CN114874454B - 一种氧化石墨烯接枝功能化zif-8润滑材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化石墨烯接枝功能化ZIF‑8润滑材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、按将锌盐和2‑甲基咪唑分别溶解到甲醇中，混合后充分搅拌，然后离心、洗涤、干燥得到ZIF‑8粉末；步骤二、将ZIF‑8粉末加入到tris缓冲液中，超声分散后加入盐酸多巴胺，搅拌反应，然后离心、洗涤、干燥得到功能化ZIF‑8；步骤三、采用细胞破碎仪对氧化石墨烯进行破碎，将破碎后的氧化石墨烯与功能化的ZIF‑8按质量比为(0.3～3):1分散到甲醇溶液中，搅拌反应后离心、洗涤、真空干燥得到氧化石墨烯接枝功能化ZIF‑8复合材料；该方法工艺简单成本低，不需要高温高压的条件，节时节能，制备出具有高效、低磨损的润滑材料，且绿色、无污染。
Description
技术领域
本发明属于润滑材料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料及其制备方法。
背景技术
ZIF-8是一种具有沸石拓扑结构的多孔材料，具有较大的比表面积、良好的相容性、热稳定性和机械柔性。得益于咪唑桥联结构的独特灵活性，ZIF-8能够承受大的弹性变形，以桥接摩擦间隙，防止摩擦副之间的直接接触，从而减少摩擦和磨损。因此，在润滑领域有很大的研究意义。但是ZIF-8很容易水解造成结构坍塌，转化为具有较大表面积的片状微观结构。并且由于水解产生的材料尺寸较大，它无法进入摩擦间隙提供有效润滑。此外，ZIF-8在水中的分散稳定性差，长期的摩擦会造成润滑失效。Zhang等人报道通过用更疏水的5，6-2-甲基苯并咪唑取代ZIF-8外表面的甲基咪唑配体，改善了ZIF-8膜和晶体的水稳定性(J.Membr.Sci.2017,532,1–8.)。然而，更疏水的ZIF-8在水中的分散性更差。Niu等人报道硫化异丁烯作为基础油添加剂原位包裹在ZIF-8中，显示出优异的抗磨性能和承载能力(Tribol.Int.2020,151,106491.)。然而，合成过程复杂，所采用的硫化异丁烯污染较大。申请号201510399184.8的中国发明专利公开了一种润滑油、润滑油添加剂及其制备方法，该方法将硫或氯元素填充进ZIF-8材料中作为润滑油添加剂。但制备过程繁杂，且摩擦学性能提升有限。
氧化石墨烯在力学方面和导热方面性能优越，同时还具有二维薄膜结构，与其他材料相比更加容易黏附和保护接触面。因此，将氧化石墨烯与ZIF-8复合有望制备出一种绿色、高效的润滑材料，从而提高摩擦学性能。申请号202010208171.9的中国发明专利公开了高阻燃型DOPO功能化氧化石墨烯/ZIF-8复合材料及制备方法，该方法成功将ZIF-8接枝到氧化石墨烯表面，但是复合材料在水中的稳定性和分散性差，无法达到预期的润滑性能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料及其制备方法，制备出的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料在水中的稳定性和分散性好，具有高效、低磨损的润滑性能，且工艺简单、成本低。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按照摩尔比为1:8将锌盐和2-甲基咪唑分别溶解到甲醇中，混合后充分搅拌，然后离心、洗涤、干燥得到ZIF-8粉末；
步骤二、将ZIF-8粉末加入到tris缓冲液中，超声分散后加入盐酸多巴胺，搅拌反应，然后离心、洗涤、干燥得到功能化ZIF-8；
其中，ZIF-8粉末与盐酸多巴胺质量比为1:(0.5～1.5)；
步骤三、采用细胞破碎仪对氧化石墨烯进行破碎，将破碎后的氧化石墨烯与功能化的ZIF-8按质量比为(0.3～3):1分散到甲醇溶液中，搅拌反应后离心、洗涤、真空干燥得到氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8复合材料。
本发明还具有以下技术特征：
优选的，步骤一中所述的锌盐为硝酸锌或乙酸锌。
优选的，步骤一中所述的搅拌时间为3～24小时。
优选的，步骤一制备的ZIF-8尺寸为100～200nm。
优选的，所述步骤二中tris缓冲液pH＝8.5，搅拌时间为18～24小时。
优选的，所述步骤三中破碎时间为10～60分钟。
优选的，所述步骤三中搅拌时间为3～12小时，真空干燥温度为60℃。
本发明还保护一种如上所述的方法制备的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明提供了一种氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的制备方法，该方法首先对ZIF-8进行功能化，将聚多巴胺包覆在ZIF-8表面，然后将功能化的ZIF-8接枝到氧化石墨烯表面，该方法工艺简单成本低，不需要高温高压的条件，节时节能；
本发明使用聚多巴胺对ZIF-8进行表面修饰，使聚多巴胺均匀的包覆在ZIF-8表面，聚多巴胺不仅能提高ZIF-8在水中的稳定性，抑制其水解，还提供了部分活性基团，使得功能化的ZIF-8表面拥有更为丰富的官能团，以便接枝在氧化石墨烯表面；氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8复合材料表面含有丰富的活性基团有助于其在溶剂中的分散与稳定，提高了复合材料在水中分散稳定性，ZIF-8与氧化石墨烯的协同作用有助于实现高效、低磨损的润滑性能；
本发明制备的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料属于绿色、无污染的润滑添加剂，满足环保的要求，具有良好的环境兼容性。
附图说明
图1是本发明制备的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的SEM图；
图2是本发明制备的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的TEM图；
图3是本发明制备的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的XRD图；
图4是本发明制备的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的水分散性照片；
图5是本发明制备的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的摩擦系数曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明。
实施例1：
步骤一、将1.5g六水合硝酸锌和3.3g 2-甲基咪唑分别溶解在70mL甲醇中，将2-甲基咪唑溶液倒入硝酸锌溶液中，并在室温下搅拌24小时；然后，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用甲醇洗涤三次；最后，在60℃干燥12小时得到ZIF-8；
步骤二、将0.2g ZIF-8添加到100mL pH＝8.5的Tris缓冲液中，超声分散30分钟，每10分钟移出一次并充分摇动，然后添加0.2g盐酸多巴胺，搅拌反应24小时，接下来，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用乙醇和水分别洗涤三次；最后，成品在60℃下真空干燥12小时，获得的最终样品标记为ZIF-8@PDA；
步骤三、将0.1g GO分散到20mL甲醇中，在冰浴条件下破碎40分钟，之后0.1g ZIF-8@PDA分散到甲醇中超声分散30min，将破碎后的GO和ZIF-8@PDA溶液混合后搅拌3小时，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用甲醇洗涤三次，最后，在60℃真空干燥12小时得到氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8。
实施例2：
步骤一、将1.5g六水合硝酸锌和3.3g 2-甲基咪唑分别溶解在70mL甲醇中，将2-甲基咪唑溶液倒入硝酸锌溶液中，并在室温下搅拌24小时；然后，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用甲醇洗涤三次；最后，在60℃干燥12小时得到ZIF-8；
步骤二、将0.2g ZIF-8添加到100mL pH＝8.5的Tris缓冲液中，超声分散30分钟，每10分钟移除一次并充分摇动，然后添加0.3g盐酸多巴胺，搅拌反应24小时，接下来，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用乙醇和水分别洗涤三次；最后，成品在60℃下真空干燥12小时，获得的最终样品标记为ZIF-8@PDA；
步骤三、将0.1g GO分散到20mL甲醇中，在冰浴条件下破碎40分钟，之后0.1g ZIF-8@PDA分散到甲醇中超声分散30min，将破碎后的GO和ZIF-8@PDA溶液混合后搅拌3小时，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用甲醇洗涤三次，最后，在60℃真空干燥12小时得到氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8。
实施例3：
步骤一、将1.5g六水合硝酸锌和3.3g 2-甲基咪唑分别溶解在70mL甲醇中，将2-甲基咪唑溶液倒入硝酸锌溶液中，并在室温下搅拌24小时；然后，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用甲醇洗涤三次。最后，在60℃干燥12小时得到ZIF-8；
步骤二、将0.2g ZIF-8添加到100mL pH＝8.5的Tris缓冲液中，超声分散30分钟，每10分钟移除一次并充分摇动，然后添加0.2g盐酸多巴胺，搅拌反应24小时，接下来，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用乙醇和水分别洗涤三次；最后，成品在60℃下真空干燥12小时，获得的最终样品标记为ZIF-8@PDA；
步骤三、将0.1g GO分散到20mL甲醇中，在冰浴条件下破碎40分钟，之后0.1g ZIF-8@PDA分散到甲醇中超声分散30min，将破碎后的GO和ZIF-8@PDA溶液混合后搅拌12小时，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用甲醇洗涤三次，最后，在60℃真空干燥12小时得到氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8。
实施例4：
步骤一、将1.5g六水合硝酸锌和3.3g 2-甲基咪唑分别溶解在70mL甲醇中，将2-甲基咪唑溶液倒入硝酸锌溶液中，并在室温下搅拌24小时；然后，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用甲醇洗涤三次；最后，在60℃干燥12小时得到尺寸为150nm的ZIF-8；
步骤二、将0.2g ZIF-8添加到100mL pH＝8.5的Tris缓冲液中，超声分散30分钟，每10分钟移除一次并充分摇动，然后添加0.2g盐酸多巴胺，搅拌反应24小时，接下来，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用乙醇和水分别洗涤三次；最后，成品在60℃下真空干燥12小时，获得的最终样品标记为ZIF-8@PDA；
步骤三、将0.15g GO分散到20mL甲醇中，在冰浴条件下破碎40分钟，之后0.1gZIF-8@PDA分散到甲醇中超声分散30min，将破碎后的GO和ZIF-8@PDA溶液混合后搅拌3小时，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用甲醇洗涤三次，最后，在60℃真空干燥12小时得到氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8。
实施例1制得的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8的SEM图如图1所示，TEM如图2所示，由图1和图2可知，ZIF-8@PDA纳米粒子成功接枝在氧化石墨烯纳米片表面。
实施例1-4制得的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8的XRD如图3所示；功能化后的ZIF-8的峰依旧未发生明显改变，表明ZIF-8@PDA仍保留ZIF-8的结构，对于ZIF-8@PDA/GO，代表氧化石墨烯(001)晶面的峰由11.1°移动到10.3°，这是由于功能化反应导致的结构变化。
实施例1-4制得的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8的水分散性照片如图4所示。由图4可以看出：本发明所制备的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8均匀稳定的分散在水中，静止96小时后，复合材料仍能稳定的分散。
实施例1-4制得的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8的摩擦系数曲线如图5所示。由图5可以看出，氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8有效的降低了水的摩擦系数，具有优异的润滑性能。
实施例5：
步骤一、将0.84g二水合乙酸锌和2.62g 2-甲基咪唑分别溶解在70mL甲醇中，将2-甲基咪唑溶液倒入硝酸锌溶液中，并在室温下搅拌3小时；然后，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用甲醇洗涤三次；最后，在60℃干燥12小时得到尺寸为200nm的ZIF-8；
步骤二、将0.2g ZIF-8添加到100mL pH＝8.5的Tris缓冲液中，超声分散30分钟，每10分钟移除一次并充分摇动，然后添加0.1g盐酸多巴胺，搅拌反应18小时，接下来，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用乙醇和水分别洗涤三次；最后，成品在60℃下真空干燥12小时，获得的最终样品标记为ZIF-8@PDA；
步骤三、将0.15g GO分散到20mL甲醇中，在冰浴条件下破碎10分钟，之后0.05gZIF-8@PDA分散到甲醇中超声分散30min，将破碎后的GO和ZIF-8@PDA溶液混合后搅拌12小时，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用甲醇洗涤三次，最后，在60℃真空干燥12小时得到氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8。
实施例6：
步骤一、将0.84g二水合乙酸锌和2.62g 2-甲基咪唑分别溶解在70mL甲醇中，将2-甲基咪唑溶液倒入硝酸锌溶液中，并在室温下搅拌15小时；然后，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用甲醇洗涤三次；最后，在60℃干燥12小时得到尺寸为100nm的ZIF-8；
步骤二、将0.2g ZIF-8添加到100mL pH＝8.5的Tris缓冲液中，超声分散30分钟，每10分钟移除一次并充分摇动，然后添加0.1g盐酸多巴胺，搅拌反应20小时，接下来，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用乙醇和水分别洗涤三次；最后，成品在60℃下真空干燥12小时，获得的最终样品标记为ZIF-8@PDA；
步骤三、将0.03g GO分散到20mL甲醇中，在冰浴条件下破碎60分钟，之后0.1gZIF-8@PDA分散到甲醇中超声分散30min，将破碎后的GO和ZIF-8@PDA溶液混合后搅拌6小时，通过离心(8000r\/5min)收集产物，并用甲醇洗涤三次，最后，在60℃真空干燥12小时得到氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8。
以上所列出的具体实施例是为了更好的对本发明的技术方案进行说明，并不对本发明进行限制，凡在本发明内涵之内所作的任何修改、等同替换和改进等，也不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、按照摩尔比为1:8将锌盐和2-甲基咪唑分别溶解到甲醇中，混合后充分搅拌，然后离心、洗涤、干燥得到ZIF-8粉末；
步骤二、将ZIF-8粉末加入到tris缓冲液中，超声分散后加入盐酸多巴胺，搅拌反应，然后离心、洗涤、干燥得到功能化ZIF-8；
其中，ZIF-8粉末与盐酸多巴胺质量比为1:(0.5～1.5)；
步骤三、采用细胞破碎仪对氧化石墨烯进行破碎，将破碎后的氧化石墨烯与功能化的ZIF-8按质量比为(0.3～3):1分散到甲醇溶液中，搅拌反应后离心、洗涤、真空干燥得到氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8复合材料。
2.如权利要求1所述的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的锌盐为硝酸锌或乙酸锌。
3.如权利要求1所述的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的搅拌时间为3～24小时。
4.如权利要求1所述的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的制备方法，其特征在于，步骤一制备的ZIF-8尺寸为100～200nm。
5.如权利要求1所述的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中tris缓冲液pH＝8.5，搅拌时间为18～24小时。
6.如权利要求1所述的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中破碎时间为10～60分钟。
7.如权利要求1所述的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中搅拌时间为3～12小时，真空干燥温度为60℃。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的方法制备的氧化石墨烯接枝功能化ZIF-8润滑材料。
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