CN105969478B - 一种硼酸钙/氧化石墨烯纳米复合润滑材料的制备方法 - Google Patents

一种硼酸钙/氧化石墨烯纳米复合润滑材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种硼酸钙/氧化石墨烯纳米复合润滑材料的制备方法，涉及润滑材料的制备技术领域，本发明通过液相超声混合剥离的方法将硼酸钙纳米颗粒负载到氧化石墨烯表面上，从而合成硼酸钙/氧化石墨烯纳米复合润滑材料，本发明制备耗时只需7～12小时，减低了能耗，成本低廉，提高了硼酸钙在氧化石墨烯片上的负载量以及在基础油中的润滑性能，当在负载为147N和转速为1200r/min的四球摩擦磨损试验机上进行摩擦实试验时，本发明方法制得的复合润滑材料在基础润滑油中摩擦系数降低量最大可达30%～50%。

Description

一种硼酸钙/氧化石墨烯纳米复合润滑材料的制备方法
技术领域
本发明涉及润滑材料的制备技术领域，特别是由硼酸钙和氧化石墨烯纳米形成的复合润滑材料的制备方法。
背景技术
作为石墨烯的衍生物，氧化石墨烯由于其较强的亲水性和低廉的制备成本，已成为目前科学的热门研究材料。由于氧化石墨烯具有特殊的层状结构加上其很强的硬度，氧化石墨烯作为润滑材料使用可以显著降低其摩擦系数并且提高耐磨性，在摩擦学应用中具有很大的应用前景。Lin等人通过油酸和硬脂酸改性氧化石墨烯使其极易分散于润滑基础油中，研究发现加入改性氧化石墨烯后的润滑基础油展现出了更加出色的减摩抗磨性能[Lin J, Wang L, Chen G. Modification of graphene platelets and theirtribological properties as a lubricant additive[J]. Tribology letters, 2011,41(1): 209-215.]。
无机硼酸盐作为润滑材料使用不仅具有优良的极压抗磨性能和热氧化安定性，而且无毒无臭，不腐蚀金属，不污染环境，已广泛应用于工业齿轮油、二冲程发动机油和车辆齿轮油中，具有明显的节能效果。Zhao等利用超声波均质器制备了硼酸锌的超细粉体并且将其作为葵花油的添加剂使用，测试了其摩擦学性能。结果表明，当硼酸锌的添加量为0.5%时，摩擦系数和磨痕直径达到最低值，相比于纯的葵花油分别降低了14%和10%[Zhao C,Jiao Y, Chen Y K, Ren G G. The Tribological Properties of Zinc BorateUltrafine Powder as a Lubricant Additive in Sunflower Oil[J]. TribologyTransactions, 2014, 57(3):425-434.]。
目前文献中主要采用水热法来制备硼酸钙/氧化石墨烯复合物，这种方法耗时长，耗能较高且氧化石墨烯片上硼酸盐的负载量不是很高，不利于产业化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备时间短、硼酸盐的负载量较高的硼酸钙/氧化石墨烯纳米复合润滑材料的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1）在超声条件下，分别将硼砂、氯化钙分散于去离子水中，形成硼砂溶液和氯化钙溶液；再在60～100℃温度条件下将硼砂溶液和氯化钙溶液混合进行反应，取得硼酸钙浑浊液；
2）向硼酸钙浑浊液中滴加氧化石墨烯（GO）水溶液，搅拌后将混合体系进行超声处理；
3）取超声处理后的体系经冷却、过滤，取固相，再进行洗涤、干燥、研磨，取得硼酸钙/氧化石墨烯纳米复合润滑材料。
本发明步骤1）中采用60～100℃温度进行混合反应，该温度范围内反应更充分，制得的硼酸钙颗粒更小，易于进入摩擦界面，提升摩擦学性能。
本发明通过液相超声混合剥离的方法将硼酸钙纳米颗粒负载到氧化石墨烯表面上，从而合成硼酸钙/氧化石墨烯纳米复合润滑材料，本发明的优点主要表现在如下：
1.克服了耗时长的缺点，只需7～12小时便可制备出大量复合物。
2.改进了合成路线，制备工艺简单，减低了能耗，成本低廉。
3.提高了硼酸钙在氧化石墨烯片上的负载量以及在基础油中的润滑性能。
4.当在负载为147N（15KG）和转速为1200r/min的四球摩擦磨损试验机上进行摩擦实试验时，本发明方法制得的复合润滑材料在基础润滑油中摩擦系数降低量最大可达30%～50%。
进一步地，本发明所述步骤1）中所述硼砂溶液的浓度为0.08～0.1g/mL，所述氯化钙溶液浓度为0.08～0.1g/mL。该浓度范围下，氯化钙和硼砂在去离子水中可稳定分散，有利于充分反应。
本发明所述步骤1）中所述硼砂与氯化钙的混合质量比为1.1～1.3∶1。该配比下，原料反应更为充分，制得的硼酸钙更为纯净。
步骤2）中用于滴加的所述氧化石墨烯（GO）水溶液的浓度为0.01～0.02g/mL。该浓度下，氧化石墨烯（GO）在去离子水中分散更稳定，有利于充分反应。
步骤2）中，硼酸钙浑浊液中硼酸钙与氧化石墨烯（GO）水溶液中氧化石墨烯（GO）的投料质量比为8～10∶1。该配比下，硼酸钙与氧化石墨烯（GO）反应更充分，制得的复合物更为均匀，有利于摩擦性能的提升。
步骤2）中所述搅拌的温度条件为50～70℃，搅拌时间为0.5~1h。该温度和时间下的搅拌，可以使硼酸钙与氧化石墨烯（GO）充分混合，有利于充分反应。
步骤2）中所述超声处理的温度条件为60～80℃，时间为1～3h。该温度和时间下的超声，使硼酸钙在氧化石墨烯（GO）上的负载更为均匀，有利于摩擦性能的提升。
步骤3）中所述过滤为布氏漏斗过滤。布氏漏斗过滤可以去除未反应的杂质，使产物更为纯净。
步骤3）中所述洗涤溶剂为去离子水，洗涤次数为3～5次。可以洗去过量的氯化钙，使产物更为纯净。
步骤3）所述干燥为真空干燥，干燥温度为60～100℃，时间为5～8h。该温度和时间下的真空干燥，制得的复合物更为均匀，有利于摩擦性能的提升。
附图说明
图1为氧化石墨烯和硼酸钙/氧化石墨烯复合物的TEM照片。
具体实施方式
一、实例1：
制备工艺：超声条件下，将硼砂分散于去离子水中，形成0.1g/mL硼砂溶液。超声条件下，将氯化钙分散于去离子水中，形成0.1g/mL氯化钙溶液。
将36mL硼砂溶液和30mL氯化钙溶液在80℃下混合搅拌反应1h，得到硼酸钙浑浊液。
用去离子水和氧化石墨烯（GO）配成浓度为0.01g/mL的氧化石墨烯（GO）水溶液。
向硼酸钙浑浊液中滴加浓度为0.01g/mL的氧化石墨烯溶液80mL，60℃下搅拌1h后将混合体系转移至60℃的超声池超声处理1h，自然冷却后，以布氏漏斗过滤，将过滤取得的固相用去离子水洗涤3次，最后将反应物60℃下真空干燥5h，研磨后得到产物。
应用例1：称取60mg上述复合物抗磨剂通过砂磨机均匀分散于150SN基础油中，在负载为147N和转速为1200r/min的四球摩擦磨损试验机上进行摩擦学试验。结果显示摩擦系数和磨痕直径相比于基础油分别下降了41%和32%。
应用例2：称取60mg上述复合物抗磨剂通过砂磨机均匀分散于500SN基础油中，经摩擦学测试发现摩擦系数相比于基础油下降了43%。
二、实例2：
制备工艺：超声条件下，将硼砂分散于去离子水中，形成0.1g/mL硼砂溶液。超声条件下，将氯化钙分散于去离子水中，形成0.1g/mL氯化钙溶液。
将36mL硼砂溶液和30mL氯化钙溶液在100℃下混合搅拌反应1h，得到硼酸钙浑浊液。
用去离子水和氧化石墨烯（GO）配成浓度为0.02g/mL的氧化石墨烯（GO）水溶液。
向硼酸钙浑浊液中滴加浓度为0.02g/mL的氧化石墨烯溶液100mL，50℃下搅拌0.5h后将混合体系转移至70℃的超声池超声处理2h，自然冷却后，以布氏漏斗过滤，将过滤取得的固相用去离子水洗涤4次，最后将反应物100℃下真空干燥6h，研磨后得到产物。
从图1的硼酸钙/氧化石墨烯复合微粒TEM照片可以看出：硼酸钙微粒均匀负载在氧化石墨烯片层上。
应用例3：称取60mg上述复合物抗磨剂通过砂磨机均匀分散于150SN基础油中，在负载为147N和转速为1200r/min的四球摩擦磨损试验机上进行摩擦学试验。结果显示摩擦系数和磨痕直径相比于基础油分别下降了46%和37%。
三、实例3：
制备工艺：超声条件下，将硼砂分散于去离子水中，形成0.1g/mL硼砂溶液。超声条件下，将氯化钙分散于去离子水中，形成0.1g/mL氯化钙溶液。
将36mL硼砂溶液和30mL氯化钙溶液在80℃下混合搅拌反应1h，得到硼酸钙浑浊液。
用去离子水和氧化石墨烯（GO）配成浓度为0.01g/mL的氧化石墨烯（GO）水溶液。
向硼酸钙浑浊液中滴加浓度为0.01g/mL的氧化石墨烯溶液120mL，70℃下搅拌0.5h后将混合体系转移至80℃的超声池超声处理3h，自然冷却后，以布氏漏斗过滤，将过滤取得的固相用去离子水洗涤5次，最后将反应物100℃下真空干燥8h，研磨后得到产物。
应用例4：称取60mg上述复合物抗磨剂通过砂磨机均匀分散于150SN基础油中，在负载为147N和转速为1200r/min的四球摩擦磨损试验机上进行摩擦学试验。结果显示摩擦系数和磨痕直径相比于基础油分别下降了44%和36%。

Claims (5)

1.一种硼酸钙/氧化石墨烯纳米复合润滑材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在超声条件下，分别将硼砂、氯化钙分散于去离子水中，形成硼砂溶液和氯化钙溶液，所述硼砂溶液的浓度为0.08～0.1g/mL，所述氯化钙溶液浓度为0.08～0.1g/mL；再在60～100℃温度条件下将硼砂溶液和氯化钙溶液混合进行反应，所述硼砂与氯化钙的混合质量比为1.1～1.3∶1，取得硼酸钙浑浊液；
2）向硼酸钙浑浊液中滴加浓度为0.01～0.02g/mL的氧化石墨烯水溶液，搅拌后将混合体系进行超声处理；
3）取超声处理后的体系经冷却、过滤，取固相，再进行洗涤、干燥、研磨，取得硼酸钙/氧化石墨烯纳米复合抗磨剂；所述洗涤溶剂为去离子水，洗涤次数为3～5次；
所述干燥为真空干燥，干燥温度为60～100℃，时间为5～8h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤2）中，硼酸钙浑浊液中硼酸钙与氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的投料质量比为8～10∶1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤2）中所述搅拌的温度条件为50～70℃，搅拌时间为0.5~1h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤2）中所述超声处理的温度条件为60～80℃，时间为1～3h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤3）中所述过滤为布氏漏斗过滤。
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