CN109722321A - 一种以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的制备及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的制备，该方法是指：室温条件下，在超纯水中加入石墨烯量子点，形成均匀稳定浓度为0.5~8 mg/mL的水溶液，即得水润滑剂。本发明还公开了该水润滑剂作为水环境下机械运动部件的润滑剂材料的应用。本发明不但制备方法简单、易于操作、工艺稳定，而且质量可靠、成本低廉、可再生以及无污染，作为现代化润滑剂材料符合商业化的基本要求，同时，所制备的水润滑剂具有优异的润滑行为和抗磨损性能。

Description

一种以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的制备及其应用

技术领域

本发明涉及纳米材料领域及水润滑剂技术领域，尤其涉及一种以石墨烯量子点（GQDs）为添加剂的水润滑剂的制备及其应用。

背景技术

随着环境问题的日益恶化，水基润滑剂在摩擦学领域越来越受到人们的广泛关注。众所周知，在摩擦学的历史发展过程中，水一直都是一种价格低廉、环境友好的润滑剂被应用于各种润滑系统，然而水自身的低粘度使其润滑性能相比油及油脂类润滑剂较差，并且水对钢铁类器件具有一定的腐蚀性，水润滑剂的这些缺陷极大限制了其在金属切割和金属零部件加工领域的发展。另外，这些不足还会使水润滑剂在生物粘液和关节液润滑领域的应用同样受到极大地限制。为了弥补这些缺陷，最大程度地提高水润滑剂的润滑性能，选择或开发一种价格低廉、环境友好、无毒无害的润滑剂添加剂迫在眉睫。

作为水润滑剂的添加剂，首先应具备良好的水溶性，其次要具有一定的承载能力。小尺寸的石墨烯量子点由于其表面拥有大量亲水官能团而具有极好的水溶性和一定的承载能力，而且无毒无害、环境友好，将其作为水基润滑添加剂在极大地提高水润滑剂润滑性能的同时显著延长了润滑剂的保质期，一般情况下石墨烯量子点在水中可以稳定存放半年到一年之久，这对于润滑剂的实际应用具有重大的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、稳定、成本低的以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的制备。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的应用。

为解决上述问题，本发明所述的一种以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的制备，其特征在于：室温条件下，在超纯水中加入石墨烯量子点，形成均匀稳定浓度为0.5~8mg/mL的水溶液，即得水润滑剂。

所述石墨烯量子点是按下述方法制得：

⑴将氧化石墨粉末300℃加热处理后分散在质量浓度为96%的硫酸溶液中，于20~30℃条件下超声2~5h后加入质量浓度为65%的硝酸溶液，继续超声10~20h，即得混合溶液；所述氧化石墨粉末与所述硫酸溶液的质量体积比为1：0.2~0.3；所述氧化石墨粉末与所述硝酸溶液的质量体积比为1：0.6~0.9；

⑵所述混合溶液中加入其体积6~10倍的超纯水，混匀后冷却至室温，经抽滤、洗涤，得到黑色固体；

⑶所述黑色固体按0.2~0.4g：70~90mL的比例分散到超纯水中，并用质量浓度为10~20%的NaOH溶液调pH值至7~10，得到黑色混合溶液；

⑷所述黑色混合溶液移至高压反应釜中，于200℃下水热反应10~15h，冷却至室温后，经抽滤、透析3~7天，即得石墨烯量子点水溶液；

⑸所述石墨烯量子点水溶液于60~90℃蒸发干燥至恒重，即得。

如上所述的一种以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的制备所得的水润滑剂的应用，其特征在于：该水润滑剂作为水环境下机械运动部件的润滑剂材料。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明以超纯水为润滑液、水热合成的石墨烯量子点为润滑添加剂，在室温条件下配制得到不同添加剂浓度的水润滑剂，不但制备方法简单、易于操作、工艺稳定，而且质量可靠、成本低廉、可再生以及无污染，作为现代化润滑剂材料符合商业化的基本要求。

2、本发明所得的水润滑剂可存放6~12个月而无明显的沉淀现象，保质期长。

3、通过透射电镜（TEM）、紫外可见光谱仪（UV–vis）、红外光谱仪（FTIR）及X-射线光电子能谱仪（XPS）对本发明制备的水润滑添加剂材料的结构和成分进行表征，可以发现：本发明所得石墨烯量子点的尺寸为1~5 nm且单分散分布（参见图1）；石墨烯量子点水溶液在260和370波长处有紫外吸收峰，分别对应的是p–p* 和 n–p* 电子跃迁（参见图2）；所得石墨烯量子点表面具有丰富的含氧官能团，这些含氧官能团使得石墨烯量子点在水中具有良好的分散性（参见图3、图4）。

4、经摩擦学性能测试表明，本发明所得的水润滑剂具有优异的润滑行为和抗磨损性能，因此可以作为水环境下机械运动部件的润滑剂材料。

⑴摩擦学性能测试：

在室温和大气环境中采用球-盘式的SRV-IV (德国)往复摩擦磨损试验机进行测试，其中：不锈钢块作为下试样被固定在平底盘上，市售的直径为10mm的钢球作为对偶球被固定在上面作为上试样。测试条件为滑动时间60min、滑动振幅1mm、往复频率20Hz、负载100N。下试样的磨痕形貌及其磨损体积通过非接触三维表面轮廓仪（美国 ADE 公司生产）测试获得。

采用origin 8.0软件作图绘制时间-摩擦系数曲线图对比图（参见图5~6）。结果表明水润滑剂的润滑寿命大于3600秒，说明添加剂的加入使水润滑剂的耐磨性获得了极大地提高，证明该材料具有做水基润滑剂添加剂的潜能。

⑵抗磨损性能测试：

通过非接触三维表面轮廓仪对不锈钢块表面的磨痕形貌与磨损体积进行测试，采用origin 8.0软件作图绘制磨痕的二维剖面对比图与磨损率对比图（参见图7~8）。结果表明：相比较纯水而言，在所制备水润滑剂的润滑下钢块表面的磨痕深度较浅，磨损体积较小，说明添加剂的加入使水的抗磨性能得到大幅提高，进一步证明材料具有做水基润滑剂添加剂的潜能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的GQDs的透射电镜照片（TEM）及润滑剂的光学照片。

图2为本发明的GQDs溶液的紫外可见光谱（UV -vis）图。

图3为本发明的GQDs的红外谱图（FT-IR）。

图4为本发明的GQDs的X射线光电子能谱图（XPS）。

图5为本发明不同添加剂浓度下水润滑剂的时间-摩擦系数曲线关系图。

图6为本发明的水润滑剂样品GQDs-4和GQDs-0的时间-摩擦系数关系图。

图7为本发明制备的不同水润滑剂样品润滑下钢块的磨损率对比图。

图8为本发明的水润滑剂样品GQDs-4、GQDs-0.5和GQDs-0润滑下钢块表面磨痕的二维剖面深度对比图。

具体实施方式

实施例1 一种以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的制备，室温条件下，在超纯水中加入石墨烯量子点（GQDs），形成均匀稳定浓度为0.5 mg/mL的水溶液，即得水润滑剂。

其中：石墨烯量子点是按下述方法制得：

⑴将氧化石墨粉末300℃加热处理后分散在质量浓度为96%的硫酸溶液中，于20℃条件下超声2h后加入质量浓度为65%的硝酸溶液，继续超声10h，即得混合溶液。

其中：氧化石墨粉末与硫酸溶液的质量体积比（mg/mL）为1：0.2；氧化石墨粉末与硝酸溶液的质量体积比（mg/mL）为1：0.6。

⑵混合溶液中加入其体积6倍的超纯水，混匀后冷却至室温，经抽滤、洗涤，得到0.2 g黑色固体。

⑶0.2 g黑色固体分散到体积为70 mL的超纯水中，并用质量浓度为10%的NaOH溶液调pH值至7~10，得到黑色混合溶液。

⑷黑色混合溶液移至高压反应釜中，于200℃下水热反应10h，冷却至室温后，经抽滤、透析3天，即得石墨烯量子点水溶液。

⑸石墨烯量子点水溶液于60℃蒸发干燥至恒重，即得。

实施例2 一种以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的制备，室温条件下，在超纯水中加入石墨烯量子点（GQDs），形成均匀稳定浓度为4 mg/mL的水溶液，即得水润滑剂。

其中：石墨烯量子点是按下述方法制得：

⑴将氧化石墨粉末300℃加热处理后分散在质量浓度为96%的硫酸溶液中，于25℃条件下超声5h后加入质量浓度为65%的硝酸溶液，继续超声20h，即得混合溶液。

其中：氧化石墨粉末与硫酸溶液的质量体积比（mg/mL）为1：0.25；氧化石墨粉末与硝酸溶液的质量体积比（mg/mL）为1：0.75。

⑵混合溶液中加入其体积8倍的超纯水，混匀后冷却至室温，经抽滤、洗涤，得到0.3 g黑色固体。

⑶0.3 g黑色固体分散到体积为80 mL的超纯水中，并用质量浓度为15%的NaOH溶液调pH值至7~10，得到黑色混合溶液。

⑷黑色混合溶液移至高压反应釜中，于200℃下水热反应15h，冷却至室温后，经抽滤、透析7天，即得石墨烯量子点水溶液。

⑸石墨烯量子点水溶液于70℃蒸发干燥至恒重，即得。

实施例3 一种以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的制备，室温条件下，在超纯水中加入石墨烯量子点（GQDs），形成均匀稳定浓度为8 mg/mL的水溶液，即得水润滑剂。

其中：石墨烯量子点是按下述方法制得：

⑴将氧化石墨粉末300℃加热处理后分散在质量浓度为96%的硫酸溶液中，于30℃条件下超声3.5h后加入质量浓度为65%的硝酸溶液，继续超声15h，即得混合溶液。

其中：氧化石墨粉末与硫酸溶液的质量体积比（mg/mL）为1：0.3；氧化石墨粉末与硝酸溶液的质量体积比（mg/mL）为1：0.9。

⑵混合溶液中加入其体积10倍的超纯水，混匀后冷却至室温，经抽滤、洗涤，得到0.4 g黑色固体。

⑶0.4 g黑色固体分散到体积为90 mL的超纯水中，并用质量浓度为20%的NaOH溶液调pH值至7~10，得到黑色混合溶液。

⑷黑色混合溶液移至高压反应釜中，于200℃下水热反应13h，冷却至室温后，经抽滤、透析5天，即得石墨烯量子点水溶液。

⑸石墨烯量子点水溶液于90℃蒸发干燥至恒重，即得。

上述实施例1~3所得的水润滑剂的应用是指：该水润滑剂作为水环境下机械运动部件的润滑剂材料。

Claims (3)

1.一种以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的制备，其特征在于：室温条件下，在超纯水中加入石墨烯量子点，形成均匀稳定浓度为0.5~8 mg/mL的水溶液，即得水润滑剂。

2.如权利要求1所述的一种以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的制备，其特征在于：所述石墨烯量子点是按下述方法制得：

⑴将氧化石墨粉末300℃加热处理后分散在质量浓度为96%的硫酸溶液中，于20~30℃条件下超声2~5h后加入质量浓度为65%的硝酸溶液，继续超声10~20h，即得混合溶液；所述氧化石墨粉末与所述硫酸溶液的质量体积比为1：0.2~0.3；所述氧化石墨粉末与所述硝酸溶液的质量体积比为1：0.6~0.9；

⑵所述混合溶液中加入其体积6~10倍的超纯水，混匀后冷却至室温，经抽滤、洗涤，得到黑色固体；

⑶所述黑色固体按0.2~0.4g：70~90mL的比例分散到超纯水中，并用质量浓度为10~20%的NaOH溶液调pH值至7~10，得到黑色混合溶液；

⑷所述黑色混合溶液移至高压反应釜中，于200℃下水热反应10~15h，冷却至室温后，经抽滤、透析3~7天，即得石墨烯量子点水溶液；

⑸所述石墨烯量子点水溶液于60~90℃蒸发干燥至恒重，即得。

3.如权利要求1所述的一种以石墨烯量子点为添加剂的水润滑剂的制备所得的水润滑剂的应用，其特征在于：该水润滑剂作为水环境下机械运动部件的润滑剂材料。