CN105779081A - 一种复合石墨烯微片及制备方法和在润滑油脂中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种复合石墨烯微片及制备方法和在润滑油脂中的应用，由包含以下重量份的组分制成：石墨粉84~98份，氧化铋纳米颗粒1~15份，分散剂1~2份，利用分级转速胶体研磨过程，初级低转速降低石墨尺寸，加入氧化铋纳米颗粒后提高转速，在高速旋转产生的螺旋冲击力和强大的剪切力、摩擦力，使石墨被有效地均质和粉碎，与氧化铋纳米颗粒复合，获得复合石墨烯片。本发明提供上述技术手段能避免了有毒化学原料的使用，而且操作简单，制备出的复合石墨烯微片添加于润滑油脂中，降低了润滑油脂摩擦系数，提高润滑油脂的耐高温性、耐极压性，进而能够提高机械、零件使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料制备技术领域，特别涉及一种复合石墨烯微片及制备方法。
背景技术
碳元素广泛存在于自然界中，其独特的物性和多样的形态随着人类文明的进步而逐渐被发现。碳元素有多种同素异形体，最为人们所熟知的就是sp2杂化的石墨和sp3杂化的金刚石。1985年富勒烯(Fullerene)的发现和1991年碳纳米管的发现，扩大了碳的同素异形体的范畴。2004年另一种具有理想二维结构和奇特电学性质的碳的同素异形体——石墨烯被成功制备，引发了新一波碳质材料研究热潮。石墨烯是由一层碳原子组成的二维碳纳米材料，是目前已知最薄的二维材料，其厚度仅为0.335nm，它由六边形的晶格组成，可以看作是一层被剥离的石墨片层。不仅如此，石墨烯还是摩擦系数最低和耐磨性能最高的材料，且具有高的机械强度、弹性模量和热导率，而且不含其它腐蚀性和环境污染的元素，在润滑油领域也有巨大的应用前景。
中国专利公开号104031716A公开了一种含有石墨烯的润滑油，包含润滑油脂以及多个改质石墨烯粉体，所述改质石墨烯粉体占重量比为0.001wt.%至10wt.%，均匀散布于该润滑油脂中，且各该改质石墨烯粉体包含至少一表面改质层，该至少一表面改质层包括一表面改质剂，包括至少二官能基，分别位于该表面改质剂的二端，该至少二官能基的一官能基与该石墨烯粉体表面的有机官能基产生化学键结，该至少二官能基的一另一官能基形成该改质石墨烯粉体的表面特性，而该表面改质层可提供改质石墨烯粉体与润滑油良好的亲合性。但是，该方法使用石墨烯和改质剂作为原料，成本昂贵，不适合工业化生产。
中国专利公开号105112124A公开了一种基于石墨烯或氧化石墨烯的润滑剂组合物，所述组合物包括下述重量份配比的各成份：高分子改性的负载过渡金属络合物的石墨烯或氧化石墨烯0.01~0.03重量份，有机物分散剂5~15重量份和磺酸盐0.2~0.4重量份。该发明的组合物具备较好的溶解和分散能力、彻底解决了现有纳米颗粒加入到润滑油中出现的易沉淀和分散性差等问题，且不含有潜在危害元素和组分。能够显著改善润滑油的润滑性能，降低摩擦系数，大幅减少磨损，并具备显著的极压性能。但是，该方法也采用了复合石墨烯作为原料，直接用于润滑油，提高了润滑油的价格，不利于优秀商品的大规模普及。
中国专利公开号103113958A公开了一种石墨烯基纳米铜润滑油添加剂的制备方法，具体的制备过程为：以氧化石墨烯为原料，将其分散到去离子水中进行超声，然后加入混了表面活性剂的铜盐溶液，超声插层，将混合后的氧化石墨烯铜盐溶液与水合肼的浓氨溶液水浴后再加入适量抗坏血酸，一起倒入带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，并在设定温度下反应一段时间后自然冷却；利用去离子水和乙醇对反应产物进行多次抽滤清洗后，将产物干燥得到石墨烯基纳米铜添加剂。该发明的石墨烯基纳米铜添加剂可添加到各种工业润滑油中，使其具有更为优异的使用性能，可以显著降低摩擦，有效提高了机器、设备或零部件的使用寿命。但是，该发明采用水合肼作为反应物，水合肼是一种剧毒化学物质，提高了制备的环保成本，而且会给操作者带来严重的身体健康隐患。
综上所述，现有技术中还缺乏一种利用安全无毒且成本低廉的原料，通过简单的技术手段一步制备出石墨烯微片复合材料，并应用于润滑油脂中，进而有效提高润滑油脂的耐高温性、耐极压性。
发明内容
为了解决上述方法的不足和缺陷，本发明提供一种复合石墨烯微片及制备方法和在润滑油脂中的应用，由包含以下重量份的组分制成：石墨粉84~98份，氧化铋纳米颗粒1~15份，分散剂1~2份，利用分级转速胶体研磨过程，初级低转速降低石墨尺寸，加入氧化铋纳米颗粒后提高转速，在高速旋转产生的螺旋冲击力和强大的剪切力、摩擦力，使石墨被有效地均质和粉碎，与氧化铋纳米颗粒复合，本发明提供上述技术手段能避免了有毒化学原料的使用，而且操作简单，制备出的复合石墨烯微片添加于润滑油脂中，降低了润滑油脂摩擦系数，提高润滑油脂的耐高温性、耐极压性，进而能够提高润滑油脂的使用寿命。
本发明提供一种复合石墨烯微片，由包含以下重量份的组分制成：
石墨粉84~98份，
氧化铋纳米颗粒1~15份，
分散剂1~2份，
溶剂适量，
其中，所述石墨粉的粒径为1~5mm，所述氧化铋纳米颗粒的粒径为10~150nm。
可选的，所述石墨粉为致密结晶状石墨粉，鳞片石墨粉、膨胀石墨粉或可膨胀石墨粉中的一种或几种。
可选的，所述分散剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。
可选的，所述溶剂为二甲基亚砜、四氢呋喃、乙腈、苯腈或者甲醇的一种或几种。
本发明提供一种复合石墨烯微片的制备方法，包括以下步骤：
a.将84~98重量份石墨粉、1~2重量份分散剂加入到溶剂中配制得到石墨混合液，设置电动搅拌器的转速为100~2000rpm，机械搅拌均匀，所述石墨混合液浓度为300~5000mg/L；
b.调节剪切分散头和胶体磨盘的相对转速为100~5000rpm，在胶体磨中加入所述石墨混合液，在剪切力作用下剥离石墨1~5h后，加入1~15重量份氧化铋纳米颗粒，调节剪切分散头和胶体磨盘的相对转速为10000~15000rpm，通过冷却系统调节分散温度为0~20℃，经过0.5~24h，得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液；
c.将所述石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液进行离心分离留取下层沉淀物，然后再对沉淀物干燥，获得复合石墨烯微片。
可选的，所述离心分离的转速为100~500rpm，分离时间为30~60分钟。
本发明提供一种含有复合石墨烯微片的润滑油脂，包含：
润滑油脂；
以及如权利要求5~6制备的一种复合石墨烯微片，占重量比为0.005~0.02wt.%，均匀分布于所述润滑油脂中。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
1、本发明采用分级转速胶体研磨过程，初级低转速降低石墨尺寸，加入氧化铋纳米颗粒后提高转速，在高速旋转产生的螺旋冲击力和强大的剪切力、摩擦力，使石墨被有效地均质和粉碎，与氧化铋纳米颗粒复合，避免了有毒化学原料的使用，而且操作简单。
2、本发明制备得到的一种复合石墨烯微片添加于润滑油脂中，可降低润滑油脂摩擦系数，提高润滑油脂的耐高温性、耐极压性，进而提高机械、零件的使用寿命。
3、本发明采用胶体磨设备，生产成本低廉，设备普及性强，降低生产门槛。
4、本发明采用天然石墨粉作为原料，对环境污染小，成本低廉。
具体实施方式
通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例一
将84重量份粒径为1mm的可膨胀石墨粉、1重量份十二烷基硫酸钠加入到甲醇中接下来，设置电动搅拌器的转速为100~2000rpm，机械搅拌直到溶液混合均匀，配制得到浓度为300mg/L石墨混合液。设置胶体磨的剪切分散头和胶体磨盘之间的相对转速为100rpm，向胶体磨中加入前述配制好的石墨混合液，在剪切力作用下剥离石墨1h后，加入15重量份粒径为10nm氧化铋纳米颗粒，调节剪切分散头和胶体磨盘之间的的相对转速为10000rpm，通过冷却系统调节分散温度为0℃，经过0.5h，得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液。设置离心分离的转速为100rpm，分离时间为30分钟后将石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液进行离心分离留取下层沉淀物，然后再对沉淀物进行喷雾干燥，制备得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片。
取0.005wt.%实施例一中制备得到的石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片用高压均质机均匀分散于润滑油脂中，润滑油性能的测试参数如表一所示。
实施例二
将84重量份粒径为1mm的可膨胀石墨粉、1重量份十二烷基硫酸钠加入到甲醇中接下来，设置电动搅拌器的转速为100~2000rpm，机械搅拌直到溶液混合均匀，配制得到浓度为300mg/L石墨混合液。设置胶体磨的剪切分散头和胶体磨盘之间的相对转速为100rpm，向胶体磨中加入前述配制好的石墨混合液，在剪切力作用下剥离石墨1h后，加入15重量份粒径为10nm氧化铋纳米颗粒，调节剪切分散头和胶体磨盘之间的的相对转速为10000rpm，通过冷却系统调节分散温度为0℃，经过0.5h，得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液。设置离心分离的转速为100rpm，分离时间为30分钟后将石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液进行离心分离留取下层沉淀物，然后再对沉淀物进行喷雾干燥，制备得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片。
取0.008wt.%实施例二中制备得到的石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片用高压均质机均匀分散于润滑油脂中，润滑油性能的测试参数如表一所示。
实施例三
将84重量份粒径为1mm的可膨胀石墨粉、1重量份十二烷基硫酸钠加入到甲醇中接下来，设置电动搅拌器的转速为100~2000rpm，机械搅拌直到溶液混合均匀，配制得到浓度为300mg/L石墨混合液。设置胶体磨的剪切分散头和胶体磨盘之间的相对转速为100rpm，向胶体磨中加入前述配制好的石墨混合液，在剪切力作用下剥离石墨1h后，加入15重量份粒径为10nm氧化铋纳米颗粒，调节剪切分散头和胶体磨盘之间的的相对转速为10000rpm，通过冷却系统调节分散温度为0℃，经过0.5h，得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液。设置离心分离的转速为100rpm，分离时间为30分钟后将石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液进行离心分离留取下层沉淀物，然后再对沉淀物进行喷雾干燥，制备得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片。
取0.01wt.%实施例三中制备得到的石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片用高压均质机均匀分散于润滑油脂中，润滑油性能的测试参数如表一所示。
实施例四
将90重量份粒径为5mm的可膨胀石墨粉、1重量份十二烷基硫酸钠加入到甲醇中接下来，设置电动搅拌器的转速为100~2000rpm，机械搅拌直到溶液混合均匀，配制得到浓度为300mg/L石墨混合液。设置胶体磨的剪切分散头和胶体磨盘之间的相对转速为100rpm，向胶体磨中加入前述配制好的石墨混合液，在剪切力作用下剥离石墨1h后，加入9重量份粒径为150nm氧化铋纳米颗粒，调节剪切分散头和胶体磨盘之间的的相对转速为10000rpm，通过冷却系统调节分散温度为0℃，经过0.5h，得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液。设置离心分离的转速为100rpm，分离时间为30分钟后将石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液进行离心分离留取下层沉淀物，然后再对沉淀物进行喷雾干燥，制备得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片。
取0.01wt.%实施例四中制备得到的石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片用高压均质机均匀分散于润滑油脂中，润滑油性能的测试参数如表一所示。
实施例五
将90重量份粒径为5mm的可膨胀石墨粉、1重量份十二烷基硫酸钠加入到甲醇中接下来，设置电动搅拌器的转速为100~2000rpm，机械搅拌直到溶液混合均匀，配制得到浓度为300mg/L石墨混合液。设置胶体磨的剪切分散头和胶体磨盘之间的相对转速为5000rpm，向胶体磨中加入前述配制好的石墨混合液，在剪切力作用下剥离石墨1h后，加入9重量份粒径为150nm氧化铋纳米颗粒，调节剪切分散头和胶体磨盘之间的的相对转速为15000rpm，通过冷却系统调节分散温度为0℃，经过0.5h，得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液。设置离心分离的转速为100rpm，分离时间为30分钟后将石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液进行离心分离留取下层沉淀物，然后再对沉淀物进行喷雾干燥，制备得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片。
取0.008wt.%实施例五中制备得到的石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片用高压均质机均匀分散于润滑油脂中，润滑油性能的测试参数如表一所示。
实施例六
将90重量份粒径为5mm的可膨胀石墨粉、1重量份十二烷基硫酸钠加入到甲醇中接下来，设置电动搅拌器的转速为100~2000rpm，机械搅拌直到溶液混合均匀，配制得到浓度为300mg/L石墨混合液。设置胶体磨的剪切分散头和胶体磨盘之间的相对转速为5000rpm，向胶体磨中加入前述配制好的石墨混合液，在剪切力作用下剥离石墨5h后，加入9重量份粒径为150nm氧化铋纳米颗粒，调节剪切分散头和胶体磨盘之间的的相对转速为15000rpm，通过冷却系统调节分散温度为20℃，经过24h，得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液。设置离心分离的转速为100rpm，分离时间为60分钟后将石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液进行离心分离留取下层沉淀物，然后再对沉淀物进行喷雾干燥，制备得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片。
取0.008wt.%实施例六中制备得到的石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片用高压均质机均匀分散于润滑油脂中，润滑油性能的测试参数如表一所示。
表一
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种复合石墨烯微片，其特征在于，由包含以下重量份的组分制成：
石墨粉84~98份，
氧化铋纳米颗粒1~15份，
分散剂1~2份，
溶剂适量，
其中，所述石墨粉的粒径为1~5mm，所述氧化铋纳米颗粒的粒径为10~150nm。
2.根据权利要求1所述的一种复合石墨烯微片，其特征在于，所述石墨粉为致密结晶状石墨粉，鳞片石墨粉、膨胀石墨粉或可膨胀石墨粉中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种复合石墨烯微片，其特征在于，所述分散剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种复合石墨烯微片的制备方法，其特征在于，所述溶剂为二甲基亚砜、四氢呋喃、乙腈、苯腈或者甲醇的一种或几种。
5.一种复合石墨烯微片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将84~98重量份石墨粉、1~2重量份分散剂加入到溶剂中配制得到石墨混合液，设置电动搅拌器的转速为100~2000rpm，机械搅拌均匀，所述石墨混合液浓度为300~5000mg/L；
b.调节剪切分散头和胶体磨盘的相对转速为100~5000rpm，在胶体磨中加入所述石墨混合液，在剪切力作用下剥离石墨1~5h后，加入1~15重量份氧化铋纳米颗粒，调节剪切分散头和胶体磨盘的相对转速为10000~15000rpm，通过冷却系统调节分散温度为0~20℃，经过0.5~24h，得到石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液；
c.将所述石墨烯/氧化铋纳米颗粒复合微片分散液进行离心分离留取下层沉淀物，然后再对沉淀物干燥，获得复合石墨烯微片。
6.根据权利要求5所述的一种复合石墨烯微片的制备方法，其特征在于，所述步骤c中，所述离心分离的转速为100~500rpm，分离时间为30~60分钟。
7.一种含有复合石墨烯微片的润滑油脂，其特征在于，包含：润滑油脂，以及如权利要求5~6制备的一种复合石墨烯微片，占重量比为0.005~0.02wt.%，均匀分布于所述润滑油脂中。
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