CN106566647A - 一种基于氧化石墨烯轧制用水基纳米润滑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于氧化石墨烯的轧制用水基纳米润滑剂，所述润滑剂由氧化石墨烯、氧化物纳米粉、聚磷酸盐、聚乙烯吡咯烷酮以及去离子水组成，其制备步骤为：先将聚磷酸盐加入到去离子水中完全溶解得到初级溶液；再将聚乙烯吡咯烷酮加入溶液中搅拌至澄清液体；加入氧化物纳米粉进行表面改性与分散；最后加入氧化石墨烯粉末并通过水浴超声波分散，防止氧化石墨烯和其他纳米粒子的团聚。本发明提供的润滑剂具有良好的稳定性和耐磨持久性，同时具有优异的润滑性能、冷却性能，并对基底的腐蚀性极低，而且因为形成的润滑膜吸附性强，附着性好，对轧辊表面的氧化有较强的抑制作用，在冷轧与热轧环境下均可达到较为优良的润滑效果。

Description

一种基于氧化石墨烯轧制用水基纳米润滑剂及其制备方法

技术领域

本发明属于轧制润滑领域，具体涉及一种基于氧化石墨烯轧制用水基纳米润滑剂及其制备方法。

背景技术

在钢材冷轧与热轧过程中，润滑是十分重要的环节。而传统润滑剂虽能满足生产工艺的基本要求，但在使用过程中润滑性能随温度升高下降较快，且易造成环境污染。轧制工艺水平的提高对环保型高性能润滑剂的需求也越来越大。

聚磷酸盐具有良好的润滑自适应性，同时与氧化铁皮发生摩擦化学反应，从而可形成兼具抗氧化、降低摩擦磨损以及改善接触表面质量的层状润滑膜结构；氧化物纳米粒子的作用机理是其在摩擦表面形成不同于金属的表面膜，即金属陶瓷颗粒的复合材料沉积膜，它具有与金属不同的表面特性，能提高表面硬度，具有自修复功能，降低表面粗糙度，由此改善了表面特性，尤其是抗粘着特性，从而降低了摩擦和磨损，提高了承载能力。但是，随着摩擦时间的延长，该类润滑剂的耐磨特性表现出逐渐减弱的趋势，这为此类润滑剂的工业应用提出了新的挑战。

氧化石墨烯在极端条件下的优异机械性能有望克服聚磷酸盐与氧化物纳米粒子润滑剂在高温条件下耐磨性逐渐降低的局限性，性质较石墨烯更活泼，并且更容易分散在水基溶液中。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于氧化石墨烯轧制用水基纳米润滑剂，所述润滑剂包括88％-93％去离子水、4％-6％聚磷酸盐、1％-2％聚乙烯吡咯烷酮、2％-4％氧化物纳米粉和0.01％-0.05％氧化石墨烯；

进一步地，所述氧化石墨烯的结构如下：

进一步地，所述聚磷酸盐包括六偏磷酸钠和六偏磷酸钾；

进一步地，所述氧化物纳米粉包括氧化硼和二氧化钛，所述氧化硼和二氧化钛颗粒直径规格为40nm，所述氧化硼和二氧化钛在加入溶液前经过表面改性；

进一步地，所述氧化石墨烯为颗粒直径为50nm的试剂级冷冻干燥单层氧化石墨烯；

进一步地，所述方法包括下述步骤：

1)先将聚磷酸盐加入到去离子水中完全溶解得到初级溶液；

2)再将聚乙烯吡咯烷酮加入溶液搅拌至澄清液体；

3)加入氧化物纳米粉并搅拌均匀；

4)将氧化石墨烯粉末加入溶液中并混合均匀；

5)水浴超声波分散来使氧化石墨烯完全分散，并防止其他纳米粒子的团聚，得到润滑剂成品；

进一步地，所述步骤1)中，在制备初级溶液时，温度控制在30±5℃；

进一步地，所述步骤2)中，加入聚乙烯吡咯烷酮时温度为40±5℃，搅拌30分钟；

进一步地，所述步骤3)中，加入氧化物纳米粉后的搅拌时间为30分钟；

进一步地，所述步骤5)中，水浴超声波时间为100分钟；

本发明的有益效果如下：

1)六偏磷酸钠或六偏磷酸钾在摩擦界面形成兼具抗氧化、降低摩擦磨损以及改善接触表面质量的层状润滑膜结构。特别的，含聚磷酸盐润滑剂的抗磨减摩性能，与传统润滑剂相比，摩擦系数可大幅减小。这是由于在摩擦过程中，聚磷酸盐表现出了自适应的承载能力、温度适应能力及降低摩擦磨损能力；

2)氧化硼和二氧化钛纳米粒子作为纳米润滑添加剂，作用机理是其在摩擦表面形成不同于金属的表面膜，即形成金属陶瓷颗粒的复合材料沉积膜，它具有与金属不同的表面特性，能提高表面硬度，具有自修复功能，降低表面粗糙度，由此改善表面特性，尤其是抗粘着特性，从而降低摩擦和磨损，提高承载能力。此外，氧化物纳米粒子作为润滑添加剂具有较高的稳定性和减摩抗磨能力。；

3)氧化石墨烯的加入作为强化剂使聚磷酸盐和氧化物纳米粉能够更加持久地发挥作用，经过相当长时间的周擦周期，在摩擦界面处依然能够存留有效的润滑膜；

4)此基于氧化石墨烯的轧制用水基纳米润滑剂非常简单，易于实验室及工业化生产实现，且二氧化钛和石墨烯用量极微，极大的降低了润滑成本；

5)本发明对基底的腐蚀性很小，且对环境不会造成污染，是高效环保的绿色润滑剂。

附图说明

图1为干摩擦及添加实施例1-3所制备的润滑剂条件下，摩擦系数曲线图；

图2为干摩擦后的金属表面的电镜观察图；

图3为添加实施例1所制备的润滑剂条件下摩擦试验后的金属表面的电镜观察图；

图4为添加实施例2所制备的润滑剂条件下摩擦试验后的金属表面的电镜观察图；

图5为添加实施例3所制备的润滑剂条件下摩擦试验后的金属表面的电镜观察图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1-图5所示，本发明提供一种基于氧化石墨烯轧制用水基纳米润滑剂及其制备方法。

所述润滑剂包括88％-93％去离子水、4％-6％聚磷酸盐、1％-2％聚乙烯吡咯烷酮、2％-4％氧化物纳米粉和0.01％-0.05％氧化石墨烯，所述氧化石墨烯的结构如下：

所述聚磷酸盐包括六偏磷酸钠和六偏磷酸钾，所述氧化物纳米粉包括氧化硼和二氧化钛，所述氧化硼和二氧化钛颗粒直径规格为40nm，所述氧化硼和二氧化钛在加入溶液前经过表面改性，所述氧化石墨烯为颗粒直径为50nm的试剂级冷冻干燥单层氧化石墨烯。

一种基于氧化石墨烯轧制用水基纳米润滑剂的制备方法，所述方法包括下述步骤：

1)先将聚磷酸盐加入到去离子水中完全溶解得到初级溶液；

2)再将聚乙烯吡咯烷酮加入溶液搅拌至澄清液体；

3)加入氧化物纳米粉并搅拌均匀；

4)将氧化石墨烯粉末加入溶液中并混合均匀；

5)水浴超声波分散来使氧化石墨烯完全分散，并防止其他纳米粒子的团聚，得到润滑剂成品。

所述步骤1)中，在制备初级溶液时，温度控制在30±5℃，所述步骤2)中，加入聚乙烯吡咯烷酮时温度为40±5℃，搅拌30分钟，所述步骤3)中，加入氧化物纳米粉后的搅拌时间为30分钟，所述步骤5)中，水浴超声波时间为100分钟。

实施例1

步骤一：称取45.0g的六偏磷酸钠，加入915ml温度为30℃的恒温去离子水中，并搅拌均匀，得到初级溶液；

步骤二：将初级溶液升温至40℃，并保持恒温，取19.8g的聚乙烯吡咯烷酮加入其中，强力搅拌30分钟得到澄清液体；

步骤三：称取20.0g颗粒直径为40nm的经过表面改性的二氧化钛纳米粒子，强力搅拌30分钟使其均匀分散在上述溶液中；

步骤四：称取0.2g氧化石墨烯，加入上述溶液中，搅拌使氧化石墨烯分散均匀；

步骤五：水浴超声波分散100分钟来使氧化石墨烯完全分散，并防止纳米粒子进一步团聚，得到成品。

实施例2

步骤一：称取45.0g的六偏磷酸钠，加入895ml温度为30℃的恒温去离子水中，并搅拌均匀，得到初级溶液；

步骤二：将初级溶液升温至40℃，并保持恒温，取19.8g的聚乙烯吡咯烷酮加入其中，强力搅拌30分钟得到澄清液体；

步骤三：称取40.0g颗粒直径为40nm的经过表面改性的二氧化钛纳米粒子，强力搅拌30分钟使其均匀分散在上述溶液中；

步骤四：称取0.2g氧化石墨烯，加入上述溶液中，搅拌使氧化石墨烯分散均匀；

步骤五：水浴超声波分散100分钟来是氧化石墨烯完全分散，并防止纳米粒子进一步团聚，得到成品。

实施例3

步骤一：称取45.0g的六偏磷酸钠，加入895ml温度为30℃的恒温去离子水中，并搅拌均匀，得到初级溶液；

步骤二：将初级溶液升温至40℃，并保持恒温，取19.5g的聚乙烯吡咯烷酮加入其中，强力搅拌30分钟得到澄清液体；

步骤三：称取40.0g颗粒直径为40nm的经过表面改性的二氧化钛纳米粒子，强力搅拌30分钟使其均匀分散在上述溶液中；

步骤四：称取0.5g氧化石墨烯，加入上述溶液中，搅拌使氧化石墨烯分散均匀；

步骤五：水浴超声波分散100分钟来是氧化石墨烯完全分散，并防止纳米粒子进一步团聚，得到成品。

1.摩擦实验

实施例1-3中所制备的润滑剂的摩擦磨损性能均采用MM-W1A试验机进行检测。实验润滑条件分别为干摩擦(不添加任何润滑剂)及分别添加本发明实施例1-3中所制备的润滑剂。摩擦形式为盘-环旋转式摩擦。实验条件为主轴转速500rpm，试验力20N，材料为440C不锈钢，试验时间为30分钟，摩擦循环次数为15000次。实验前使用1000#砂纸对摩擦副接触表面进行打磨，保证不同润滑条件下初始表面相近。每组实验开始前用刮尺在盘、环接触部位滴加润滑剂2mL。

为直观表征实施例1-3润滑剂润滑效果，与干摩擦作对比，实验结果如图1-图5所示。

图1为干摩擦及添加实施例1-3所制备的润滑剂条件下，摩擦系数曲线图。与干摩擦相比，润滑剂的添加使摩擦系数均大幅降低。实施例1-3所制备的润滑条件下，平均摩擦系数分别降低66.73％(0.568→0.189)、71.13％(0.568→0.164)和76.06％(0.568→0.136)。这说明所发明润滑剂具有良好的润滑性能。并且实施例1ˉ3做制备的润滑剂中润滑性能最好的是实施例3所制备的润滑剂。

图2-图5为干摩擦及添加实施例1-3所制备的润滑剂条件下，摩擦实验后摩擦副表面的微观表征。图2是干摩擦后的金属表面，图3是添加实施例1所制备的润滑剂条件下摩擦试验后的金属表面，图5是添加实施例2所制备的润滑剂条件下摩擦试验后的金属表面，图5是添加实施例3所制备的润滑剂条件下摩擦试验后的金属表面。

对比显微图片可以直观看出，添加润滑剂条件下，摩擦副表面较干摩擦条件下更加平整，磨痕也更窄和浅，并且实施例1-3所制备的润滑剂均具有很好的附着性。由此可得，此基于氧化石墨烯的轧制用水基纳米润滑剂的添加可以有效改善摩擦副表面形貌，并降低磨损。并且实施例1-3做制备的润滑剂中降低磨损最有效的是实施例3所制备的润滑剂。

2.钢板轧制实验

使用小型实验用轧机进行钢板的轧制实验，钢板为无取向硅钢，厚度3mm，压下率为35％，实验条件如下：

1)不使用润滑剂；

2)使用普通水基轧制液，添加速率为50ml/min；

3)使用实施例1所制备的润滑剂啊，添加速率50ml/min；

4)使用实施例2所制备的润滑剂啊，添加速率50ml/min；

5)使用实施例3所制备的润滑剂啊，添加速率50ml/min。

待实验结束后分析实验结果可得：不使用润滑剂条件下，经过轧制的钢板表面质量很差，出现了严重的氧化与裂纹；使用了一般水基轧制液后，钢板表面质量有所改善，但仍有裂纹出现；而在使用了实施例1ˉ3所制备的润滑剂后，钢板表面质量良好，并且其中实施例3所制备的润滑剂使用后，对钢板表面质量的改善效果是最好的。上述结果表明，所发明的基于氧化石墨烯的轧制用水基纳米润滑剂具有较一般轧制液更加优良的润滑、抗氧化性能。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于氧化石墨烯轧制用水基纳米润滑剂，其特征在于，所述润滑剂包括88％-93％去离子水、4％-6％聚磷酸盐、1％-2％聚乙烯吡咯烷酮、2％-4％氧化物纳米粉和0.01％-0.05％氧化石墨烯。

2.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述氧化石墨烯的结构如下：

3.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述聚磷酸盐包括六偏磷酸钠和六偏磷酸钾。

4.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述氧化物纳米粉包括氧化硼和二氧化钛，所述氧化硼和二氧化钛颗粒直径规格为40nm，所述氧化硼和二氧化钛在加入溶液前经过表面改性。

5.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述氧化石墨烯为颗粒直径为50nm的试剂级冷冻干燥单层氧化石墨烯。

6.一种基于氧化石墨烯轧制用水基纳米润滑剂的制备方法，基于上述权利要求1-5之一所述的润滑剂，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

1)先将聚磷酸盐加入到去离子水中完全溶解得到初级溶液；

2)再将聚乙烯吡咯烷酮加入溶液搅拌至澄清液体；

3)加入氧化物纳米粉并搅拌均匀；

4)将氧化石墨烯粉末加入溶液中并混合均匀；

5)水浴超声波分散来使氧化石墨烯完全分散，并防止其他纳米粒子的团聚，得到润滑剂成品。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，在制备初级溶液时，温度控制在30±5℃。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，加入聚乙烯吡咯烷酮时温度为40±5℃，搅拌30分钟。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，加入氧化物纳米粉后的搅拌时间为30分钟。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中，水浴超声波时间为100分钟。