CN108624389A

CN108624389A - 一种氧化石墨烯水基纳米润滑剂及其制备方法

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Publication number: CN108624389A
Application number: CN201810300853.5A
Authority: CN
Inventors: 许雪峰; 吕涛; 黄水泉; 胡晓冬; 姚伟强
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2018-04-04
Filing date: 2018-04-04
Publication date: 2018-10-09
Anticipated expiration: 2038-04-04
Also published as: CN108624389B

Abstract

本发明公开了一种氧化石墨烯水基纳米润滑剂及其制备方法，所述润滑剂由氧化石墨烯、抗坏血酸、聚乙二醇及去离子水组成，其制备步骤为：先将聚乙二醇加入到去离子水中得到初级溶液；再将氧化石墨烯加入到初级溶液中并搅拌均匀；随后将氧化石墨烯悬浮液恒温超声分散；加入抗坏血酸并恒温水浴得到氧化石墨烯水基纳米润滑剂。本发明采用抗坏血酸对氧化石墨烯进行优化还原，在不影响氧化石墨烯分散性的基础上，提高了原氧化石墨烯的稳定性和机械强度，润滑性更好。本发明提供的水基纳米润滑剂具有良好的稳定性和耐磨持久性，同时具有低污染，润滑效率高，冷却性能好，对基底腐蚀性低等特点，适用于切削、磨削、钻削和锯切等加工领域。

Description

一种氧化石墨烯水基纳米润滑剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属加工领域的润滑剂，特别涉及一种用于微量润滑的氧化石墨烯水基纳米润滑剂及其制备方法。

背景技术

金属切削加工中为降低切削温度、延长刀具寿命以及提高工件表面质量和尺寸精度，润滑剂通常以浇注形式喷向切削区，对刀具与工件、切屑的接触界面进行润滑冷却。传统润滑剂多以油性剂为主，油性润滑剂因具有润滑性好、抗载能力强的特点而备受青睐。然而，油性润滑剂给机械制造业带来利益的同时，产生了诸如环境污染、资源消耗和影响员工健康等不利因素。为了避免油性润滑剂带来的各种负面影响，开发高性能水基润滑剂是当前润滑剂研究领域的主要发展方向之一。

水性润滑剂具有以下优点：①水具有较强的热传导能力，在切削加工过程中能够迅速冷却金属表面，可解决油性润滑剂冷却性不足的问题；②难燃、安全，适合在易燃易爆的环境中使用；③成本低，传统水性润滑剂的价格约为矿物油的十分之一，磷酸酯合成液的七十分之一，可有效降低成本，节约资源。鉴于水性润滑剂的诸多优点，其已被广泛应用于冶金、矿山、塑料等工业领域，以及作为切削、研磨、压延、冲压、拉拔等金属加工中的润滑冷却剂。

但是，水性润滑剂的润滑性能普遍低于油性润滑剂，提高其润滑性通常由添加多种添加剂实现：水性乳化润滑剂原液的含油量在50%-80%之间，乳化剂的含量在20%左右，其余为极压润滑剂、边界润滑剂、防锈剂和杀菌剂等；水性微乳化润滑剂原液的含油量在10%-30%之间，并含有20%左右的乳化剂，20%左右的水，其余为极压润滑剂、边界润滑剂、偶合剂、防锈剂和杀菌剂等；水性全合成润滑剂不含油，由水和大量防锈剂、pH缓冲剂、极压润滑剂、边界润滑剂、偶合剂、杀菌剂等组成。由此可见，水性润滑剂包含的添加剂含量高、品种多、化学成分复杂。所以，现有的水性润滑剂中的复杂化学成分对人和环境仍有较大的危害。

微量润滑（Minimal Quantity Lubrication，MQL）作为一种可代替浇注润滑的新型冷却润滑技术，以其良好的润滑、冷却、排屑及低污染等综合性能得到越来越广泛的关注。MQL技术利用压缩空气将流量为10-200 ml/h的切削液雾化成微米级雾滴，喷向切削区，对刀具与工件、切屑的接触界面进行润滑，防止切屑在刀具上粘附，同时切削液液滴和压缩空气还起到冷却切削区的作用。MQL技术能在不缩短刀具使用寿命、不降低加工表面质量的前提下，使切削液的使用量达到最少，切屑表面基本无油，节约了资源，避免了废液回收处理的麻烦。根据MQL的技术特点，应用于MQL的润滑剂是一次性使用，无需考虑润滑剂长期重复使用要解决的消泡性、抗氧化性等问题，可进一步缓解水基润滑剂中添加剂过多的问题。

纳米粒子具有纳米尺寸效应、高强度、高的扩散性等优异的性能，将环境友好的纳米粒子添加到水性基础液中，如能形成稳定的分散体系，可以增加基础液的承载能力，起到减摩抗磨的作用。在水性基础液中分散金属、金属氧化物、碳素等纳米粒子形成的纳米润滑剂具有良好的导热性和耐热性，并且在摩擦过程中纳米颗粒可渗透到摩擦表面，在摩擦副之间形成润滑膜，不仅能提高润滑膜承载负荷的能力，而且可以分离摩擦表面，改善润滑性能。

纳米氧化石墨烯一方面具有片状结构，片层间的范德华力较弱，易于滑动而表现出很好的减摩作用；另一方面暴露在晶体表面的碳原子对金属表面产生很强的吸附作用，形成的牢固的薄膜可有效阻隔摩擦副的直接接触，降低磨损。一般来说，石墨烯的机械强度和热稳定性优于氧化石墨烯，同时氧化石墨烯片层间的含氧官能团易形成化学键，导致氧化石墨烯片层间的剪切滑移作用不易实现，表现出相对较低的润滑性能。但石墨烯由于表层没有含氧官能团，难分散于水性润滑剂中。为了优化氧化石墨烯的减摩抗磨性能，对氧化石墨烯进行一定程度的还原，还原得到的氧化石墨烯由于表层含氧基团减少，改善了其热稳定性和机械强度，且低的剪切滑移作用可以更好地进行。此外，控制还原得到的氧化石墨烯表层仍含有少量的含氧基团，其在水基润滑剂中仍具有良好的分散性。将控制还原得到的氧化石墨烯作为水基纳米添加剂并应用于MQL技术中，有望突破水基润滑剂的应用局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种氧化石墨烯水基纳米润滑剂，其可有效改善水基润滑剂的润滑性能。

本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种氧化石墨烯水基纳米润滑剂，所述润滑剂包括0.01~0.05 wt%的氧化石墨烯、0.1~5 wt%的抗坏血酸、50~70 wt%的聚乙二醇及24.95~49.89 wt%的去离子水；

进一步地，所述氧化石墨烯的片层厚度为5-10 nm，片层直径≤10 μm；

进一步地，作为本发明的优选实施例之一，所述氧化石墨烯重量百分比优选0.03%；

进一步地，作为本发明的优选实施例之一，所述还原剂抗环血酸重量百分比优选3%；

进一步地，作为本技术方案的进一步改进，聚乙二醇分子量200~800，优选300，重量百分比优选60%；

进一步地，所述聚乙二醇可用脂肪酸酯类或聚醚类替代。

进一步地，所述水基纳米润滑剂的制备方法包括下述步骤：

1）先将聚乙二醇加入到去离子水中完全溶解得到初级溶液；

2）再将氧化石墨烯加入到初级溶液中并搅拌均匀，得到氧化石墨烯悬浮液；

3）将氧化石墨烯悬浮液恒温超声分散，得到氧化石墨烯分散液；

4）将抗坏血酸加入到氧化石墨烯分散液中并恒温水浴处理，得到氧化石墨烯水基纳米润滑剂；

5）将氧化石墨烯水基纳米润滑剂的PH值调为碱性。

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，加入氧化石墨烯后的搅拌时间为10~30分钟。

进一步地，所述步骤3）中，超声处理的超声条件为：超声功率500~1000瓦，超声强度50%至80%，超声温度20±5℃，超声时间60~120分钟。

进一步地，所述步骤3）中，超声功率优选800瓦，超声强度优选50%，超声时间优选120分钟。

进一步地，所述步骤4）中，恒温水浴条件为：温度80~100 ℃，水浴时间60~120分钟。

进一步地，所述步骤5）中，用弱碱调节溶液PH值，将溶液PH值控制在8~10。

进一步地，氧化石墨烯水基纳米润滑剂配制完成后，待溶液恢复常温后添加如下的一种防锈剂：三乙醇胺硼酸酯、失水山梨醇单油酸酯或双硅烷偶联剂，防锈剂重量百分比为1~5 wt%。

进一步地，作为本技术方案的进一步改进，所述防锈剂重量百分比优选3%。

本发明提供了一种新型的用于微量润滑的氧化石墨烯水基纳米润滑剂及其制备方法，通过对氧化石墨烯进行还原，进一步提高了氧化石墨烯水基纳米润滑剂的润滑性能。制备的这种氧化石墨烯水基纳米润滑剂可有效降低摩擦系数，减小磨损量。并且此水基纳米润滑剂具有低成本、环境友好和可持续发展的特点。

附图说明

图1为使用含不同重量百分比纳米氧化石墨烯的基于微量润滑的水基纳米润滑剂进行摩擦磨损试验后的摩擦系数；

图2为使用含不同重量百分比纳米氧化石墨烯的基于微量润滑的水基纳米润滑剂进行摩擦磨损试验后的磨斑直径；

图3为采用不同重量百分比抗坏血酸还原后的基于微量润滑的氧化石墨烯水基纳米润滑剂进行摩擦磨损试验后的摩擦系数；

图4为采用不同重量百分比抗坏血酸还原后的基于微量润滑的氧化石墨烯水基纳米润滑剂进行摩擦磨损试验后的磨斑直径；

图5为采用基于微量润滑的水基基础润滑剂进行摩擦磨损试验后的磨斑光学显微图。

图6为使用重量分数为0.03%氧化石墨烯的基于微量润滑的水基纳米润滑剂进行摩擦磨损试验后的磨斑光学显微图。

图7为采用重量分数为3%抗坏血酸还原后的基于微量润滑的氧化石墨烯水基纳米润滑剂进行摩擦磨损试验后的磨斑光学显微图。

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了，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，但不作为本发明的限定。下面为本发明举出优选实施例：

本发明提供一种氧化石墨烯水基纳米润滑剂及其制备方法，所述润滑剂包括0.01~0.05 wt%的氧化石墨烯、0.1~5 wt%的抗坏血酸、50~70 wt%的聚乙二醇及24.95~49.89 wt%的去离子水。

所述氧化石墨烯的片层厚度为5-10 nm，片层直径≤10 μm，所述氧化石墨烯重量百分比优选0.03%，所述还原剂抗环血酸重量百分比优选3%；所述聚乙二醇亦可选用脂肪酸酯类或其它聚醚类，所述一种氧化石墨烯水基纳米润滑剂的制备方法包括下述步骤：

1）先将聚乙二醇加入到去离子水中完全溶解得到初级溶液；

5）将氧化石墨烯水基纳米润滑剂的PH值调为碱性。

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，加入氧化石墨烯后的搅拌时间为10~30分钟，所述步骤3）中，超声处理的超声条件为：超声功率500~1000瓦，超声强度50%至80%，超声温度20±5℃，超声时间60~120分钟，所述步骤3）中，超声功率优选800瓦，超声强度优选50%，超声时间优选120分钟，所述步骤4）中，恒温水浴条件为：温度80~100 ℃，水浴时间60~120分钟，所述步骤5）中，用弱碱调节溶液PH值，将溶液PH值控制在8~10。氧化石墨烯水基纳米润滑剂配制完成后，待溶液恢复常温后添加如下的一种防锈剂：三乙醇胺硼酸酯、失水山梨醇单油酸酯或双硅烷偶联剂，重量百分比为1~5 wt%。

为了对应金属制造业中所需的实际加工条件，以下具体实施例的试验条件仅用于评估所发明的具有不同组分的润滑剂的润滑效果。

采用摩擦试验评估所发明润滑剂的摩擦和磨损性能，其试验参数用来模拟金属加工过程中的接触压力和切削速度。钢球的磨斑直径反应了润滑剂的抗磨损性能，磨斑直径越小说明摩擦副磨损程度越小，即润滑效果越好。摩擦试验中所测得的摩擦系数的变化可以反应切削加工过程中摩擦力的变化，而摩擦力的降低导致切削力的降低，最终减少切削能量的消耗。

因为摩擦实验结果与纳米润滑剂的性能直接相关，试验制备的润滑剂需要进行相关测试以及优化，其润滑效果受以下因素的影响：所选纳米氧化石墨烯的浓度和颗粒尺寸，所选增黏剂和分散剂的种类，分子量和重量百分比，以及所选还原剂和防锈剂的种类和重量百分比。

实施例中的摩擦实验结果均可用来评估反映所发明的润滑剂在实际切削加工过程中的润滑性能。

试验1. 摩擦试验

本摩擦试验的条件如下：

试验装置：MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机，MQL精密喷油系统

试验方法：四球摩擦实验

试球材料：AISI 52100钢球（硬度59-61 HRC）；试球直径12.7 mm

MQL流量：20毫升/小时

MQL气压：0.3兆帕

载荷：40 N

转速：800转/分钟

试验时长：30分钟

以下实施例将通过实例的比较和详细描述进一步说明本发明的目的、特征和优点。

表1. 所用工艺润滑条件的组分及重量百分比（所有润滑剂均添加了3 wt%的三乙醇胺硼酸酯以提高防锈性）

润滑剂	组分及重量百分比
		G1	0.01 wt%氧化石墨烯+60 wt%聚乙二醇300+纯净水
G2	0.02 wt%氧化石墨烯+60 wt%聚乙二醇300+纯净水
		G3	0.03 wt%氧化石墨烯+60 wt%聚乙二醇300+纯净水
G4	0.04 wt%氧化石墨烯+60 wt%聚乙二醇300+纯净水
		G5	0.05 wt%氧化石墨烯+60 wt%聚乙二醇300+纯净水
R1	0.03 wt%氧化石墨烯+0.5 wt%抗坏血酸+60 wt%聚乙二醇300+纯净水
		R2	0.03 wt%氧化石墨烯+1.0 wt%抗坏血酸+60 wt%聚乙二醇300+纯净水
R3	0.03 wt%氧化石墨烯+2.0 wt%抗坏血酸+60 wt%聚乙二醇300+纯净水
		R4	0.03 wt%氧化石墨烯+3.0 wt%抗坏血酸+60 wt%聚乙二醇300+纯净水
R5	0.03 wt%氧化石墨烯+4.0 wt%抗坏血酸+60 wt%聚乙二醇300+纯净水
		R6	0.03 wt%氧化石墨烯+5.0 wt%抗坏血酸+60 wt%聚乙二醇300+纯净水
W1	60 wt%聚乙二醇300+纯净水

实施例1-1

试验准备了5种纳米润滑剂，它们的润滑性能由试验1中描述的摩擦实验来初步评判。根据本发明描述的水基纳米润滑剂的制备步骤，试验用的纳米润滑剂G1、G2、G3、G4和G5分别由0.01 wt%、0.02 wt%、0.03 wt%、0.04 wt%和0.05 wt%的氧化石墨烯纳米粒子分散在水基润滑剂W1中所得，其中包含重量百分数为60%的聚乙二醇300。其中，氧化石墨烯纳米颗粒的片层厚度为5-10 nm，片层直径≤10 μm，溶液PH值调为碱性，PH控制在8~10。添加聚乙二醇的目的是提高氧化石墨烯的分散性能并且调节水基纳米润滑剂的粘度。作为对比样品，W1是没有加入任何纳米颗粒的的水基润滑剂。

图1和图2分别为使用含不同重量百分比纳米氧化石墨烯的基于MQL的水基纳米润滑剂进行摩擦磨损试验后的摩擦系数和磨斑直径， G1、G2、G3、G4和G5下的摩擦系数和磨斑直径均比W1下的低，其中G3显现出最小的摩擦系数和磨斑直径，分别比W1下的减小了16.7%和11.2%。结果说明含有合适浓度的氧化石墨烯水基纳米润滑剂可以降低摩擦过程中的摩擦力和磨损量。这些试验结果初步体现了本发明专利的水基纳米润滑剂在金属加工过程中的润滑性能。

实施例1-2

试验准备了6种纳米润滑剂，它们的润滑性能由试验1中描述的摩擦实验来初步评判。根据本发明描述的水基纳米润滑剂的制备步骤，试验用的纳米润滑剂R1、R2、R3、R4、R5和R6分别采用0.5 wt%、1.0 wt%、2.0 wt%、3.0 wt%、4.0 wt%和5.0 wt%的抗坏血酸对实施例1-1中优选的含质量百分数为0.03 %氧化石墨烯水基纳米润滑剂G3还原后所得。作为对比样品，G3是未加入抗坏血酸的氧化石墨烯纳米水基润滑剂。

图3和图4分别为采用不同重量百分比抗坏血酸处理后的氧化石墨烯水基纳米润滑剂进行摩擦磨损试验后的摩擦系数和磨斑直径。对比G3的摩擦磨损性能，R2、R3、R4和R5的摩擦系数和磨斑直径均明显降低，其中R3显现出最小的摩擦系数和磨斑直径，分别比G3下的降低了14.5%和11.7%。结果说明适当地还原氧化石墨烯可以改善原氧化石墨烯水基纳米润滑剂的减摩抗磨性能。在抗坏血酸的还原作用下，原氧化石墨烯的含氧官能团减少，提高了原氧化石墨烯在摩擦过程中的稳定性和机械强度，改善了摩擦微区润滑膜的抗载能力，润滑性能提高。

图4~图6为不同润滑条件下，摩擦试验后钢球表面磨损形貌的光学显微图。图4是未添加纳米颗粒的水基润滑剂W1摩擦试验后的磨损形貌，图5是实施例1中优选润滑条件G3下的磨损形貌，图6为实施例2中优选润滑条件R4下的磨损形貌。

对比磨损形貌图可以直观看出，在水基润滑剂W1中添加氧化石墨烯后，磨斑变小，磨痕变浅。对比氧化石墨烯水基纳米润滑剂G3，还原氧化石墨烯水基纳米润滑剂R4的磨斑形貌更加平整，磨斑尺寸更小。由此可得，该制备的一种氧化石墨烯水基纳米润滑剂可有效改善摩擦副的表面形貌，降低磨损。

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

1.一种氧化石墨烯水基纳米润滑剂，其特征在于，所述润滑剂包括0.01~0.05 wt%的氧化石墨烯、0.1~5 wt%的抗坏血酸、50~70 wt%的聚乙二醇及24.95~49.89 wt%的去离子水。

2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯水基纳米润滑剂，其特征在于，所述氧化石墨烯的片层厚度为5-10 nm，片层直径≤10 μm。

3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯水基纳米润滑剂，其特征在于，所述聚乙二醇分子量为200~800。

4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯水基纳米润滑剂，其特征在于，所述聚乙二醇用脂肪酸酯类或聚醚类替代。

5.一种氧化石墨烯水基纳米润滑剂的制备方法，基于上述权利要求1~4之一所述的润滑剂，其特征在于，所述制备方法包括下述步骤：

1）先将聚乙二醇加入到去离子水中完全溶解得到初级溶液；

5）将氧化石墨烯水基纳米润滑剂的PH值调为碱性。

6.根据权利要求5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℃。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中，加入氧化石墨烯后的搅拌时间为10~30分钟。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3）中，超声处理的超声条件为：超声功率500~1000瓦，超声强度50%至80%，超声温度20±5℃，超声时间60~120分钟。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤4）中，恒温水浴条件为：温度80~100 ℃，水浴时间60~120分钟。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤5）中，用弱碱调节溶液PH值，将溶液PH值控制在8~10。

11.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，氧化石墨烯水基纳米润滑剂配制完成后，待溶液恢复常温后添加如下的一种防锈剂：三乙醇胺硼酸酯、失水山梨醇单油酸酯或双硅烷偶联剂，防锈剂重量百分比为1~5 wt%。