CN107177399A - 一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺 - Google Patents
一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，它涉及石墨烯制备及润滑油技术领域。它的制备步骤为：以氯化钠晶体作为模板，首先制备得到生物质包覆的氯化钠晶体复合物，然后经过高温碳化，得到石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体纳米片，最后除去氯化钠晶体模板，即可获得高品质的石墨烯纳米片，将制备的石墨烯纳米片进行简单表面处理后，与所选基础油物理混合，超声即可得到石墨烯润滑油添加剂。本发明生产工艺安全简单，成本低廉，绿色环保，制备的石墨烯润滑油添加剂分散性好，稳定性高，抗磨性好，改善润滑油的抗磨效果，提升机械设备抗磨性能和承载性能，增加械设备的正常运行寿命。
Description
技术领域
本发明涉及的是石墨烯制备及润滑油技术领域，具体涉及一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺。
背景技术
伴随经济的高速发展，机械设备在社会中的应用越来越广泛，众所周知，任何机械设备的运转都存在摩擦与磨损，长时间的摩擦会对机械设备造成不可逆的伤害，在降低机械寿命的同时也会增加能耗。为保证设备能够长久的正常运行，一般都需要在运动的零部件间添加润滑油，从而降低摩擦系数，增加抗磨性，然而，普通润滑油在高速摩擦产生的高温作用下容易发生氧化，油膜会发生破损，润滑油稳定性变差，积碳和油泥会不断增多，从而导致润滑油耐磨性显著降低；相反，高品质润滑油价格昂贵，不易大范围推广使用，因此低成本耐抗磨的润滑油添加剂具有广泛的研究意义。
石墨烯作为新型的二维纳米材料，热稳定性高，摩擦系数低，表面易改性，具有传统润滑油不可比拟的润滑特性，然而目前石墨烯的制备工艺复杂多数较为复杂，尤其是石墨烯粉体不易得到，固液分离难，生产成本高。因此，开发低沉本石墨烯粉体制备技术，以石墨烯作为添加剂，调控石墨烯表面极性，获得高稳定性的石墨烯润滑油添加剂是解决传统润滑油性能差问题的关键。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，生产工艺安全简单，成本低廉，绿色环保，改善润滑油的抗磨效果，提升机械设备抗磨性能和承载性能，增加械设备的正常运行寿命，易于推广使用。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其制备步骤为：
(1)以氯化钠晶体作为模板，生物质碳源为碳源前驱体，将氯化钠晶体与碳源的混合水溶液烘干后，研磨成细小的粉末，得到生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物；
(2)将所得的生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物高温碳化，得到石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物；
(3)将石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物倒入离心管中，加水，超声，离心洗涤，除去氯化钠晶体模板，然后烘干，即可获得高品质的石墨烯纳米片粉体；
(4)将石墨烯纳米片粉体加入到硫酸-硝酸混酸体系中，超声一定时间，然后用水离心洗涤多次，干燥，即可得到表面改性的石墨烯粉体；
(5)将所得的表面改性石墨烯纳米片粉体加入到润滑油基础油中，超声一定时间，即可得到高浓度高稳定性石墨烯润滑油添加剂。
作为优选，所述步骤(1)中氯化钠晶体的量应远高于生物质碳源的量，其质量配比如下：生物质碳源0.01-2份，氯化钠98-99.9份，石墨烯厚度为1-100纳米；生物质碳源采用葡萄糖、柠檬酸、酒石酸、蔗糖、果糖等。
作为优选，所述步骤(2)中生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物高温碳化的碳化温度为400-800℃，碳化时间为30分钟-2小时，碳化氛围为氮气或氩气氛围，升温速率为1度/分钟-30度/分钟。
作为优选，所述步骤(3)中加水超声离心洗涤次数不少于3次，烘干温度为30-100度。
作为优选，所述步骤(4)中硫酸-硝酸混酸体积比为1：3至3：1，混酸超声处理时间不低于5 min，混酸与石墨烯质量配比为：混酸80-99.9份，石墨烯20-0.1份，改性石墨烯粉体烘干温度为30-100度。
作为优选，所述步骤(5)中润滑油基础油为矿物油或合成油，石墨烯在润滑油中超声时间不低于5分钟，润滑油与石墨烯质量配比为：润滑油80-99.995份，石墨烯20-0.005份。
本发明的有益效果：(1)提供了一种简单、绿色、环保、高品质石墨烯粉体制备技术，以氯化钠晶体为模板，生物质碳源为前驱体，生产工艺安全简单，成本低廉，为石墨烯的粉体制备技术提供了新的选择方案。
(2)通过对石墨烯进行表面改性，解决了石墨烯在润滑中分散难、稳定性低等技术难题，所制备的石墨烯润滑油添加剂分散性更好，稳定性更高。
(3)将制备的表面改性石墨烯添加至润滑油基础油中，可有效改善润滑油的抗磨效果，提升机械设备抗磨性能和承载性能，增加械设备的正常运行寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的制备流程图；
图2为本发明所得的石墨烯表面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1-2，本具体实施方式采用以下技术方案：一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其制备步骤为：
(1)以氯化钠晶体作为模板，生物质碳源为碳源前驱体，将氯化钠晶体与碳源的混合水溶液烘干后，研磨成细小的粉末，得到生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物；
(2)将所得的生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物高温碳化，得到石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物；
(3)将石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物倒入离心管中，加水，超声，离心洗涤，除去氯化钠晶体模板，然后烘干，即可获得高品质的石墨烯纳米片粉体；
(4)将石墨烯纳米片粉体加入到硫酸-硝酸混酸体系中，超声一定时间，然后用水离心洗涤多次，干燥，即可得到表面改性的石墨烯粉体；
(5)将所得的表面改性石墨烯纳米片粉体加入到润滑油基础油中，超声一定时间，即可得到高浓度高稳定性石墨烯润滑油添加剂。
值得注意的是，所述步骤(1)中氯化钠晶体的量应远高于生物质碳源的量，其质量配比如下：生物质碳源0.01-2份，氯化钠98-99.9份，石墨烯厚度为1-100纳米；生物质碳源采用葡萄糖、柠檬酸、酒石酸、蔗糖、果糖等。
所述步骤(2)中生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物高温碳化的碳化温度为400-800℃，碳化时间为30分钟-2小时，碳化氛围为氮气或氩气氛围，升温速率为1度/分钟-30度/分钟。
所述步骤(3)中加水超声离心洗涤次数不少于3次，烘干温度为30-100度。
所述步骤(4)中硫酸-硝酸混酸体积比为1：3至3：1，混酸超声处理时间不低于5min，混酸与石墨烯质量配比为：混酸80-99.9份，石墨烯20-0.1份，改性石墨烯粉体烘干温度为30-100度。
此外，所述步骤(5)中润滑油基础油为矿物油或合成油，石墨烯在润滑油中超声时间不低于5分钟，润滑油与石墨烯质量配比为：润滑油80-99.995份，石墨烯20-0.005份。
本具体实施方式针对目前市面上石墨烯制备工艺复杂、固液分离难、石墨烯粉体不易得到、生产成本高等问题，提出了一种以立方晶体氯化钠作为模板，以生物质碳源葡萄糖、蔗糖、柠檬酸等为前驱体，利用立方晶体氯化钠的平面支撑作用，首先制备得到生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物，然后经过高温碳化，得到石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体，最后水洗除去氯化钠晶体模板，即可获得高品质的石墨烯纳米片。该工艺所用氯化钠晶体模板可回收利用，生物质碳源利用率高，石墨烯粉体分离容易，是一种低成本，绿色环保，高质量石墨烯粉体的制备技术。石墨烯粉体制备技术步骤如图1所示，所获得的石墨烯表面结构如图2所示，可以看到制备的石墨烯呈薄片状。
针对石墨烯在润滑中分散难、稳定性差等问题，本具体实施方式提出了一种生物质衍生石墨烯的表面改性方法，显著增加了石墨烯在润滑油中的稳定性，为了实现上述目的，本工艺采用以下技术方案：将一定量的石墨烯粉体加入到硫酸-硝酸混酸体系中，超声一定时间，然后用水离心洗涤多次，干燥，即可得到表面改性的石墨烯粉体，通过控制超声时间，可控制石墨烯粉体表面的氧化程度。
对传统润滑油在高速摩擦产生的高温作用下容易发生氧化，油膜会发生破损，润滑油稳定性变差，积碳和油泥会不断增多，从而导致耐磨性显著降低等问题，本具体实施方式提出了一种高浓度、高稳定性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，相比于单纯的基础润滑油，加入本工艺制备的石墨烯润滑油添加剂后，基础润滑油的抗磨性提升明显，磨斑直径显著降低，为了实现上述目的，本工艺采用以下技术方案：将一定量的改性石墨烯粉体加入到润滑油基础油中，超声一定时间，即可得到高稳定性高抗磨性石墨烯润滑油添加剂。
实施例1：一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其制备步骤为：
(1)以氯化钠晶体作为模板，柠檬酸为碳源前驱体，其中柠檬酸0.025份，氯化钠99.75份，将氯化钠晶体与碳源的混合水溶液烘干后，研磨成细小的粉末，得到生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物，石墨烯厚度为20纳米；
(2)将所得的生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物高温碳化，碳化温度为750摄氏度，碳化时间为2小时，碳化氛围为氩气氛围，升温速率为5度/分钟，得到石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物；
(3)将石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物倒入离心管中，加水，超声，加水超声离心洗涤次数为5次，离心洗涤，离心速度为7000转/分钟，除去氯化钠晶体模板，然后烘干，烘干温度为80度，即可获得高品质的石墨烯纳米片粉体；
(4)将石墨烯纳米片粉体加入到混酸体积比为3：1的硫酸-硝酸混酸体系中，混酸与石墨烯质量配比为：混酸95份，石墨烯5份，超声10分钟，然后用水离心洗涤多次，干燥，烘干温度为80度，即可得到表面改性的石墨烯粉体；
(5)将所得表面改性石墨烯纳米片粉体加入到矿物油中，矿物油与石墨烯质量配比为：矿物油99.9份，石墨烯0.1份，超声30分钟，即可得到高浓度高稳定性石墨烯润滑油添加剂。
实施例2：一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其制备步骤为：
(1)以氯化钠晶体作为模板，葡萄糖为碳源前驱体，其中葡萄糖0. 5份，氯化钠99.8份，将氯化钠晶体与碳源的混合水溶液烘干后，研磨成细小的粉末，得到生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物，石墨烯厚度为50纳米；
(2)将所得的生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物高温碳化，碳化温度为650摄氏度，碳化时间为2小时，碳化氛围为氩气氛围，升温速率为6度/分钟，得到石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物；
(3)将石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物倒入离心管中，加水，超声，加水超声离心洗涤次数为5次，离心洗涤，离心速度为6000转/分钟，除去氯化钠晶体模板，然后烘干，烘干温度为70度，即可获得高品质的石墨烯纳米片粉体；
(4)将石墨烯纳米片粉体加入到混酸体积比为2：1的硫酸-硝酸混酸体系中，混酸与石墨烯质量配比为：混酸92份，石墨烯6份，超声20分钟，然后用水离心洗涤多次，干燥，烘干温度为70度，即可得到表面改性的石墨烯粉体；
(5)将所得表面改性石墨烯纳米片粉体加入到合成油中，合成油与石墨烯质量配比为：合成油95份，石墨烯0.2份，超声40分钟，即可得到高浓度高稳定性石墨烯润滑油添加剂。
实施例3：一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其制备步骤为：
(1)以氯化钠晶体作为模板，酒石酸为碳源前驱体，其中酒石酸0.075份，氯化钠99份，将氯化钠晶体与碳源的混合水溶液烘干后，研磨成细小的粉末，得到生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物，石墨烯厚度为66纳米；
(2)将所得的生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物高温碳化，碳化温度为600摄氏度，碳化时间为1.5小时，碳化氛围为氩气氛围，升温速率为10度/分钟，得到石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物；
(3)将石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物倒入离心管中，加水，超声，加水超声离心洗涤次数为10次，离心洗涤，离心速度为10000转/分钟，除去氯化钠晶体模板，然后烘干，烘干温度为90度，即可获得高品质的石墨烯纳米片粉体；
(4)将石墨烯纳米片粉体加入到混酸体积比为1：1的硫酸-硝酸混酸体系中，混酸与石墨烯质量配比为：混酸99份，石墨烯10份，超声60分钟，然后用水离心洗涤多次，干燥，烘干温度为90度，即可得到表面改性的石墨烯粉体；
(5)将所得表面改性石墨烯纳米片粉体加入到矿物油中，矿物油与石墨烯质量配比为：矿物油95份，石墨烯5份，超声55分钟，即可得到高浓度高稳定性石墨烯润滑油添加剂。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定 。
Claims (10)
1.一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其特征在于，其制备步骤为：
(1)以氯化钠晶体作为模板，生物质碳源为碳源前驱体，将氯化钠晶体与碳源的混合水溶液烘干后，研磨成细小的粉末，得到生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物；
(2)将所得的生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物高温碳化，得到石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物；
(3)将石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物倒入离心管中，加水，超声，离心洗涤，除去氯化钠晶体模板，然后烘干，即可获得高品质的石墨烯纳米片粉体；
(4)将石墨烯纳米片粉体加入到硫酸-硝酸混酸体系中，超声一定时间，然后用水离心洗涤多次，干燥，即可得到表面改性的石墨烯粉体；
(5)将所得的表面改性石墨烯纳米片粉体加入到润滑油基础油中，超声一定时间，即可得到高浓度高稳定性石墨烯润滑油添加剂。
2.根据权利要求1所述的一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其特征在于，所述步骤(1)中氯化钠晶体的量高于生物质碳源的量，其质量配比如下：生物质碳源0.01-2份，氯化钠98-99.9份，石墨烯厚度为1-100纳米。
3.根据权利要求1所述的一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其特征在于，所述步骤(1)中生物质碳源采用葡萄糖、柠檬酸、酒石酸、蔗糖、果糖等。
4.根据权利要求1所述的一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其特征在于，所述步骤(2)中生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物高温碳化的碳化温度为400-800℃，碳化时间为30分钟-2小时，碳化氛围为氮气或氩气氛围，升温速率为1度/分钟-30度/分钟。
5.根据权利要求1所述的一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其特征在于，所述步骤(3)中加水超声离心洗涤次数不少于3次，烘干温度为30-100度。
6.根据权利要求1所述的一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其特征在于，所述步骤(4)中硫酸-硝酸混酸体积比为1：3至3：1，混酸超声处理时间不低于5min，混酸与石墨烯质量配比为：混酸80-99.9份，石墨烯20-0.1份，改性石墨烯粉体烘干温度为30-100度。
7.根据权利要求1所述的一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其特征在于，所述步骤(5)中润滑油基础油为矿物油或合成油，石墨烯在润滑油中超声时间不低于5分钟，润滑油与石墨烯质量配比为：润滑油80-99.995份，石墨烯20-0.005份。
8.根据权利要求1所述的一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其特征在于，其制备步骤为：
(1)以氯化钠晶体作为模板，柠檬酸为碳源前驱体，其中柠檬酸0.025份，氯化钠99.75份，将氯化钠晶体与碳源的混合水溶液烘干后，研磨成细小的粉末，得到生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物，石墨烯厚度为20纳米；
(2)将所得的生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物高温碳化，碳化温度为750摄氏度，碳化时间为2小时，碳化氛围为氩气氛围，升温速率为5度/分钟，得到石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物；
(3)将石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物倒入离心管中，加水，超声，加水超声离心洗涤次数为5次，离心洗涤，离心速度为7000转/分钟，除去氯化钠晶体模板，然后烘干，烘干温度为80度，即可获得高品质的石墨烯纳米片粉体；
(4)将石墨烯纳米片粉体加入到混酸体积比为3：1的硫酸-硝酸混酸体系中，混酸与石墨烯质量配比为：混酸95份，石墨烯5份，超声10分钟，然后用水离心洗涤多次，干燥，烘干温度为80度，即可得到表面改性的石墨烯粉体；
(5)将所得表面改性石墨烯纳米片粉体加入到矿物油中，矿物油与石墨烯质量配比为：矿物油99.9份，石墨烯0.1份，超声30分钟，即可得到高浓度高稳定性石墨烯润滑油添加剂。
9.根据权利要求1所述的一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其特征在于，其制备步骤为：
(1)以氯化钠晶体作为模板，葡萄糖为碳源前驱体，其中葡萄糖0. 5份，氯化钠99.8份，将氯化钠晶体与碳源的混合水溶液烘干后，研磨成细小的粉末，得到生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物，石墨烯厚度为50纳米；
(2)将所得的生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物高温碳化，碳化温度为650摄氏度，碳化时间为2小时，碳化氛围为氩气氛围，升温速率为6度/分钟，得到石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物；
(3)将石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物倒入离心管中，加水，超声，加水超声离心洗涤次数为5次，离心洗涤，离心速度为6000转/分钟，除去氯化钠晶体模板，然后烘干，烘干温度为70度，即可获得高品质的石墨烯纳米片粉体；
(4)将石墨烯纳米片粉体加入到混酸体积比为2：1的硫酸-硝酸混酸体系中，混酸与石墨烯质量配比为：混酸92份，石墨烯6份，超声20分钟，然后用水离心洗涤多次，干燥，烘干温度为70度，即可得到表面改性的石墨烯粉体；
(5)将所得表面改性石墨烯纳米片粉体加入到合成油中，合成油与石墨烯质量配比为：合成油95份，石墨烯0.2份，超声40分钟，即可得到高浓度高稳定性石墨烯润滑油添加剂。
10.根据权利要求1所述的一种高浓度高稳定抗磨性石墨烯润滑油添加剂的制备工艺，其特征在于，其制备步骤为：
(1)以氯化钠晶体作为模板，酒石酸为碳源前驱体，其中酒石酸0.075份，氯化钠99份，将氯化钠晶体与碳源的混合水溶液烘干后，研磨成细小的粉末，得到生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物，石墨烯厚度为66纳米；
(2)将所得的生物质碳源包覆的氯化钠晶体复合物高温碳化，碳化温度为600摄氏度，碳化时间为1.5小时，碳化氛围为氩气氛围，升温速率为10度/分钟，得到石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物；
(3)将石墨烯纳米片包覆的氯化钠晶体复合物倒入离心管中，加水，超声，加水超声离心洗涤次数为10次，离心洗涤，离心速度为10000转/分钟，除去氯化钠晶体模板，然后烘干，烘干温度为90度，即可获得高品质的石墨烯纳米片粉体；
(4)将石墨烯纳米片粉体加入到混酸体积比为1：1的硫酸-硝酸混酸体系中，混酸与石墨烯质量配比为：混酸99份，石墨烯10份，超声60分钟，然后用水离心洗涤多次，干燥，烘干温度为90度，即可得到表面改性的石墨烯粉体；
(5)将所得表面改性石墨烯纳米片粉体加入到矿物油中，矿物油与石墨烯质量配比为：矿物油95份，石墨烯5份，超声55分钟，即可得到高浓度高稳定性石墨烯润滑油添加剂。
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