CN114195552A - 氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法，将制备得到的含有碳量子点的凝胶嫁接到陶瓷球表面；制备含有氮掺杂的碳量子点时采用柠檬酸为碳源和L‑精氨酸为氮源；柠檬酸通过成肽、脱水、碳化形成碳核，柠檬酸中的羧基与精氨酸中的氨基之间通过成肽反应，形成肽键；L‑精氨酸通过肽键有效修饰到碳量子点表面，并且使制备的碳量子点的尺寸更加均一，有效防止在润滑油中团聚。本发明装配到水润滑轴承中工作时，里面类球体的碳量子点以“微滚动体”的形式减少摩擦，而且碳量子点中含有大量的含氧官能团，与氮化硅陶瓷球表面硅元素在剧烈摩擦产生高温情况下，反应产生二氧化硅化学反应膜，使得润滑效果更好，润滑膜更加稳定。

Description

氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法
技术领域
本发明属于摩擦润滑领域，特别涉及一种氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法。
背景技术
在各国都推行绿色环保的大背景下，传统的轴承在此背景下显得格格不入，在润滑时，每年会有不计其数的润滑油泄露，污染水资源和土地，对鱼类和植被等破坏很严重，造成很恶劣的环境问题。就此，各国科学家和学者提出水润滑轴承代替传统轴承。与传统轴承相比，水润滑轴承的润滑剂由油改用水，轴承材料由金属改用陶瓷材料或者工程塑料。水润滑轴承润滑机理在于用水作润滑介质的摩擦副，其摩擦副材料还应具有良好的自润滑性能。当前，绝大部分研究者，主要研究保持架、内外圈等与陶瓷球之间摩擦副的材料改性等相关问题，从而改善水润滑轴承自润滑的特性；这类研究很大弊端在于重新制备保持架，所用设备更贵，精度更高，增加研究成本。因此，很多研究者又从润滑介质角度出发进行研究，来提高水润滑轴承的润滑能力。
虽然纳米材料(比如MoS2和h-BN)在摩擦领域表现出良好的摩擦性能，但是随着世界各国对生态环境的重视和可持续发展战略，一些含磷、硫和氯等元素的传统润滑添加剂急需被环保、高效的润滑添加剂所替代。与此同时，绿色无毒、润滑性能出色的碳纳米材料在基础油润滑领域中掀起一股研究热潮。但是，富勒烯、碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料也存在许多缺点，比如：合成方法复杂、制备成本较高，以及这些碳纳米材料因化学惰性在基础油中的长期分散性和贮存稳定性差，难以完全发挥其优异的润滑性和实现工业化应用。
碳量子点作为一种新型零维碳基纳米材料，具有尺寸极小、合成简单且较低廉、生物相容性好、绿色无毒、表面官能团可控、光学性能优异等特性，可以明显改善与基础油的相容性和长期分散稳定性，从而有望成为环保、高效的新型碳纳米润滑添加剂，在摩擦润滑领域中属于前沿性研究。当前，碳量子点在生物医疗等领域研究十分火热，但在摩擦润滑领域，碳量子的研究起步较晚，碳量子点具有羧基、羟基、羰基等官能团，有灵活的可设计性，因此碳量子作为绿色润滑的添加剂，有极大的发展潜力。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法。
本发明氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法：第一步，制备含有氮掺杂的碳量子点；第二步，将含有碳量子点的凝胶嫁接到陶瓷球表面。
优选地，制备含有氮掺杂的碳量子点，具体过程为：
(1)将柠檬酸为碳源，L-精氨酸为氮源，以1:1～3的摩尔比进行称量，称量后置于烧杯中，形成混合粉末。
(2)量取与混合粉末质量比为1～3：1的去离子水倒入步骤(1)的烧杯中。
(3)在常温下，通过磁力搅拌器对步骤(2)的烧杯内溶液进行磁力搅拌，使其充分溶解，形成透明溶液即可。
(4)将烧杯内经磁力搅拌后的溶液放入反应釜中，把反应釜放置恒温干燥箱中。反应后，自然冷却至室温，拿出反应釜，透明液体变成深褐色液体。
(5)将经步骤(4)得到的反应釜中深褐色液体置于离心机中离心处理，去除杂质。
(6)将步骤(5)中获得的液体装入透析袋中，再将透析袋置于装有去离子水的烧杯中，将该烧杯放置在磁力搅拌架上，在不断搅拌下进行透析，透析过程中每隔预设时间更换一次烧杯中去离子水。
(7)将经步骤(6)处理后透析袋中的液体置于恒温干燥箱中恒温烘干或者置于冷冻干燥机中干燥，得到氮掺杂的碳量子点。
优选地，将含有碳量子点的凝胶嫁接到陶瓷球表面，具体过程为：
a)称量氮掺杂的碳量子点，加入基体芦荟胶中，进行超声分散，使其充分混合均匀，得到芦荟胶混合物；其中，氮掺杂的碳量子点和芦荟胶的质量百分比为0.5％～2％：98％～99.5％。
b)将芦荟胶混合物装进雾化喷膜机(或喷雾机)，对氮化硅陶瓷球表面喷涂芦荟胶混合物。
c)将喷涂好的氮化硅陶瓷球放在紫外线固化灯下，进行初次固化，使芦荟胶混合物嫁接在氮化硅陶瓷球表面。
d)步骤b)和步骤c)重复2～3次，从而在氮化硅陶瓷球表面包覆完整的润滑膜，最后将包覆润滑膜的氮化硅陶瓷球放置在真空干燥箱中，进行二次固化定形，得到表面嫁接氮掺杂的碳量子点润滑膜的氮化硅陶瓷球。
更优选地，步骤(3)中磁力搅拌时间为0.5h～1h。
更优选地，步骤(4)中干燥温度为180℃～220℃，保温3h～4h。
更优选地，步骤(5)中在10000～12000r/min的转速下离心30min～1h。
更优选地，步骤(6)中透析袋的分子量为1000Da～2000Da。
更优选地，步骤(6)中透析时间为8h～36h。
更优选地，步骤a)中超声分散时间为30min～1h。
本发明具有的有益效果：
1、本发明以绿色环保为发展理念，在氮化硅陶瓷球表面制备氮掺杂的碳量子点润滑膜所采用的原料、制备工艺等，都是绿色、低能耗、无毒且经济的。作为碳源的柠檬酸，是易溶于水的天然防腐剂和食品添加剂；作为氮源的L-精氨酸，是人体内必须氨基酸的一种，常用于调味剂和食品香料；芦荟胶常用作护肤产品添加剂，都是天然绿色，对人体不会产生危害。
2、柠檬酸作为碳源，通过成肽、脱水、碳化形成碳核，柠檬酸中的羧基与精氨酸中的氨基之间通过成肽反应，形成肽键。而L-精氨酸通过肽键能够有效修饰到碳量子点表面，并且使制备的碳量子点的尺寸更加均一，有效防止在润滑油中团聚。
3、本发明采用表面嫁接成膜技术，以氮化硅陶瓷球为基体，以碳量子点为嫁接体，通过芦荟胶固化定形的方式，嫁接到陶瓷球表面，从而形成一层薄膜，填补水润滑轴承润滑膜方面的空白。本发明氮化硅陶瓷球表面附着的含有氮掺杂的碳量子点芦荟胶薄膜，装配到水润滑轴承中工作时，里面类球体的碳量子点以“微滚动体”的形式减少摩擦，而且碳量子点中含有大量的含氧官能团，与氮化硅陶瓷球表面硅元素在剧烈摩擦产生高温情况下，反应产生二氧化硅化学反应膜，使得润滑效果更好，润滑膜更加稳定。
4、由于碳量子点具有如尺寸极小、生物相容性好、绿色无毒等优异的特性，嫁接到陶瓷球表面制备润滑膜时，因尺寸在10nm以下，制备出的润滑膜尺寸厚度也较薄，对滚动轴承正常工作时，不会产生较大影响，表现出优异的摩擦特性。
具体实施方式
本发明氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法：第一步，制备含有氮掺杂的碳量子点；第二步，将含有碳量子点的凝胶嫁接到陶瓷球表面。具体步骤如下：
实施例1
第一步，制备含有氮掺杂的碳量子点，具体过程为：
(1)将柠檬酸为碳源和L-精氨酸为氮源以1:1的摩尔比进行称量，称量后放置于烧杯中，形成混合粉末。
(2)量取与混合粉末质量比为1：1的去离子水倒入步骤(1)的烧杯中。
(3)在常温下，通过磁力搅拌器对步骤(2)的烧杯内溶液进行磁力搅拌0.5h，使其充分溶解，当形成透明溶液即可。
(4)将烧杯内经磁力搅拌后的溶液放入反应釜中，把反应釜放置恒温干燥箱中，设置温度为220℃，保温3h。反应后，自然冷却至室温，拿出反应釜，透明液体变成深褐色液体。
(5)将经步骤(4)得到的反应釜中深褐色液体置于高速离心机中，在10000r/min的转速下离心30min，去除大颗粒杂质。
(6)将步骤(5)中获得的液体装入分子量为1000Da的透析袋中，再将透析袋置于装满去离子水的2000ml大烧杯中，将该烧杯放置在磁力搅拌架上，在不断搅拌下透析24h，透析过程中每隔6h更换一次烧杯中去离子水。
(7)将经步骤(6)处理后透析袋中的液体置于60℃恒温干燥箱中烘干，即得到氮掺杂的碳量子点。
第二步，将含有碳量子点的凝胶嫁接到陶瓷球表面，具体过程为：
a)称量氮掺杂的碳量子点，加入基体芦荟胶中，进行超声分散30min，使其充分混合均匀，得到芦荟胶混合物；其中，氮掺杂的碳量子点和芦荟胶的质量百分比为0.5％：99.5％。
b)将配制好的芦荟胶混合物装进雾化喷膜机，对氮化硅陶瓷球表面喷涂芦荟胶混合物。
c)将喷涂好的氮化硅陶瓷球放在大功率紫外线固化灯下，进行初次固化，固化定形10min，使芦荟胶混合物嫁接在氮化硅陶瓷球表面。
d)步骤b)和步骤c)重复操作3次，从而在氮化硅陶瓷球表面包覆完整的润滑膜，最后将包覆润滑膜的氮化硅陶瓷球放置在真空干燥箱中，在60℃下二次固化30min，得到表面嫁接氮掺杂的碳量子点润滑膜的氮化硅陶瓷球。
实施例2
第一步，制备含有氮掺杂的碳量子点，具体过程：
(1)将柠檬酸为碳源和L-精氨酸为氮源以1:2的摩尔比进行称量，称量后放置于烧杯中，形成混合粉末。
(2)使用量筒量取与混合粉末质量比为2：1的去离子水倒入步骤(1)的烧杯中。
(3)在常温下，通过磁力搅拌器对步骤(2)的烧杯内溶液进行磁力搅拌0.5h，使其充分溶解，当形成透明溶液即可。
(4)将烧杯内经磁力搅拌后的溶液放入反应釜中，把反应釜放置恒温干燥箱中，设置温度为180℃，保温4h。反应后，自然冷却至室温，拿出反应釜，透明液体变成深褐色液体。
(5)将经步骤(4)得到的反应釜中深褐色液体置于高速离心机中，在10000r/min的转速下离心30min，去除大颗粒杂质。
(6)将步骤(5)中获得的液体装入分子量为1000Da的透析袋中，再将透析袋置于装满去离子水的2000ml大烧杯中，将该烧杯放置在磁力搅拌架上，在不断搅拌下透析24h，透析过程中每隔6h更换一次烧杯中去离子水。
(7)将经步骤(6)处理后透析袋中的液体置于60℃恒温干燥箱中烘干，即得到氮掺杂的碳量子点。
第二步，将含有碳量子点的凝胶嫁接到陶瓷球表面，具体过程：
a)称量氮掺杂的碳量子点，加入基体芦荟胶中，进行超声分散30min，使其充分混合均匀，得到芦荟胶混合物；其中，氮掺杂的碳量子点和芦荟胶的质量百分比为1％：99％。
b)将配制好的芦荟胶混合物装进雾化喷膜机，对氮化硅陶瓷球表面均匀喷涂芦荟胶混合物。
c)将喷涂好的氮化硅陶瓷球放在大功率紫外线固化灯下，进行初次固化，固化定形10min，使芦荟胶混合物嫁接在氮化硅陶瓷球表面。
d)步骤b)和步骤c)重复操作3次，从而在氮化硅陶瓷球表面包覆完整的润滑膜，最后将包覆润滑膜的氮化硅陶瓷球放置在真空干燥箱中，在60℃下进行二次固化30min，得到表面嫁接氮掺杂的碳量子点润滑膜的氮化硅陶瓷球。
实施例3
第一步，制备含有氮掺杂的碳量子点，具体过程：
(1)将柠檬酸为碳源和L-精氨酸为氮源以1:3的摩尔比进行称量，称量后放置于烧杯中，形成混合粉末。
(2)使用量筒量取与混合粉末质量比为3：1的去离子水倒入步骤(1)的烧杯中。
(3)在常温下，通过磁力搅拌器对步骤(2)的烧杯内溶液进行磁力搅拌0.5h，使其充分溶解，当形成透明溶液即可。
(4)将烧杯内经磁力搅拌后的溶液放入反应釜中，把反应釜放置恒温干燥箱中，设置温度为220℃，保温3h。反应后，自然冷却至室温，拿出反应釜，透明液体变成深褐色液体。
(5)将经步骤(4)得到的反应釜中深褐色液体置于高速离心机中，在12000r/min的转速下离心30min，去除大颗粒杂质。
(6)将步骤(5)中获得的液体装入分子量为1000Da的透析袋中，再将透析袋置于装满去离子水的2000ml大烧杯，将该烧杯放置在磁力搅拌架上，在不断搅拌下透析36h，透析过程中每隔6h更换一次烧杯中去离子水。
(7)将经步骤(6)处理后透析袋中的液体置于60℃恒温干燥箱中烘干，即得到氮掺杂的碳量子点。
第二步，将含有碳量子点的凝胶嫁接到陶瓷球表面，具体过程：
a)称量氮掺杂的碳量子点，加入基体芦荟胶中，进行超声分散30min，使其充分混合均匀，得到芦荟胶混合物；其中，氮掺杂的碳量子点和芦荟胶的质量百分比为2％：98％。
b)将配制好的芦荟胶混合物装进雾化喷膜机，对氮化硅陶瓷球表面喷涂芦荟胶混合物。
c)将喷涂好的氮化硅陶瓷球放在大功率紫外线固化灯下，进行初次固化定形10min，使芦荟胶混合物嫁接在氮化硅陶瓷球表面。
d)步骤b)和步骤c)步骤重复操作3次，从而在氮化硅陶瓷球表面包覆完整的润滑膜，最后将包覆润滑膜的氮化硅陶瓷球放置在真空干燥箱中，在60℃下二次固化30min，得到表面嫁接氮掺杂的碳量子点润滑膜的氮化硅陶瓷球。
采用常见的四球机摩擦磨损试验机对本发明各实施例制备得到的若干氮化硅陶瓷球(直径为12.7mm，硬度为1400-1700HRC)样品以及未嫁接芦荟胶混合物的普通氮化硅陶瓷球做摩擦试验进行对比，每个样品至少测三次，试验所用的油盒在摩擦试验前后均需用石油醚进行超声清洗。试验发现，在同等条件下摩擦同等的时间时，本发明各实施例制备得到的氮化硅陶瓷球平均摩擦系数和平均磨损体积相比普通氮化硅陶瓷球均大幅降低，表现出优异的减摩和抗磨性能，表明氮化硅表面嫁接氮掺杂的碳量子点润滑膜具有优异的摩擦学性能，可以显著提升水润滑轴承的自润滑性能。

Claims (9)

1.氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法，其特征在于：第一步，制备含有氮掺杂的碳量子点；第二步，将含有碳量子点的凝胶嫁接到陶瓷球表面。
2.根据权利要求1所述氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法，其特征在于：制备含有氮掺杂的碳量子点，具体过程为：
(1)将柠檬酸为碳源，L-精氨酸为氮源，以1:1～3的摩尔比进行称量，称量后置于烧杯中，形成混合粉末；
(2)量取与混合粉末质量比为1～3：1的去离子水倒入步骤(1)的烧杯中；
(3)在常温下，通过磁力搅拌器对步骤(2)的烧杯内溶液进行磁力搅拌，形成透明溶液；
(4)将烧杯内经磁力搅拌后的溶液放入反应釜中，把反应釜放置恒温干燥箱中；反应后，自然冷却至室温，拿出反应釜，透明液体变成深褐色液体；
(5)将经步骤(4)得到的反应釜中深褐色液体置于离心机中离心处理，去除杂质；
(6)将步骤(5)中获得的液体装入透析袋中，再将透析袋置于装有去离子水的烧杯中，将该烧杯放置在磁力搅拌架上，在不断搅拌下进行透析，透析过程中每隔预设时间更换一次烧杯中去离子水；
(7)将经步骤(6)处理后透析袋中的液体置于恒温干燥箱中恒温烘干或者置于冷冻干燥机中干燥，得到氮掺杂的碳量子点。
3.根据权利要求1或2所述氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法，其特征在于：将含有碳量子点的凝胶嫁接到陶瓷球表面，具体过程为：
a)称量氮掺杂的碳量子点，加入基体芦荟胶中，进行超声分散，得到芦荟胶混合物；其中，氮掺杂的碳量子点和芦荟胶的质量百分比为0.5％～2％：98％～99.5％；
b)将芦荟胶混合物装进雾化喷膜机，对氮化硅陶瓷球表面喷涂芦荟胶混合物；
c)将喷涂好的氮化硅陶瓷球放在紫外线固化灯下，进行初次固化，使芦荟胶混合物嫁接在氮化硅陶瓷球表面；
d)步骤b)和步骤c)重复2～3次，从而在氮化硅陶瓷球表面包覆完整的润滑膜，最后将包覆润滑膜的氮化硅陶瓷球放置在真空干燥箱中，进行二次固化定形，得到表面嫁接氮掺杂的碳量子点润滑膜的氮化硅陶瓷球。
4.根据权利要求2所述氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法，其特征在于：步骤(3)中磁力搅拌时间为0.5h～1h。
5.根据权利要求2所述氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法，其特征在于：步骤(4)中干燥温度为180℃～220℃，保温3h～4h。
6.根据权利要求2所述氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法，其特征在于：步骤(5)中在10000～12000r/min的转速下离心30min～1h。
7.根据权利要求2所述氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法，其特征在于：步骤(6)中透析袋的分子量为1000Da～2000Da。
8.根据权利要求2所述氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法，其特征在于：步骤(6)中透析时间为8h～36h。
9.根据权利要求3所述氮化硅陶瓷球表面嫁接氮掺杂碳量子点的成膜方法，其特征在于：步骤a)中超声分散时间为30min～1h。
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