆汁酸盐或其衍生物的水溶剂，滴加还原剂，反应后得到目标产物。

其中，所述还原剂可以为本领域公知的还原剂，例如水合肼。

其中，得到的所述表面改性石墨烯的厚度为0.17-1.4nm，片径大小为1～50μm。

上述制得的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂，即改性石墨烯在润滑油中的质量百分数为0.002-1％，优选为0.1-0.5％。

作为一个优选实施例，本发明还公开了一种基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂的制备方法，包括下列步骤：

制备氧化石墨并配制成氧化石墨稀溶液；

选取胆汁酸盐或其衍生物，例如脱氧胆酸钠搅拌溶解在水中；

向制备的氧化石墨稀溶液中加入脱氧胆酸钠水溶液，形成两相，升温到60-90℃，优选80℃，滴加水合肼，反应12-24小时后得到目标产物。

而要制得基于表面改性石墨烯的润滑油，只需要将上述制得的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂直接添加到润滑油中，搅拌混合，即得目标产物。

上述制备方法中，表面改性的石墨烯厚度为0.17-1.4nm，片径大小为1～50μm。上述制得的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂，即改性石墨烯在润滑油中的质量百分数为0.002-1％，优选为0.1-0.5％。

脱氧胆酸钠表面处理石墨烯的制备步骤中，氧化石墨粉末的添加量可以视反应程度调整，例如可以1～1.5g氧化石墨粉末加250-500g去离子水。加入脱氧胆酸钠的水溶液的浓度可以在0.25～0.5mol/L之间选择。

下面结合具体实施例对本发明进行更详细的阐述。

实施例1

氧化石墨的制备：采用Hummer法，在一个250mL的烧杯中加入2g鳞片石墨粉末，冰水浴的条件下向其中加入1gNaNO3后加入46mL98％的H2SO4并且充分搅拌；缓慢加入6gKMnO4，保持溶液的温度在20℃以上并保持这个条件5分钟，继而去掉冰水浴加热到35℃，保持这个条件30分钟；加入92mL的水，再搅拌15分钟，温度将会升高到约98℃；继续加入80mL的60℃3％的双氧水，用离心机在7200转下离心30分钟上述处理后的液体；用热水清洗残渣直到上层悬浮液的pH约为7；把得到的粉末再次分散到水中超声15分钟，过滤完黑色残留物后得到一种均一的悬浮液；把悬浮液冻干后得到氧化石墨。

脱氧胆酸钠表面处理石墨烯的制备：将1g得到的氧化石墨粉末溶于去离子水中，微波辐射法进行分散，加入5.3g浓度为0.5mol/L的脱氧胆酸钠的水溶液，升温至80℃，滴加2-10ml水合肼，并在此条件下反应24h后过滤，将得到的产物依次用甲醇和水冲洗多次，真空干燥得到脱氧胆酸钠表面改性的石墨烯。

将质量百分数为0.15％的脱氧胆酸钠表面改性的石墨烯加入到润滑油中，搅拌混合均匀。

实施例2

氧化石墨的制备如实施例1，将1g得到的氧化石墨粉末溶于去离子水中，超声分散，加入5.3g浓度为0.25mol/L的脱氧胆酸钠有机溶液，升温至80℃，加热回流，通过两相法制得脱氧胆酸钠表面处理的石墨烯，清洗，过滤并干燥得到脱氧胆酸钠表面处理的石墨烯粉末。脱氧胆酸钠有机溶液可以为甲苯或环己烷溶液。

将质量百分数为0.30％的脱氧胆酸钠表面处理的石墨烯粉末加入到润滑油中，搅拌混合均匀。

实施例3

脱氧胆酸钠表面处理的石墨烯的制备如实施例2。

将质量百分数为0.20％的石胆酸钾表面处理的石墨烯粉末加入到润滑油中，搅拌均匀混合。

实施例4

脱氧胆酸钠表面处理的石墨烯的制备如实施例2。

将质量百分数为0.002％的脱氧胆酸钠表面处理的石墨烯粉末加入到润滑油中，搅拌均匀混合。

实施例5

脱氧胆酸钠表面处理的石墨烯的制备如实施例2。

将质量百分数为1％的脱氧胆酸钠表面处理的石墨烯粉末加入到润滑油中，搅拌均匀混合。

实施例6

牛磺胆酸钠表面处理的石墨烯的制备如实施例2。

将质量百分数为0.2％的牛磺胆酸钠表面处理的石墨烯粉末加入到润滑油中，搅拌均匀混合。

对比实施例1-2

制备氧化石墨粉末的方法与实施例1相同，区别仅在于不加入胆汁酸盐，而是按照hummer法直接用水合肼或硼氢化钠对氧化石墨粉末还原，得到黑色石墨烯粉末。

分别将质量百分数为0.002％和1％未表面改性的石墨烯粉末加入到润滑油中，搅拌混合均匀。

储存稳定性测试

将制得的目标产物静置15天、30天，观察目标产物的状况。

经过实验，在经过15天后，添加了未进行表面处理的石墨烯润滑油添加剂的润滑油中出现了明显的团聚分层，而添加了脱氧胆酸钠表面处理的石墨烯润滑油添加剂的润滑油，即使经过30天之后，仍然可以稳定分散，观察不到明显团聚或分层。

表1实施例1-6和对比实施例1-2储存稳定性列表

减磨节能性能测试

通过四球机(GB/T308)和齿轮试验机来测试目标产物的减磨节能性能。

经过实验发现，当脱氧胆酸钠表面处理的石墨烯的质量百分数为0.1-0.5％时，润滑油的减磨节能效果最好。

表2减磨节能性能测试结果列表

通过上面的实验可知，本发明的经过胆汁酸盐或其衍生物处理的石墨烯添加到润滑油中后，可以更好的分散石墨烯，使得润滑油的分散稳定性，和发动机的润滑性均得到极大的改善。而未经过胆汁酸盐或其衍生物处理的石墨烯，虽然在大添加量的情况下可以提高发动机的润滑性，但由于分散不均也导致其他性能的劣化。

虽然实施例仅仅例举了胆汁酸盐或其衍生物对氧化石墨的表面改性，但本领域可以知道的是，通过上述实施例的启发，上述方案同样适用于其它类型石墨烯的改性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂，包含有胆汁酸盐或其衍生物表面处理的石墨烯，所述胆汁酸盐或其衍生物表面处理的石墨烯在润滑油中的质量百分数为0.002-1％。

2.根据权利要求1所述的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂，其中所述胆汁酸盐或其衍生物表面处理的石墨烯在润滑油中的质量百分数为0.1-0.5％。

3.根据权利要求1所述的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂，其中所述胆汁酸盐包括但不限于选自胆酸、脱氧胆酸、鹅脱氧胆酸、石胆酸、甘氨胆酸、甘氨鹅脱氧胆酸、牛磺胆酸、牛磺鹅脱氧胆酸的钠盐或者钾盐。

4.根据权利要求1所述的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂，其中所述胆汁酸盐为脱氧胆酸钠。

5.根据权利要求1所述的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂，其中所述润滑油为已商品化的车用润滑油。

6.根据权利要求1所述的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂，其中所述胆汁酸盐或其衍生物表面处理的石墨烯是通过将氧化石墨的水溶液添加到含有所述胆汁酸盐或其衍生物的水溶液中，加入还原剂反应后得到的产物。

7.根据权利要求1所述的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂，其中所述石墨烯的厚度为0.17-1.4nm，片径大小为1～50μm。

8.一种基于表面改性石墨烯的润滑油，包含有如权利要求1至7任一项所述的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂。

9.一种基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂的制备方法，包括下列步骤：

制备氧化石墨，将其分散在水中制备成氧化石墨稀溶液；

向制备的氧化石墨稀溶液中加入胆汁酸盐或其衍生物的水溶剂，滴加还原剂，反应后得到目标产物。

10.根据权利要求9所述的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂的制备方法，其中所述还原剂为水合肼。

11.根据权利要求9所述的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂的制备方法，其中得到的所述表面改性石墨烯的厚度为0.17-1.4nm，片径大小为1～50μm。

12.一种基于表面改性石墨烯的润滑油的制备方法，包括下列步骤：

将如权利要求9至11任意一项中制得的基于改性石墨烯材料的润滑油添加剂添加到润滑油中，搅拌混合，即得目标产物；

其中，所述制得的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂在所述润滑油中的质量百分数为0.002-1％。

13.根据权利要求11所述的基于表面改性石墨烯的润滑油的制备方法，其中所述制得的基于表面改性石墨烯的润滑油添加剂在所述润滑油中的质量百分数为0.1-0.5％。

14.一种如权利要求1至7任意一项所述的表面改性石墨烯在润滑油中的应用。