CN109536240B - 一种含亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂及其制备方法，润滑油添加剂由以下组分组成：亲油性石墨烯、中间相碳微球、分散剂和基础油，其中，所述亲油性石墨烯占总组分质量的0.1％‑0.5％，所述中间相碳微球占总组分质量的0.1％‑0.5％，所述分散剂占总组分质量的0.5％‑5％；制备方法由以下步骤组成：亲油性石墨烯的处理、中间相碳微球的处理、石墨烯与中间相碳微球的复配。本发明各组分之间具有优异分散性和稳定性，并且石墨烯和中间相碳微球之间的相互作用，能够提高纳米添加剂长期储存的稳定性。发动机采用本发明润滑油添加剂的润滑油，发动机缸壁能够得到充分的修复，机噪音减小，动力提升，油耗降低，尾气排放降低，机械磨损大幅下降。
Description
技术领域
本发明涉及一种润滑油添加剂，特别是涉及一种含亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂及其制备方法。
背景技术
石墨烯作为润滑剂代替传统的润滑剂，是利用固体物化性质受温度、压力变化影响较小的特点，将石墨烯添加到润滑油中，发挥其纳米材料特有的物化性能，在润滑油中起到承压骨架的作用，石墨烯可部分渗到摩擦金属表面，改变表面结构，使其硬度发生变化，提高抗氧化、抗腐蚀及抗磨性能。未渗入金属表面的石墨烯填充在摩擦表面的凹凸处，提高摩擦面的承载面积，以降低摩擦系数，提高承压能力。石墨烯和中间相碳微球都是优良的固体润滑剂添加剂，广泛应用于摩擦领域中。但是固体润滑剂添加剂在润滑油中易于沉降，由于范德华力的作用很容易团聚，从而影响到润滑油的性能。因此研究出一种能够克服沉降、严重团聚且很大程度降低摩擦系数的润滑剂具有重要的应用价值。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种含亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂及其制备方法，通过片层状的石墨烯和球状的中间相碳微球相互作用复配得到润滑油添加剂，从而解决现有技术润滑油中纳米添加剂储存稳定性差，摩擦系数较大、对机械部件损害严重的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是制备一种含石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂，由以下组分组成：
亲油性石墨烯、中间相碳微球、分散剂和基础油，其中，所述的亲油性石墨烯占总组分质量的0.1％-0.5％，所述中间相碳微球占总组分质量的0.1％-0.5％，所述分散剂占总组分质量的0.5％-2％，各物质总量之和为百分之百。
一种含亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：
石墨烯的亲油性表面处理：采用亲油性长链烷基硅烷对氧化后的石墨烯进行表面改性，得到改性亲油性石墨烯；
中间相碳微球的处理：将中间相碳微球分散在溶剂中，加入第一分散剂进行研磨，得到一定粒径的中间相碳微球(中位径D50 5-10μm)；其中，中间相碳微球占溶剂比重的0.1％-5％，第一分散剂与中间相碳微球的质量比为1:1-10:1；研磨采用球磨机进行。溶剂可为石油醚、乙醇、乙酸乙酯、丙酮等其中的一种。所采用的第一分散剂可为byk-161、司盘80中的一种。
亲油性石墨烯与中间相碳微球的复配：将亲油性石墨烯和处理后的中间相碳微球加入到基础油中，得到混合油液，所述亲油性石墨烯占混合油液质量分数的0.1％-0.5％，处理后的中间相碳微球占混合油液质量分数的0.1％-0.5％，然后再往混合油液中加入质量分数为混合油液0.5％-2％的第二分散剂，搅拌均匀，超声30-120min分散后得到一种含亲油性石墨烯和中间相碳微球润滑油添加剂。
所述氧化石墨烯与亲油性长链烷基硅烷的重量比为1:1～1:20。
所述氧化石墨烯的厚度小于或等于2nm，粒径D50为1-5μm。
亲油性石墨烯的处理中，取氧化石墨烯加入到装有乙醇水溶液烧瓶中，超声分散30-120min，然后向烧瓶中滴加长链烷基硅烷，滴加完毕后将温度升高到70℃-90℃，冷凝回流，搅拌1-2h，待反应完毕后，滴加适量浓度为0.1mol/mL的水合肼溶液，在40℃下还原0.5-2h。采用离心分离，取出黑色沉淀物，将黑色沉淀物用乙醇水溶液洗涤三遍，放置60℃-90℃真空干燥箱干燥，得到亲油性石墨烯。其中，所述使用的乙醇水溶液的比例为无水乙醇：去离子水＝1:3。
所述长链烷基硅烷为十二烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷、十二烷基甲基二甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷中的任一种。
所述第二分散剂为油酸。
本技术方案具有以下有益效果：
本发明通过对氧化石墨烯处理，明显提升了在润滑油中的分散性，降低团聚；然后将亲油性石墨烯和中间相碳微球复配加入到基础油中，即可得到含有亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂。采用该添加剂配置的润滑剂由于石墨烯片层的超润滑特性和中间相碳微球的搭桥和滚动效应所带来的协同效果，使得润滑油添加剂的稳定性及润滑性能极大提高，有效降低了机械磨损。
附图说明
图1是实施例5、对比例6和对比例7中的润滑油添加剂静置3个月后的稳定测试图。
具体实施方式
实施例1
首先，取0.05g氧化石墨烯加入到装有50mL的乙醇水溶液烧瓶中，超声分散30min，然后向烧瓶中滴加0.05g十二烷基三甲氧基硅烷，滴加完毕后将温度升高到70℃，冷凝回流，搅拌1h,反应完毕后，滴加适量浓度为0.1mol/mL的水合肼溶液，在40℃下还原0.5h。采用离心分离，取黑色沉淀物，将黑色沉淀物用乙醇水溶液洗涤三遍，放置60℃真空干燥箱干燥，得到产物，产物即为亲油性石墨烯。
然后，称取中间相碳微球0.5g，石油醚500g，司盘80 0.5g置于QM-3SP2行星式球磨机上以430rpm的转速下球磨5h，得到均匀的中间相碳微球浆料，除去溶剂，即得到中间相碳微球。
称取亲油性石墨烯0.1g、处理后的中间相碳微球0.5g分散于98.9g基础油150N中，搅拌均匀(转速800rpm)，在搅拌过程中加入第二分散剂油酸0.5g，继续搅拌30min，形成均一相，转移至超声波清洗机中，超声30min，得到含有亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂。
实施例2
首先，取0.05g氧化石墨烯加入到装有50mL的乙醇水溶液烧瓶中，超声分散30min，然后向烧瓶中滴加1g十二烷基三乙氧基硅烷，滴加完毕后将温度升高到70℃，冷凝回流，搅拌2h,反应完毕后，滴加适量浓度为0.1mol/mL的水合肼溶液，在40℃下还原2h。采用离心分离，取黑色沉淀物，将黑色沉淀物用乙醇水溶液洗涤三遍，放置60℃真空干燥箱干燥，得到产物，产物即为亲油性石墨烯。
然后，称取中间相碳微球0.5g，石油醚500g，司盘80 5g置于QM-3SP2行星式球磨机上以430rpm的转速下球磨5h，得到均匀的中间相碳微球浆料，除去溶剂，即得到中间相碳微球。
称取亲油性石墨烯0.5g、处理后的中间相碳微球0.1g分散于94.4g基础油400N中，搅拌均匀(转速800rpm)，在搅拌过程中加入第二分散剂油酸5g，继续搅拌30min，形成均一相，转移至超声波清洗机中，超声120min，得到含有亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂。
实施例3
首先，取0.05g氧化石墨烯加入到装有50mL的乙醇水溶液烧瓶中，超声分散30min，然后向烧瓶中滴加1g十六烷基三甲氧基硅烷，滴加完毕后将温度升高到70℃，冷凝回流，搅拌2h,反应完毕后，滴加适量浓度为0.1mol/mL的水合肼溶液，在40℃下还原1h。采用离心分离，取黑色沉淀物，将黑色沉淀物用乙醇水溶液洗涤三遍，放置60℃真空干燥箱干燥，得到产物，产物即为亲油性石墨烯。
然后，称取中间相碳微球0.5g，石油醚500g，司盘80 5g置于QM-3SP2行星式球磨机上以430rpm的转速下球磨5h，得到均匀的中间相碳微球浆料，除去溶剂，即得到中间相碳微球。
称取亲油性石墨烯0.3g、处理后的中间相碳微球0.3g分散于97.4g基础油500N中，搅拌均匀(转速800rpm)，在搅拌过程中加入第二分散剂油酸2g，继续搅拌30min，形成均一相，转移至超声波清洗机中，超声60min，得到含有亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂。
实施例4
首先，取0.05g氧化石墨烯加入到装有50mL的乙醇水溶液烧瓶中，超声分散30min，然后向烧瓶中滴加1g十八烷基三甲氧基硅烷，滴加完毕后将温度升高到70℃，冷凝回流，搅拌2h,反应完毕后，滴加适量浓度为0.1mol/mL的水合肼溶液，在40℃下还原1h。采用离心分离，取黑色沉淀物，将黑色沉淀物用乙醇水溶液洗涤三遍，放置60℃真空干燥箱干燥，得到产物，产物即为亲油性石墨烯。
然后，称取中间相碳微球0.5g，石油醚500g，司盘80 5g置于QM-3SP2行星式球磨机上以430rpm的转速下球磨5h，得到均匀的中间相碳微球浆料，除去溶剂，即得到中间相碳微球。
称取亲油性石墨烯0.4g、处理后的中间相碳微球0.2g分散于97.4g基础油650N中，搅拌均匀(转速800rpm)，在搅拌过程中加入第二分散剂油酸2g，继续搅拌30min，形成均一相，转移至超声波清洗机中，超声60min，得到含有亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂。
实施例5
首先，取0.05g氧化石墨烯加入到装有50mL的乙醇水溶液烧瓶中，超声分散30min，然后向烧瓶中滴加1g十八烷基三甲氧基硅烷，滴加完毕后将温度升高到70℃，冷凝回流，搅拌2h,反应完毕后，滴加适量浓度为0.1mol/mL的水合肼溶液，在40℃下还原1h。采用离心分离，取黑色沉淀物，将黑色沉淀物用乙醇水溶液洗涤三遍，放置60℃真空干燥箱干燥，得到产物，产物即为亲油性石墨烯。
然后，称取中间相碳微球0.5g，石油醚500g，司盘80 5g置于QM-3SP2行星式球磨机上以430rpm的转速下球磨5h，得到均匀的中间相碳微球浆料，除去溶剂，即得到中间相碳微球。
称取亲油性石墨烯0.4g、处理后的中间相碳微球0.2g分散于97.4g基础油150N中，搅拌均匀(转速800rpm)，在搅拌过程中加入第二分散剂油酸2g，继续搅拌30min，形成均一相，转移至超声波清洗机中，超声60min，得到含有亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂。
对比例6
与实施例5不同的是，将亲油性石墨烯0.6g分散于97.4g基础油150N中，搅拌均匀(转速800rpm)，在搅拌过程中加入动物油酸2g，继续搅拌30min，形成均一相，转移至超声波清洗机中，超声60min，得到亲油性石墨烯润滑油添加剂。
对比例7
与实施例5不同的是，将处理后的中间相碳微球0.6g分散于97.4g基础油150N中，搅拌均匀(转速800rpm)，在搅拌过程中加入分散剂油酸2g，继续搅拌30min，形成均一相，转移至超声波清洗机中，超声60min，得到中间相碳微球润滑油添加剂。
抗磨性能测试
测试设备：四球机；
测试条件：设定载荷(温度20℃，负荷294N和392N，速度1450R/min，时间30min)下的抗磨性能，四球试验所用的钢球为直径12.7mm的CCr15标准钢球；
测试油样：样1(150N基础油)、样2(150N+10％实施例5中的润滑油添加剂)、对比样6(150N+10％对比例6中的润滑油添加剂)、对比样7(150N+10％对比例7中的润滑油添加剂)。
得到的对比试验结果如表1所示。
表1 四球抗磨性能测试
通过测试对比可知，采用亲油性石墨烯和中间相碳微球复配后的润滑油添加剂通过石墨烯片层滑动超润滑特性和中间相碳微球的滚动效应能够起到优异的润滑作用，不添加本发明时，摩擦系数较大，当添加本发明后，摩擦系数最大降低了几乎一半，很大程度降低了摩擦系数。相比于单方面使用亲油性石墨烯和中间相碳微球润滑油添加剂，复配在抗磨性能上更佳优异。
同时，将实施例5、对比例6、对比例7所制备润滑油添加剂按照5％质量比加入到商品化柴机油CH-4 20W/50中，通过台架测试，在转速1600r/min，扭矩为75.4N·m下，测试数据如表二所示。
表二：台架测试
通过台架测试表明，采用亲油性石墨烯和中间相碳微球复配后的润滑油添加剂加入到机油中，能够大幅提高机油的性能，降低燃油约10％，输出功率提高约6％，尾气一氧化碳排放降低了约60％。相对于单方面使用亲油性石墨烯和中间相碳微球润滑油添加剂，复配效果更佳显著。
对实施例5、对比例6和对比例7的存储稳定性进行测试，如图1所示，图1为静置3个月后润滑油添加剂的稳定测试图。采用亲油性石墨烯和中间相碳微球复配后的润滑油添加剂由于分散稳定性明显优于单一亲油性石墨烯润滑油添加剂和中间相碳微球润滑油添加剂。由于石墨烯和中间相碳微球之间的相互作用，将二者复配，能够很好的解决存储稳定的问题。
上述具体实施例只是用来解释说明本发明，而非是对本发明进行限制，在本发明的宗旨和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何不付出创造性劳动的替换和改变，皆落入本发明专利的保护范围。
Claims (5)
1.一种含亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂的制备方法，其特征在于，所述润滑油添加剂由以下组分组成：
亲油性石墨烯、中间相碳微球、分散剂和基础油，其中，所述亲油性石墨烯占总组分质量的0.1％-0.5％，所述中间相碳微球占总组分质量的0.1％-0.5％，所述分散剂占总组分质量的0.5％-2％，各物质总量之和为百分之百；
所述基础油为市售的150N，400N，500N，650N中的任一种或两种及以上的混合；
所述制备方法由以下步骤组成：
亲油性石墨烯的处理：采用亲油性长链烷基硅烷对氧化石墨烯进行表面改性，并且通过水合肼还原后，得到亲油性石墨烯；
中间相碳微球的处理：将中间相碳微球分散在溶剂中，加入第一分散剂混合后进行球磨，得到一定粒径的中间相碳微球；其中，中间相碳微球占溶剂比重的0.1％-5％，第一分散剂与中间相碳微球的质量比为1:1-10:1；
亲油性石墨烯与中间相碳微球的复配：将亲油性石墨烯和处理后的中间相碳微球加入到基础油中，机械搅拌得到混合液，所述亲油性占混合液质量分数的0.1％-0.5％，处理后的中间相碳微球占混合液质量分数的0.1％-0.5％，然后再往混合液中加入质量分数为混合液0.5％-2％的第二分散剂，搅拌均匀，超声分散后得到含亲油性石墨烯和中间相碳微球的润滑油添加剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯与亲油性长链烷基硅烷的重量比为1:1～1:20。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，亲油性石墨烯的处理中，取氧化石墨烯加入到装有乙醇水溶液烧瓶中，超声分散30-120min，然后向烧瓶中滴加亲油性长链烷基硅烷，滴加完毕后将温度升高到70℃-90℃，冷凝回流，搅拌1-2h，待反应完毕后，滴加适量浓度为0.1mol/mL的水合肼溶液，在40℃下还原0.5-2h，最后采用离心分离，取出黑色沉淀物，将黑色沉淀物用乙醇水溶液洗涤三遍，放置60℃-90℃真空干燥箱干燥，得到亲油性石墨烯。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述长链硅烷偶联剂为十二烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷、十二烷基甲基二甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷中的任一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二分散剂为油酸。
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