CN109929273A

CN109929273A - 一种改性氧化石墨烯的制备及其应用

Info

Publication number: CN109929273A
Application number: CN201910293792.9A
Authority: CN
Inventors: 祁天; 倪才华; 桑欣欣; 石刚
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Sanya Shenglong new material development Co.,Ltd.
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2019-06-25
Anticipated expiration: 2039-04-12
Also published as: CN109929273B

Abstract

本发明涉及一种改性氧化石墨烯的制备及其在合成润滑油中的应用，通过氧化石墨烯分子中的羧基与高级脂肪醇的酯化反应，使氧化石墨烯进一步改性，连接柔性的连段，增加氧化石墨烯在油相中的分散性。将此改性氧化石墨烯添加到聚α‑烯烃/酯类合成润滑油基础油中，使合成润滑油基础油的粘度指数、热分解温度、抗摩擦性和抗腐蚀性等综合性能得到提升。

Description

一种改性氧化石墨烯的制备及其应用

技术领域

本发明涉及一种改性氧化石墨烯的制备及其在合成润滑油中的应用，属于石墨烯改性和合成润滑油研究领域。

背景技术

润滑油基础油合成后，还需添加各种辅助添加剂对其性能进行增强，用以满足更加苛刻的工况条件。石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆砌而成的二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，具有许多优异的物理特性，石墨烯作为主要添加剂用于润滑油抗磨性能的改善已经有很多相关研究，并且在航空航天、轮船汽车、复合材料等领域得到了广泛应用。石墨烯独特的表面结构，不仅能够通过自润滑减小接触面的摩擦系数，还能利用其“微滚珠”作用、使得在接触面产生强吸附作用和填充作用大大提高润滑油的抗磨性能。除此之外，石墨烯化学性质稳定，能提高润滑油的抗氧化性能增强其热稳定性。

虽然石墨烯具有优越特性，但是在聚合物基体中分散困难，由于石墨烯片层之间具有强作用力，因而极易团聚，在常用的溶剂中不溶解，也很难分散。同时石墨烯不熔融，加工困难，这些缺点使石墨烯的应用受到限制。

发明内容

为解决上述主要问题，本发明提供一种改性氧化石墨烯的制备方法，通过氧化石墨烯分子中的羧基与高级脂肪醇中的羟基的酯化反应，使氧化石墨烯中连接亲油性的烷基连段，增加石墨烯在油相中的分散性。

本发明的另一目的在于，提供一种上述改性氧化石墨烯的应用。

一种改性氧化石墨烯的制备方法，反应经历下列步骤：

(1)将高级脂肪醇、氧化石墨烯与N,N-二甲基甲酰胺混合，高级脂肪醇重量是氧化石墨烯的2～5倍，加热到30～50℃，然后加入催化剂，搅拌均匀；

(2)连接分水器和减压装置，加热到105℃，搅拌反应3～5h；

(3)将粗产物过滤，用无水乙醇反复洗涤、抽滤、烘干，取出研磨后得粉体状改性氧化石墨烯。

进一步地，步骤1)中所述高级脂肪醇为：正-壬醇、正-癸醇、正-十一醇或正-十二醇。

进一步地，步骤1)中所述催化剂为对甲苯磺酸，占所述高级脂肪醇重量0.3～1.0％。

进一步地，步骤1)中N,N-二甲基甲酰胺用量为高级脂肪醇重量的2～3倍。

进一步地，步骤2)中，所述减压装置的压力为1500～4000Pa。

所述的一种改性氧化石墨烯的应用，将改性氧化石墨烯添加到聚α-烯烃/酯类合成润滑油中，再添加抗氧化剂，占聚α-烯烃/酯类合成润滑油质量的0.02～0.10％，分散后得到复合改性合成润滑油。

进一步地，抗氧化剂为2,6-二叔丁基苯酚，占所述聚α-烯烃/酯类合成润滑油重量的0.3％～0.5％。

进一步地，聚α-烯烃/酯类为α-14烯烃与马来酸酐的共聚物再与季戊四醇的酯化产物。

本发明方法有以下优点：

(1)通过改性后得到的改性氧化石墨烯，由于氧化石墨烯结构表面引入长链烷基，增加了石墨烯在油相中的分散性。

(2)由于引入长链烷基，增加了柔顺性，使合成润滑油的粘度指数提高，另外由于氧化石墨烯中侧链碳长链之间的纠缠作用，从而大大提高了润滑油的热稳定性和粘度。

(3)通过改性氧化石墨烯的加入，一部分在两接触面之间能起到滚珠效应，将接触面之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，另一部分能有效填充到器件凹槽内，使得接触面粗糙程度得到降低，从而大大的增加了合成润滑油的润滑效果。

(4)通过改性氧化石墨烯的加入，由于石墨烯独特的二维平面结构，在摩擦过程中，在温度、作用力的条件下能形成区别于物理润滑膜的化学反应油膜，在薄膜强度和韧性上得到了加强。因此显著提高了合成润滑油的抗磨减磨性能。

附图说明：

图1改性氧化石墨烯的制备反应式

图2(a)未改性氧化石墨烯和(b)改性氧化石墨烯的扫描电镜图

具体实施方法

为更好说明本发明，便于理解发明所述优点，但不用来限制本发明的范围，所述实例如下：

实施例1

(1)在干净的250ml三口烧瓶中，放入1.0克氧化石墨烯和2.5克正-十一醇，再添加7.5克N,N-二甲基甲酰胺混合，加热到30～35℃，放置超声波清洗器内超声5～10min，然后加入对甲苯磺酸0.025克，搅拌均匀；连接分水器和减压装置，控制压力为3500Pa加热到105℃，搅拌反应4h；将粗产物过滤，用无水乙醇洗涤三次、抽滤。放入干燥箱内50℃温度下烘干，取出研磨后得粉体状改性氧化石墨烯，改性示意图见图1。

(2)准确称量150mL甲苯加入到250mL的四口烧瓶内，缓慢通入氮气保持十分钟，加入6.5克马来酸酐，室温搅拌约10min，加入36.0克α-C₁₄烯烃，搅拌均匀后，缓慢升温至100℃，加入0.8克过氧化二苯甲酰，继续反应3h后结束聚合反应，得到α-C₁₄烯烃/马来酸酐的共聚物；改装反应装置添加分水器，在上述反应结束后直接在四口烧瓶中加入0.5克季戊四醇和0.2克对甲苯磺酸，缓慢升温至145℃，反应6h，油泵减压蒸馏除去溶剂甲苯，得到聚α-烯烃/酯类合成润滑油。

(3)取30克上述聚α-烯烃/酯类合成润滑油于100mL烧杯中，加入改性氧化石墨烯0.006克(占聚α-烯烃/酯类合成润滑油重量的0.02％)，添加抗氧化剂2,6-二叔丁基苯酚0.15克，先用玻璃棒快速搅拌10min，后放入超声波清洗器中超声搅拌10min，观察石墨烯分散均匀后倒入样品瓶，得到复合改性合成润滑油，样品编号为LG-1。

实施例2

首先按实施例1方法第(1)步合成改性氧化石墨烯，然后取30克聚α-烯烃/酯类合成润滑油于100mL烧杯中，加入改性氧化石墨烯0.012克(占聚α-烯烃/酯类合成润滑油重量的0.04％)，添加抗氧化剂2,6-二叔丁基苯酚0.15克，先用玻璃棒快速搅拌10min，后放入超声波清洗器中超声搅拌10min，观察石墨烯分散均匀后倒入样品瓶，得到复合改性合成润滑油，样品编号为LG-2。

实施例3

如同实施例2，但是改变改性氧化石墨烯的用量为0.018克(占聚α-烯烃/酯类合成润滑油重量的0.06％)，得到复合改性合成润滑油，样品编号为LG-3。

实施例4

如同实施例2，但是改变改性氧化石墨烯的用量为0.024克(占聚α-烯烃/酯类合成润滑油重量的0.08％)，得到复合改性合成润滑油，样品编号为LG-4。

实施例5

如同实施例2，但是改变改性氧化石墨烯的用量为0.030克(占聚α-烯烃/酯类合成润滑油重量的0.10％)，得到复合改性合成润滑油，样品编号为LG-5。

实施例6

利用日本Hitachi公司的S-4800型扫描电子显微镜观察改性氧化石墨烯表面形貌，样品无需喷金处理。由附图2可知，由于官能团的引入导致石墨烯表面结构发生了明显变化。

实施例7

以UMT-2多功能摩擦磨损试验机测试复合改性合成润滑油的抗摩擦效果。采用往复式滑动测试，具体实验参数为：载荷F_n＝10N，滑动距离S＝8mm，滑动速率V＝5mm/s，时间30min，温度75℃。

从表1看出：当改性氧化石墨烯添加量在一定范围内时，能有效改善复合改性合成润滑油抗摩擦性能。随着其添加比例的提高，摩擦系数整体变化先下降后上升；对于添加未改性氧化石墨烯而言，虽然比不添加时合成润滑油的摩擦系数有所下降，但是如果添加改性氧化石墨烯，复合改性合成润滑油的摩擦系数降低更加明显，当添加剂量为0.06％时，摩擦系数最低。

表1添加改性氧化石墨烯后复合改性合成润滑油的摩擦系数

添加比例	0	0.02％	0.04％	0.06％	0.08％	0.10％
							添加未改性氧化石墨烯	0.128	0.150	0.089	0.097	0.114	0.124
添加改性氧化石墨烯	0.128	0.093	0.085	0.072	0.098	0.115

实施例8

运动粘度：用石油产品运动粘度测定器，测定在100℃条件下的运动粘度，每个样品重复测定三次，粘度指数计算通过运动粘度值按照GB/T 1995-1998《石油产品粘度指数计算法》计算。

如表2所示，添加改性氧化石墨烯为0.10％时，100℃下油品运动粘度增幅为4.6mm²/s。主要原因是改性氧化石墨烯表面碳长链烷基增多，与合成润滑油碳长链之间形成相互纠缠作用，使得分子之间的作用力大大增强，因而增大了润滑油运动粘度。

表2改性氧化石墨烯对复合改性合成润滑油运动粘度的影响

添加比例	0	0.02％	0.04％	0.06％	0.08％	0.10％
							运动粘度(100℃)mm<sup>2</sup>/s	26	26.3	26.5	26.8	28.5	30.6
热分解温度(℃)	249	251	258	260	254	250
							酸值(mg/KOH·g<sup>-1</sup>)	0.0822	0.0825	0.0843	0.0854	0.0825	0.0819

实施例9

用TGA/1100SF-热重分析仪测定加入不同质量的改性氧化石墨烯时的分解温度，测定条件为：氮气气氛，流速20mL·min^-1，升温范围为40～600℃，升温速率为20℃·min^-1.

如表2所示，未加入改性氧化石墨烯合成油热分解起始温度为249℃，随着改性石墨烯的加入，合成油润滑油的热分解温度先上升后下降，主要原因是，随着改性氧化石墨烯的加入，与合成润滑油形成牢固的吸附，石墨烯极强的表面结构能，吸收了一部分热量，使得油品抗热稳定性得到提高。

实施例10

酸值测定：称取复合改性合成润滑油0.5g，加入130mL二甲苯，加热回流使产物溶解，再加入14mL氢氧化钾/乙醇标准溶液，继续加热回流1h，用硫酸/乙醇溶液滴定至终点.计算酸值。

M_KOH：KOH的摩尔浓度(mol/L)； V_KOH：KOH的体积(mL)；

H₂SO₄的摩尔浓度(mol/L)； H₂SO₄的体积(mL)；

M_sample：样品质量(g)； 56.1：KOH的分子质量.

如表2所示，添加改性氧化石墨烯前后对合成油酸值影响变化不大，酸值最高为0.0854mg/KOH·g^-1，最低为0.0819mg/KOH·g^-1。这主要是因为由于改性氧化石墨烯添加量占润滑油总质量很小，且在改性过程中并没有引入大量酸性物质，故而对合成润滑油影响酸值较小。

实施例11

分别取含不同质量百分数改性氧化石墨烯的复合改性合成润滑油20毫升，置于洁净烧杯中，按照《GB/T 5096实验产品铜片腐蚀试验方法》测试腐蚀等级，将打磨光滑的铜片迅速放入其中，用油浴锅升温至120℃，保持3h，实验结束取出铜片，与标准比色卡对照，确定铜片腐蚀等级如表3-3所示。由表3可知，添加改性石墨烯后润滑油对铜片腐蚀基本影响不大，抗腐蚀良好。

表3铜片腐蚀性测试

实施例12

分散稳定性是石墨烯改性润滑油中一个极其重要的参考数据，本实验通过自然沉降法考察分散稳定性，分别记录了质量分数为0.06％的氧化石墨烯和改性氧化石墨烯在合成润滑油中30天的分散情况。可以发现刚开始未改性和改性氧化石墨烯在润滑油中分散情况就有稍许不同，改性后的氧化石墨烯颜色较深，而未改性氧化石墨烯在润滑油中呈颗粒状分散，1天之后，改性氧化石墨烯分散情况并没有发生改变，而未改性氧化石墨烯上层颜色开始变淡，且底部有黑色絮状沉淀，随着沉淀时间的延长，未改性氧化石墨烯分层更加明显，30天后基本全部沉入瓶底，而改性氧化石墨烯在润滑油中的分散情况基本保持不变，依旧保持黑色状态。因此得到的改性氧化石墨烯由于其表面具有较好的亲油性，在润滑油中具有较好的分散稳定性。

Claims

1.一种改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于反应经历下列步骤：

1)将高级脂肪醇、氧化石墨烯与N,N-二甲基甲酰胺混合，高级脂肪醇重量是氧化石墨烯的2～5倍，加热到30～50℃，然后加入催化剂，搅拌均匀；

2)连接分水器和减压装置，加热到105℃，搅拌反应3～5h；

3)将粗产物过滤，用无水乙醇反复洗涤、抽滤、烘干，取出研磨后得粉体状改性氧化石墨烯。

2.如权利要求1所述一种改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于步骤1)中所述高级脂肪醇为：正-壬醇、正-癸醇、正-十一醇或正-十二醇。

3.如权利要求1所述一种改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于步骤1)中所述催化剂为对甲苯磺酸，占所述高级脂肪醇重量0.3～1.0％。

4.如权利要求1所述一种改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于步骤1)中N,N-二甲基甲酰胺用量为高级脂肪醇重量的2～3倍。

5.如权利要求1所述一种改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于步骤2)中，所述减压装置的压力为1500～4000Pa。

6.如权利要求1所述的一种改性氧化石墨烯的应用，其特征在于：将改性氧化石墨烯添加到聚α-烯烃/酯类合成润滑油中，再添加抗氧化剂，占聚α-烯烃/酯类合成润滑油质量的0.02～0.10％，分散后得到复合改性合成润滑油。

7.如权利要求6所述一种改性氧化石墨烯的应用，其特征在于：抗氧化剂为2,6-二叔丁基苯酚，占所述聚α-烯烃/酯类合成润滑油重量的0.3％～0.5％。

8.如权利要求6所述一种改性氧化石墨烯的应用，其特征在于：聚α-烯烃/酯类为α-C₁₄烯烃与马来酸酐的共聚物再与季戊四醇的酯化产物。