CN106701251A - 氧化石墨烯润滑剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化石墨烯润滑剂及其制备方法，首先以石墨为基础与浓硝酸、硫酸钠、高锰酸钾反应，再加入双氧水、丁胺、高碱值烷基水杨酸钙，采用调节pH值的方法，得到有利于下步良好反应的氧化石墨烯，然后与五硫化二磷、辛醇、叔碳伯胺反应，采取两步分压减压法，从而制成具有良好油溶性和极佳抗磨性的氧化石墨烯润滑剂。生产方法简单、成本低、油溶性好、产率高。

Description

氧化石墨烯润滑剂及其制备方法
技术领域
本发明属于化学合成领域，具体地说涉及一种油溶性氧化石墨烯润滑剂及其制备方法。
背景技术
2014年美国能源部Argonne National Laboratory将二维材料单原子厚度的石墨烯应用到钢球和钢磁盘中。他们发现的单层石墨烯可以持续了超过6500个“磨损周期”，大幅改善传统如石墨或二硫化钼润滑剂。相比之下，1000层传统石墨的润滑油只能持续大约1000个磨损周期。
石墨烯层间的纳米摩擦力主要取决于石墨烯层间的晶格公度性。其中，非公度形成堆栈的石墨烯层间滑动摩擦力非常小，甚至出现超润滑现象。某些文献提出在“真空”条件下，摩擦力及摩擦系数随层数增加而减小，至七层以后摩擦力在误差范围内不再变化，其摩擦系数趋向于零。基本上就是因为层数增加，与基底的相互作用逐步减弱，被磨掉的原因。
层数较少有较好的耐磨性质，但摩擦系数却是越多层越小。一般而言缺陷的引入将增加其公度性，从而增加层间摩擦力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种生产方法简单、成本低、油溶性好、产率高的氧化石墨烯润滑剂及其制备方法，该添加剂是一种油溶性氧化石墨烯润滑剂，是润滑油特别是内燃机发动机用润滑油的摩擦改进剂、抗磨剂和抗氧剂，节油效果显著。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种氧化石墨烯润滑剂的制备方法，步骤如下：
1)氧化石墨烯的合成
将石墨粉和浓硝酸置于容器中，搅拌均匀，加入硫酸钠和高锰酸钾于90℃～100℃真空的条件下反应2～3小时，加入双氧水、丁胺，调整PH值＝6，继续搅拌20分钟，加入高碱值烷基水杨酸钙，搅拌，在温度为100～120℃继续反应3～4小时，降温，得到褐色氧化石墨烯混合物；
2)氧化石墨烯润滑剂的合成
将上述制备的氧化石墨烯混合物与五硫化二磷、丁醇混合，搅拌均匀后在温度100～120℃、压力0.1MPa条件下，反应4～5小时；冷却到40～50℃，加入叔碳伯胺，调高温度200～210℃，压力不变条件下继续反应3～4小时，然后降温到100℃，抽真空至压力到0.1MPa；最后过滤，得到黄色氧化石墨烯润滑剂。
所述步骤(1)中石墨粉:浓硝酸:硫酸钠:高锰酸钾:双氧水:丁胺:高碱值烷基水杨酸钙的质量比＝1：10～14：10～14：5～7:5～7：20～25:20～25。
所述步骤(2)中氧化石墨烯、五硫化二磷、丁醇、叔碳伯胺的质量比是：1：2～3：20～25：20～25。
优选，所述步骤(1)中石墨粉:浓硝酸:硫酸钠:高锰酸钾:双氧水:丁胺:高碱值烷基水杨酸钙的质量比＝1：10：10：5:5：20:20。
优选，所述步骤(1)中石墨烯、五硫化二磷、丁醇、叔碳伯胺的质量比是：1：2：20：20。
上述的制备方法制得的氧化石墨烯润滑剂。
本发明的有益效果是：制得的氧化石墨烯润滑剂，是润滑油特别是内燃机发动机用润滑油的摩擦改进剂、抗磨剂和抗氧剂，减摩、节油效果显著，由于低硫、低磷、不含氯，该添加剂还具有节能环保的优点。生产方法简单、成本低、油溶性好、产率高。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本发明的氧化石墨烯润滑剂的制备方法，步骤如下：
1)氧化石墨烯的合成
将石墨粉和浓硝酸置于容器中，搅拌均匀，加入硫酸钠和高锰酸钾于90℃～100℃真空的条件下反应2～3小时，加入双氧水、丁胺，调整PH值＝6，继续搅拌20分钟，加入高碱值烷基水杨酸钙，搅拌，在温度为100～120℃继续反应3～4小时，降温，得到褐色氧化石墨烯混合物；
2)氧化石墨烯润滑剂的合成
将上述制备的氧化石墨烯混合物与五硫化二磷、丁醇混合，搅拌均匀后在温度100～120℃、压力0.1MPa条件下，反应4～5小时；冷却到40～50℃，加入叔碳伯胺，调高温度200～210℃，压力不变条件下继续反应3～4小时，然后降温到100℃，抽真空至压力到0.1MPa；最后过滤，得到黄色氧化石墨烯润滑剂。
所述步骤(1)中石墨粉:浓硝酸:硫酸钠:高锰酸钾:双氧水:丁胺:高碱值烷基水杨酸钙的质量比＝1：10～14：10～14：5～7:5～7：20～25:20～25。
所述步骤(2)中氧化石墨烯、五硫化二磷、丁醇、叔碳伯胺的质量比是：1：2～3：20～25：20～25。
优选，所述步骤(1)中石墨粉:浓硝酸:硫酸钠:高锰酸钾:双氧水:丁胺:高碱值烷基水杨酸钙的质量比＝1：10：10：5:5：20:20。
优选，所述步骤(1)中石墨烯、五硫化二磷、丁醇、叔碳伯胺的质量比是：1：2：20：20。
上述的制备方法制得的氧化石墨烯润滑剂。
本发明是把石墨烯先进行极性修饰氧化然后和长链胺有效配合；经过修饰后的石墨烯，它的表面能大大降低，并且形成单分子吸附层和多分子结构层，在高温和压力作用下，多层结构会分解，减少摩擦系数，同时分解后的单层分子层发挥出较好的耐磨特性。
氧化石墨烯润滑剂以液态形式溶于各种润滑油中，最小摩擦系数可减小到0.0187；能够显著提高润滑油的成膜和承载能力。在润滑部件正常工况下，在摩擦表面形成一种具有减摩、抗磨作用的物理、化学吸附膜，这种吸附膜即为滑动摩擦；更近一层保护发动机。
本发明的氧化石墨烯润滑剂，是离子型的液态化合物，油溶性好，永远不会沉淀。而且低硫低磷无氯，加剂量小、性能高，是一种不可多得的环保润滑剂。目前国内甚至国外的石墨烯润滑剂都是固态纳米型的，用分散剂分散到润滑油中，时间长了会沉淀下来。实验数据表明，发动机油中加入这种1％的氧化石墨烯润滑剂，摩擦系数可以降低到0.0115以下(常规发动机油的摩擦系数是0.08以上)，四球机40公斤力60分钟长摩实验，磨斑直径只有0.33mm(常规发动机油的磨斑直径是0.50左右)。所以使用氧化石墨烯润滑剂可以达到如下效果：
1、减小摩擦系数：可以降低90％以上。
2、节省燃油：可以节油10％以上。
3、有效保护发动机。
实施例1
1)氧化石墨烯的合成
将石墨粉和浓硝酸置于容器中，搅拌均匀，然后加入硫酸钠和高锰酸钾于100℃真空(压力＝0.10MPa)的条件下反应2小时，然后加入双氧水、丁胺，调整PH值＝6，继续搅拌20分钟，然后加入高碱值烷基水杨酸钙，搅拌，在温度为120℃继续反应3小时，降温，得到褐色氧化石墨烯混合物；按质量比，石墨粉:浓硝酸:硫酸钠:高锰酸钾:双氧水:丁胺:高碱值烷基水杨酸钙的质量比＝1：10：10：5:5：20:20。
2)氧化石墨烯润滑剂的合成
将上述制备的氧化石墨烯混合物5克与五硫化二磷10克、丁醇100克混合，搅拌均匀后在温度100℃、压力0.1MPa条件下，反应4小时；冷却到40℃，加入叔碳伯胺100克，调高温度200℃，压力不变条件下继续反应3小时，然后降温到100℃，抽真空至压力到0.1MPa；最后过滤，得到黄色氧化石墨烯润滑剂。
产品的减摩抗磨性和承载能力的考察：利用四球机测定，设定载荷(温度25℃，负荷392N，速度1200R/min，时间60min)下的极压和减摩抗磨性能，四球试验所用的钢球为直径12.7mm的GCR钢球，试验表明产品具有良好的极压和减摩抗磨性能。通过对比，直接采用润滑油，磨斑直径达到0.8mm。API SN5W/40润滑油中添加1％(重量)本实施例制备产品，磨斑直径达到0.33mm，摩擦系数0.0117。
实施例2
1)氧化石墨烯的合成
将石墨粉和浓硝酸置于容器中，搅拌均匀，然后加入硫酸钠和高锰酸钾于90℃真空(压力＝0.10MPa)的条件下反应3小时，然后加入双氧水、丁胺，调整PH值＝6，继续搅拌20分钟，然后加入高碱值烷基水杨酸钙，搅拌，在温度为110℃继续反应4小时，降温，得到褐色氧化石墨烯混合物；按质量比，石墨粉:浓硝酸:硫酸钠:高锰酸钾:双氧水:丁胺:高碱值烷基水杨酸钙的质量比＝1：14：14：7:7：25:25。
2)氧化石墨烯润滑剂的合成
将上述制备的氧化石墨烯混合物10克与五硫化二磷25克、丁醇250克混合，搅拌均匀后在温度120℃、压力0.1MPa条件下，反应5小时；冷却到40℃，加入叔碳伯胺250克，调高温度210℃，压力不变条件下继续反应4小时，然后降温到100℃，抽真空至压力到0.1MPa；最后过滤，得到黄色氧化石墨烯润滑剂。
产品的减摩抗磨性和承载能力的考察：利用四球机测定，设定载荷(温度25℃，负荷392N，速度1200R/min，时间60min)下的极压和减摩抗磨性能，四球试验所用的钢球为直径12.7mm的GCR钢球，试验表明产品具有良好的极压和减摩抗磨性能。通过对比，直接采用润滑油，磨斑直径达到0.8mm。API SN5W/40润滑油中添加1％(重量)本实施例制备产品，磨斑直径达到0.31mm，摩擦系数0.0127。
实施例3
1)氧化石墨烯的合成
将石墨粉和浓硝酸置于容器中，搅拌均匀，然后加入硫酸钠和高锰酸钾于95℃真空(压力＝0.10MPa)的条件下反应2.5小时，然后加入双氧水、丁胺，调整PH值＝6，继续搅拌20分钟，然后加入高碱值烷基水杨酸钙，搅拌，在温度为105℃继续反应3.5小时，降温，得到褐色氧化石墨烯混合物；按质量比，石墨粉:浓硝酸:硫酸钠:高锰酸钾:双氧水:丁胺:高碱值烷基水杨酸钙的质量比＝1：12：12：6:6：21:21。
2)氧化石墨烯润滑剂的合成
将上述制备的氧化石墨烯混合物8克与五硫化二磷20克、丁醇180克混合，搅拌均匀后在温度110℃、压力0.1MPa条件下，反应4.5小时；冷却到40℃，加入叔碳伯胺180克，调高温度208℃，压力不变条件下继续反应3.5小时，然后降温到100℃，抽真空至压力到0.1MPa；最后过滤，得到黄色氧化石墨烯润滑剂。
产品的减摩抗磨性和承载能力的考察：利用四球机测定，设定载荷(温度25℃，负荷392N，速度1200R/min，时间60min)下的极压和减摩抗磨性能，四球试验所用的钢球为直径12.7mm的GCR钢球，试验表明产品具有良好的极压和减摩抗磨性能。通过对比，直接采用润滑油，磨斑直径达到0.8mm。API SN5W/40润滑油中添加1％(重量)本实施例制备产品，磨斑直径达到0.35mm，摩擦系数0.0121。
实施例4
1)氧化石墨烯的合成
将石墨粉和浓硝酸置于容器中，搅拌均匀，然后加入硫酸钠和高锰酸钾于97℃真空(压力＝0.10MPa)的条件下反应2.5小时，然后加入双氧水、丁胺，调整PH值＝6，继续搅拌20分钟，然后加入高碱值烷基水杨酸钙，搅拌，在温度为100℃继续反应4小时，降温，得到褐色氧化石墨烯混合物；按质量比，石墨粉:浓硝酸:硫酸钠:高锰酸钾:双氧水:丁胺:高碱值烷基水杨酸钙＝1：11：11：5.5:5.5：23:23。
2)氧化石墨烯润滑剂的合成
将上述制备的氧化石墨烯混合物20克与五硫化二磷45克、丁醇460克混合，搅拌均匀后在温度120℃、压力0.1MPa条件下，反应5小时；冷却到40℃，加入叔碳伯胺450克，调高温度202℃，压力不变条件下继续反应3小时，然后降温到100℃，抽真空至压力到0.1MPa；最后过滤，得到黄色氧化石墨烯润滑剂。
产品的减摩抗磨性和承载能力的考察：利用四球机测定，设定载荷(温度25℃，负荷392N，速度1200R/min，时间60min)下的极压和减摩抗磨性能，四球试验所用的钢球为直径12.7mm的GCR钢球，试验表明产品具有良好的极压和减摩抗磨性能。通过对比，直接采用润滑油，磨斑直径达到0.8mm。API SN5W/40润滑油中添加1％(重量)本实施例制备产品，磨斑直径达到0.30mm，摩擦系数0.0119。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氧化石墨烯润滑剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)氧化石墨烯的合成
将石墨粉和浓硝酸置于容器中，搅拌均匀，加入硫酸钠和高锰酸钾于90℃～100℃真空的条件下反应2～3小时，加入双氧水、丁胺，调整PH值＝6，继续搅拌20分钟，加入高碱值烷基水杨酸钙，搅拌，在温度为100～120℃继续反应3～4小时，降温，得到褐色氧化石墨烯混合物；
2)氧化石墨烯润滑剂的合成
将上述制备的氧化石墨烯混合物与五硫化二磷、丁醇混合，搅拌均匀后在温度100～120℃、压力0.1MPa条件下，反应4～5小时；冷却到40～50℃，加入叔碳伯胺，调高温度200～210℃，压力不变条件下继续反应3～4小时，然后降温到100℃，抽真空至压力到0.1MPa；最后过滤，得到黄色氧化石墨烯润滑剂。
2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯润滑剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中石墨粉:浓硝酸:硫酸钠:高锰酸钾:双氧水:丁胺:高碱值烷基水杨酸钙的质量比＝1：10～14：10～14：5～7:5～7：20～25:20～25。
3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯润滑剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中氧化石墨烯、五硫化二磷、丁醇、叔碳伯胺的质量比是：1：2～3：20～25：20～25。
4.根据权利要求2所述的氧化石墨烯润滑剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中石墨粉:浓硝酸:硫酸钠:高锰酸钾:双氧水:丁胺:高碱值烷基水杨酸钙的质量比＝1：10：10：5:5：20:20。
5.根据权利要求3所述的氧化石墨烯润滑剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中石墨烯、五硫化二磷、丁醇、叔碳伯胺的质量比是：1：2：20：20。
6.权利要求1-5任一项所述的制备方法制得的氧化石墨烯润滑剂。
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