TW201300318A - 石墨烯、石墨烯衍生物與研磨奈米顆粒之簡易合成及彼等包括摩擦上有利的潤滑劑添加物之各種用途 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯、其他石墨烯衍生物結構以及用作拋光劑的奈米顆粒的多種非原位合成方法。本發明亦揭露用於拋光、硬化、保護裝置及系統(包括但不限於發動機、增壓渦輪、渦輪、磁軌、滾道、輪、軸承、齒輪系統、裝甲、隔熱板及其他通過使用機械加工的相互作用硬表面的物理和機械系統)中的運動部件及固定部件以及延長它們的壽命的潤滑劑組合物，以及通過使用由潤滑劑組合物原位形成的奈米拋光劑及(在某些情況下)由潤滑劑組合物非原位形成的奈米拋光劑來拋光、硬化、保護裝置及系統(包括但不限於發動機、增壓渦輪、渦輪、磁軌、滾道、輪、軸承、齒輪系統、裝甲、隔熱板及其他通過使用機械加工的相互作用硬表面的物理和機械系統)中的運動部件及固定部件以及延長它們的壽命的方法，以及這些奈米拋光劑的各種用途。

Description

石墨烯、石墨烯衍生物與研磨奈米顆粒之簡易合成及彼等包括摩擦上有利的潤滑劑添加物之各種用途
本發明涉及石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯及其他石墨烯衍生物結構的可擴展為工業級的非原位合成方法，以及奈米顆粒及它們在這些非原位合成中的用途，包括但不限於複合材料、複合材料製備及塗層、摩擦學、奈米技術、表面修整、機械加工及加工工具、膛孔、鑽孔、隧道挖掘、彈道學、反彈道技術、隔熱、熱吸收、潤滑劑添加劑、潤滑劑組合物、塗層、潤滑方法、硬表面拋光方法、以及切割、鑽削、硬化、保護及製作鋼及其他硬表面的方法等領域。本發明進一步涉及磨料奈米顆粒在用於拋光、硬化、保護設備及系統(包括但不限於發動機、增壓渦輪、渦輪、磁軌、滾道、輪、軸承、齒輪系統及其他通過使用機械加工的相互作用硬表面的物理和機械系統)中的運動部件及固定部件以及延長它們的壽命的潤滑劑組合物中的用途，其中所述磨料奈米顆粒由所述潤滑劑組合物原位形成，或(在某些情況下)由潤滑劑組合物非原位形成然後在潤滑劑使用前被添加到潤滑劑。
石墨烯及石墨烯衍生物的合成
由於其觀測物理性質及理論上之物理性質(包括其大比表面積、高本征遷移率、高楊氏模量(~1.0 TPa)、高熱導率(~5000 Wm-1K-1)、高光透射率(~97.7%)、低氣體滲透率及高電子傳輸能力)，單層石墨烯近幾年來一直是相當多 的調查、研究及討論的課題，其實例可參看Geim等人於《自然材料》期刊第6卷第183-191頁發表的「石墨烯的出現」(Geim,et al.,「The Rise of Graphene」，Natural Materials,Vol.6,pp.183-191)及Zhu等人於《高級材料》期刊2010年第22卷第3906-3924頁發表的「石墨烯及氧化石墨烯：合成、性質及應用」(Zhu et al.,「Graphene and Graphene Oxide：Synthesis,Properties,and Applications」，Advanced Materials,Vol.22,pp.3906-3924,2010)。基於石墨烯的這些性質，石墨烯已經被考慮用於多種用途，比如光催化、能量儲存、太陽能電池、透明電極、半導體、高強度/低重量複合材料、防護塗料以及電場發射。然而，大規模而經濟的生產方法還是難以捉模。
純石墨烯是一蜂巢晶格的sp2雜化態碳環中的一平面多環單原子層的純碳。石墨烯在理論上是一單一純層的石墨，雖然在傳統上「石墨烯」一詞也用於帶有幾個堆疊原子層的石墨的材料，或用於一存在輕微缺陷但還是具有與純石墨烯相似的材料性質的石墨層的材料。石墨烯相對較為疏水，而且在傳統上是通過剝離石墨形成(石墨的剝離可以通過使用超臨界二氧化碳或通過微機械剝離來完成)，或通過碳化矽或某些金屬基體上的取向附生生長形成。也可以通過將乙醇液滴通過一常壓微波等離子體反應器中的氬等離子來形成石墨烯-詳見由Dato等人於《奈米快報》期刊2008年第8卷第2012-2016頁發表的「石墨烯薄片的無基體氣相合成」(Dato et al.,「Substrate-free Gas- phase Synthesis of Graphene Sheets」，Nano Letters,Vol.8,pp.2012-2016,2008)。
也有報導稱以氣溶膠熱解方法進行石墨烯奈米管合成-詳見由Pinault等人於《金剛石及相關材料》期刊2004年第13卷第1266-1269頁發表的「由氣溶膠熱解產生的碳奈米管：生長機理及退火後作用」(Pinault et al.,「Carbon nanotubes produced by aerosol pyrolysis：growth mechanisms and post-annealing effects」，Diamond and Related Materials,Vol.13,pp.1266-1269,2004)。甲苯或環己胺中的一2.5-5 wt%的二茂鐵溶液與氬進行氣溶，並在800-850℃的溫度下熱解。對碳奈米管形成的早期階段進行觀察。一層被相信是包括鐵的奈米顆粒首先在一固體基體上形成。一有序地毯的奈米管從這個奈米顆粒層生長，而從每個所述奈米顆粒生長出一個奈米管。所述試樣的高溫退火導致鐵從所述奈米管內消除，並導致所述奈米管的改進排序。
幾個新近的出版物報導稱在燃燒條件下形成石墨烯鍵。在一個實例中，所有四種形式的碳(即金剛石、石墨、富勒烯及無定形)的極少量的奈米顆粒在一石蠟蠟燭火焰中被發現-詳見由Su等人於《化學通訊》期刊2011年第47卷第4700-4702頁發表的「蠟燭火焰中的炭黑奈米顆粒透析」(Su et al.,「New insight into the soot nanoparticles in a candle flame」，Chemical Co mmunications,Vol.47,pp.4700-4702,2011)。在另一先前的實例中，在對來自一甲烷火焰的炭黑進行酸處理時，小量的奈米顆粒石墨碳被發 現-詳見由Tian等人於《化學與材料》期刊2009年第21卷第2803-2809頁發表的「來自天然氣炭黑的奈米碳顆粒」(Tian et al.,「Nanosized Carbon Particles from Natural Gas Soot」，Chem.Mater.,Vol.21,pp.2803-2809,2009)。在另一先前的實例中，從一乙醇火焰發現高度石墨化空心奈米管-詳見由Pan等人於《微米》期刊2004年第35卷第461-468頁發表的「來自乙醇火焰的碳奈米管及奈米纖維的合成及生長機理」(Pan et al.,「Synthesis and growth mechanism of carbon nanotubes and nanofibers from ethanol flames」，Micron,Vol.35,pp.461-468,2004)。同樣地，曾經在激光燒蝕鐵或鎳奈米顆粒催化劑存在的條件下，使用以一乙炔火焰燃燒的CO/H2/He/C2H2(一氧化碳/氫/氦/乙炔)氣體混合物合成碳奈米管-詳見由Vander Wal等人於《美國化學學會燃料化學部》期刊2004年第49卷第879-880頁發表的「使用以激光燒蝕製備的催化劑顆粒來進行碳奈米管的火焰合成」(Vander Wal et al.,「Flame Synthesis of Carbon Nanotubes using Catalyst Particles Prepared by Laser Ablation」，American Chemical Society,Division of Fuel Chemistry,Vol.49,pp.879-880,2004)。
多環芳烴(PAHs)構成不完全燃燒、熱解或烴的其他低氧熱降解的殘餘顆粒物中含有的大氣「炭黑」的部分。由於這些多環芳烴(PAHs)通常被視為不完全燃燒的不合要求的副產物，許多研究已經集中於怎樣最小化或完全消除燃燒過程中「炭黑」的形成，例如見Coppalle等人於《燃燒科 學與技術》期刊1993年第93卷第375-386頁發表的「關於炭黑在乙烯射流火焰中的形成的實驗及理論研究」(Coppalle et al.,「Experimental and Theoretical Studies on Soot Formation in an Ethylene Jet Flame」，Combustion Science and Technology,Vol.93,pp.375-386,1993)。
多環芳烴(PAHs)具有充分的稠合芳碳環的平面結構，其氫原子鍵合到基架的周圍碳原子。多環芳烴(PAHs)可以被看作是石墨烯的微型奈米尺度結構。
石墨烯衍生物包括帶有部分地組合雜環原子(比如氧或所述碳晶格中的其他結構缺陷)的石墨鍵的結構。如此中所述，石墨烯衍生物也包括諸如奈米管、奈米芽、富勒烯、奈米豆莢、入嵌富勒烯、奈米洋蔥、氧化石墨烯、不規則碳等結構以及其他可能包括結構或化學缺陷的非石墨烯形式的石墨碳。
氧化石墨烯(GO)是一不純的氧化形式的石墨烯家族，其包括鍵合到所述晶格基架中的不同碳原子的羥基及環氧基。氧化石墨烯的結構特性已經被廣泛研究-詳見由Mkhoyal等人於《奈米快報》期刊2009年第9卷第1058-1063頁發表的「氧化石墨烯的原子及電子結構」(Mkhoyal et al.,「Atomic and Electronic Structure of Graphene Oxide」，Nano Letters,Vol.9,pp.1058-1063,2009)，但氧化石墨烯的準確的化學結構還是爭議的課題，而且具有相當大的不定性，至少在所研究的不同試樣中觀測到的羥基及環氧基頻率及位置方面而言是這樣的。
氧化石墨烯(GO)也已知包括被相信是位於碳薄片的邊緣的羧酸基。這些不同的基允許氧化石墨烯進一步的化學功能化。最近有報導稱，一石墨烯衍生物中羧基到羥基的轉化產生一稱為「石墨醇」(graphenol)的物質。已經有關於通過熱解將這種「石墨醇」(graphenol)轉化為石墨烯，然而這些方法包括使用有毒化學品(比如肼)-詳見由Beall於2011年8月18日發表的標題為「生產石墨烯及石墨醇的方法及系統」(Method and System for Producing Graphene and Graphenol)的第2011/0201739號美國專利申請出版物(U.S.Patent Application Publication No.2011/0201739)。
與石墨烯沒有不同，氧化石墨烯(GO)在傳統上是由剝離的氧化石墨形成，或通過石墨烯本身的氧化形成。氧化石墨烯薄片可以有目的地在範圍廣泛的氧化水平條件下(測得氧對碳比率高達約1：2)形成。由於氧化石墨烯具有獨特的與石墨烯不同的物理及化學特性，其結構可變性已經使它不具有進行許多實驗研究的吸引力。與石墨烯相反，氧化石墨烯不但親水，而且是一高硬度及高強度的電絕緣體-詳見由Dreyer等人於《化學學會評論》期刊2010年第39卷第228-240頁發表的「氧化石墨烯的化學」(Dreyer et al.,「The chemistry of graphene oxide」，Chemical Society Reviews,Vol.39,pp.228-240,2010)。
氧化石墨烯(GO)的製備最初是通過以氯酸鉀及發煙硝酸處理石墨來進行-詳見由Brodie於《倫敦皇家學會論文集》期刊1859年第10卷第249頁發表的「關於石墨的原子量」 (Brodie,「On the Atomic Weight of Graphite」，Proceedings of the Royal Society of London,Vol.10,p.249,1859)。一個有點更為有效的過程使用硫酸、硝酸鈉及高錳酸鉀來將石墨轉化為氧化石墨烯-詳見由Hu mmers等人於《美國化學學會期刊》1958年第80卷第1339頁發表的「石墨氧化物的製備」(Hu mmers et al.,「Preparation of Graphitic Oxide」，Journal of the American Chemical Society,Vol.80,p.1339,1958)。最近報導稱，一更為有效的方法使用硫酸、磷酸及高錳酸鉀-詳見由Marcano等人於《美國化學學會奈米》期刊2010年第4卷第4806-4814頁發表的「氧化石墨烯的改進合成方法」(Marcano et al.,「Improved Synthesis of Graphene Oxide」，ASC Nano,Vol.4,pp.4806-4814,2010)。
在水中的膠態分散的氧化石墨烯(GO)可以使用水合肼來化學還原到石墨烯。氧化石墨烯的其他化學還原劑包括氫醌、氣態氫及強鹼性溶液。氧化石墨烯的熱剝離及還原在消除所產生的副產物二氧化碳氣體的熱擠壓條件下加熱至1050℃時發生。最後，可以通過將氧化石墨烯薄膜的相反端的電極置於一非導電基體，然後通過對所述氧化石墨烯薄膜施加電流，實現氧化石墨烯的電化學還原。
雖然迄今文獻中未曾有關於氧化石墨烯至石墨烯的完整還原的報導，但氧化石墨烯通過許多不同過程來還原，產生測得氧對碳比率低達約1：24的所謂「還原氧化石墨烯」(rGO)。
值得注目的是，根據觀察，還原氧化石墨烯(rGO)顯示的許多化學、物理及電氣性質與石墨烯及氧化石墨烯二者相比，與前者的這些性質更為相似。
石墨烯及其多種衍生物目前是許多調查及廣泛研究的課題，其部分原因是它們的許多潛在用途，包括但不限於潤滑劑、用於複合體增強的分子水平塗層、隔熱、彈道電晶體、集成電路以及增強纖維及電纜。
在石墨烯的生產中使用螯合廢碳
多種形式的廢碳螯合已為業界所知，包括但不限於將碳質廢料轉化成像「生物炭」的東西或將二氧化碳轉化為合成甲醇-其實例詳見由Hogan等人於美國華盛頓哥倫比亞特區「科學及環境國家委員會」的2011年 《地球百科全書》 中發表的「生物炭：螯合碳概念」(Hogan et al.,「Biochar：Concept to Sequester Carbon」，Encyclopedia of Earth,National Council for Science and the Enviro nment,Washnington,D.C.,2011)；由Jiang等人於《英國皇家學會哲學學報匯刊A》2010年第368卷第3343-3364頁發表的「將二氧化碳轉化為燃料」(Jiang et al.,「Turning carbon dioxide into fuel」，Philosophical Transactions of the Royal Society A,Vol.368,pp.3343-3364,2010)，但未曾有關於在石墨烯的合成中有益使用這樣的螯合或俘獲碳廢料作為碳質給料或增進劑的報導。
植入型醫用假體裝置
植入型醫用假體術在使用壽命及防止感染目的方面的成 功的一個重要因素是摩擦表面的一致性。醫療植入金屬器件的表面上的粗糙實體提供一宿留微生物的位置。以脈管系統或循環系統中的金屬器件而言，所述粗糙實體也提供一危險的血小板聚集位置，而血小板聚集可能導致心臟病發作或中風。將這樣的植入型醫用假體器件奈米拋光到接近原子級完美光滑度將會大大提高這樣的器件的安全性及功效。
奈米藥物、腫瘤學以及醫用影像學
放射或化療藥物對癌症部位的瞄準的改進及提供醫用影像的造影對比度的能力是醫學領域中的活躍研究範圍。磁性奈米顆粒已經作為磁共振成像的一種腫瘤造影劑使用-其實例詳見由Tiefenauer等人於《磁共振成像》期刊1996年第14卷第4章第391-402頁發表的「磁性奈米顆粒在磁共振成像中作為腫瘤造影劑使用的體內評估」(Tiefenauer et al.,「In vivo evaluation of magnetite nanoparticles for use as a tumor contrast agent in MRI」，Magnetic Resonance Imaging,Vol.14,No.4,pp.391-402,1996)。存在相當新近的關於「功能化的」「巴基球」(buckyballs)作為將導向藥物治療輸送到體內的腫瘤的手段來使用的調查及研究-其實例詳見由Yoon等人於《物理學學報：凝聚態物質》期刊2007年第19卷的九頁篇幅中發表的「使用奈米結構的導向藥物輸送」(Yoon et al.,「Targeted medication delivery using magnetic nanostructures」，Journal of Physics：Condensed Matter,Vol.19,9 pages,2007)。
鋼生產
鋼表面的凹陷及粗糙實體為以氧化鐵(亦稱鐵銹)為形式的破壞性氧化提供一表面。這些凹陷及粗糙實體的減少或消除將會增長這樣的鋼結構的使用壽命。
石墨烯及氧化石墨烯的反應環境
在本發明的一些實施例中，石墨烯及氧化石墨烯結構用於多種溶劑中，扮演反應包絡的角色，這創建一奈米環境，使反應發生，而這在熱動力學上類似或不利地類似酶在生物系統中的工作方式。這些石墨烯反應包絡(GREs)及氧化石墨烯反應包絡(GOREs)允許化學反應及原子重新組合(比如重組原子為晶體)發生，而化學反應及原子重新組合通常不會在所述反應包絡之外發生。所述石墨烯反應包絡或氧化石墨烯反應包絡扮演一「微反應或奈米反應容器」的角色，而且接著可以將所述包絡的部分修剪成一奈米磨料或其他奈米顆粒，從而成為反應產物的部分。在一個實施例中，所述包絡充當一奈米鼓風爐，進行從鐵到鋼的生產。
鋼可以以許多不同形式呈現，包括但不限於鐵酸鹽、奧氏體、珠光體、馬氏體、貝氏體、萊氏體、滲碳體、β鐵、六價鐵及它們的任何組合，視其製造條件而定。本發明的在石墨烯反應包絡或氧化石墨烯反應包絡中形成的奈米鋼可以是鐵酸鹽、奧氏體、珠光體、馬氏體、貝氏體、萊氏體、滲碳體、β鐵、六價鐵及它們的任何組合。
奈米鋼、奈米機器人技術及奈米機器製造
奈米結晶金屬合金合成已為業界所知-詳見由Alavi等人於由克羅地亞國里耶卡市InTech公司的Matsuda編輯的2011年 《奈米晶體》 期刊第237-262頁發表的「鹼土金屬碳酸鹽、氫氧化物及氧化物奈米晶體合成方法、規模及形態學考慮」(Alavi et al.,「Alkaline-earth Metal Carbonate,Hydroxide and Oxide Nano-crystals Synthesis Methods,Size and Morphologies Consideration」，pp.237-262 in Nanocrystals,ed.by Matsuda,InTech,Rijeka,Croatia,2011)。然而，還是未有關於鋼增強奈米顆粒、奈米洋蔥的合成以及純奈米鋼晶體及奈米金屬片的生產方法的報導。
奈米機器人技術一般指關於奈米技術工程及來自大小介於0.1至10 μm(微米)範圍的奈米尺度構件的機械裝置的製作的科學。這些理論器件的其他普通名稱是奈米機器人(nanobots)、侏儒(nanoids)、nanites及nanomites。假定這個領域的未來發展將允許構建微型遙控手術儀器及奈米尺度電子器件。微型鋼晶體或坯料的簡易而不昂貴的奈米制作方法將很有可能大幅度地推進這門科學。
混凝土灌注及瀝青鋪設技術
混凝土及瀝青混凝土是兩種用於建築的常見複合材料。混凝土是一種由一水泥基型材料、一細砂石、一粗砂石及水最低限度地組成的複合材料。瀝青混凝土一般上是一種由瀝青、一存在於某些石油及天然沉積物中的高度粘滯的粘性黑色柏油樣物質以及一粗砂石最低限度地組成的複合 材料。多年來，為了提高這些材料的強度，已經開發了許多種類的摻和劑及添加劑。
這些混凝土「添加劑」的最普遍深入者屬於兩個一般種類：減水超級塑化劑(亦稱為「高效減水劑」)及用於生產纖維增強混凝土(FRC)的合成增強纖維。所述超級塑化劑(包括最新一代的聚羧酸醚基超級塑化劑(PCEs)及聚丙二醇(PPG)衍生物摻和劑)起減少形成所述複合材料所需的水量的作用。超級塑化劑也改進混凝土漿體的流變能力(流動特性)，從而改進在混凝土養護之前的可加工性-詳見由Palacios等人於《水泥與混凝土研究》期刊2004年第35卷第1358-1367頁發表的「超級塑化劑及減縮摻和劑對碱激發礦渣漿及沙漿的影響」(Palacios et al.,「Effect of superplasticizer and shrinkage-reducing admixtures on alkali-activated slag pastes and mortars」，Cement and Concrete Research,Vol.35,pp.1358-1367,2004)；由Aitcin等人於《國際混凝土》期刊1994年第16卷第45-52頁發表的「超級塑化劑：它們怎樣工作及為什麼有時不工作」(Aitcin et al.,「Superplasticizers：How they Work and Why the Occasionally Don't」，Concrete International,Vol.16,pp.45-52,1994)。
以纖維增強混凝土(FRC)而言，所述合成纖維(一般為聚丙烯纖維)的目的在於提高基體的強度及改進混凝土的可塑性。混凝土的增強纖維的用意在於連結混凝土中的微裂紋，從而允許混凝土在不致因沿著裂紋完全分開而失效的 情況下保持其支撐其負荷的能力-詳見由Soroushian等人於《材料期刊》1992年第89卷第535-540頁發表的「以聚丙烯或聚乙烯增強的混凝土材料的機械性能」(Soroushian et al.,「Mechanical Properties of Concrete Materials Reinforced with Polyproplene or Polyethelene Fibers」，Materials Journal,Vol.89,pp.535-540,1992)。
實際上，沒有任何一種「添加劑」顯示所述混凝土或瀝青混凝土產物或系統的強度有戲劇性的增加。相信石墨烯及某些石墨烯衍生物可以代替目前發展水平的方法，用作混凝土及瀝青的增強「添加劑」。
軍事及彈道科學
根據哥倫比亞大學(Columbia University)(美國紐約州紐約市)，石墨烯被確定為地球上強度最高的材料。哥倫比亞大學研究員將石墨烯的非常強度歸因於其共價碳-碳鍵基架。所試驗的石墨烯試樣是無缺陷單層的石墨烯。所述試樣的試驗顯示一單一薄片的石墨烯具有42 nm-1的內在強度。
現代反彈道科學尋求開發越來越薄的可提供免受彈道拋擲及彈片影響的材料。為此，不斷地研究聚合物基複合材料(PMCs)的分子增強的新方法。目前發展水平的技術使用幾個種類的高性能防彈紗及纖維，包括S級玻璃(S-glass)纖維、芳族聚酸胺纖維(例如Kevlar® 29、Kevlar® 49、Kevlar® 129、Kevlar® KM2、Twaron®)、高度取向超高分子量聚乙烯(例如Dyneema®、Spectra®)、聚苯並惡唑(PBO) (例如Zylon®)、以及聚苯撐吡啶並二咪唑(PIPD)(稱為M5®)等等。
這些纖維的典型特性是低密度及高抗張強度，並具有相應的高能量吸收能力。就聚合物基複合材料(PMC)防彈嵌板的情況而言，所述纖維的力分散變形能力被所述複合材料周圍的樹脂嚴重牽制，這導致在受來自發射的影響時，在所述樹脂基架破裂及分層的條件下失效。併入紡織複合材料的防彈嵌板的石墨烯及其衍生物將不會遭受典型聚合物基複合材料(PMC)樹脂基架的局限性的影響。
石墨烯及其衍生物結構代表一獨特的反彈道學機會及材料。石墨烯及其衍生物具有高彈性模量及抗張強度，其楊氏模量可高達~1000GPa，抗張強度介於13~53GPa。與傳統的反彈道纖維及複合材料比較，石墨烯及其衍生物的潛能遠遠勝過目前發展水平的方法。
一家名為「奈米組合物技術有限公司」(Nanocomp Technologies Inc.)的公司正在與美國陸軍的「納提克士兵中心」(U.S.Army's Natick Soldier Center)協力尋求開發新一代的基於碳奈米管技術的輕型防彈裝甲。根據報導，所述公司在2009年4月證明一厚度達5 mm的碳奈米管複合材料防彈嵌板能夠抵擋一9 mm直徑的子彈。可擴展為工業級的石墨烯及石墨烯衍生物合成的額外進步，無疑將使這個技術推進到更接近商業化的程度。
機械系統的潤滑
所有機械系統牽涉相互作用的組成部分之間的摩擦。這 樣的相互作用可以像一滾珠軸承沿一滾道滑動、一活塞環相對一氣缸套移動、或一凸輪軸與其凸輪從動件之間的接觸那樣簡單。在所有這些實例中，相互作用的表面之間的摩擦是一需考慮的因素。任何系統中的摩擦是應力、疲勞、磨損、發熱、噪音、振動及最後失效的起因。上述含金屬機械系統的其他共同大敵是腐蝕。
在大多數情況下，工程科學尋求通過對相互作用的表面進行機械加工及拋光到最高可行光滑度，減少帶有相互作用的表面的物理及機械系統中的內在摩擦。當前沒有任何摩擦表面是完全光滑(即完全沒有粗糙實體)的。恰如所需，物理及機械系統的相互作用的構件被加工及拋光到所要求的公差，以允許適當的工作性能及減少內在摩擦。通過對構件進行所謂「超級拋光」到高公差(「平均粗糙度」(Ra)<50 nm)獲得的顯著的摩擦減少到目前為止所意味的是更長的生產時間及更高的生產成本。一般上，現代機械加工科學被迫以機械加工精密度交換經濟效益。
此外，所有內燃機(包括自然吸氣及渦輪增壓的煤油及柴油內燃機)、渦輪及其他帶齒輪系統一律都需要潤滑，以正常操作。自從發動機及齒輪潤滑的起始以來，人們已經在發動機及齒輪潤滑領域做了多種為這些機器提供最佳潤滑的企圖。在潤滑方面，最初所做的這樣的企圖(比如橄欖油及某些石碳酸皂)已經以更為精細的烴基潤滑劑取代，許多所述烴基潤滑劑甚至含有更為精細的添加劑組合，而且每一這樣的添加劑試圖處理這些系統的潤滑工作 中的多種內在問題。
當前含金屬的機械系統(比如內燃機)的潤滑的最新發展水平是使用彈性流體動力潤滑(EHL)技術，而彈性流體動力潤滑技術通過使用不可壓縮流體及防護塗層來防止金屬與金屬直接接觸的方法及材料，以「處理」機械系統的相互作用的金屬表面上的粗糙實體的問題。這些方法中沒有任何方法影響所述相互作用的金屬構件表面的所謂Ra(「平均粗糙度」)值，而且沒有減輕所述粗糙實體本身的摩擦產生的作用。
為了保持及保護金屬摩擦表面及包括金屬摩擦表面的系統，多種潤滑劑添加劑用於多種目的，比如分散劑、腐蝕抑制劑、增粘劑、橡膠膨脹劑、降凝劑、泡沫抑制劑、抗磨劑及抗氧化劑。有些已開發來減少摩擦的潤滑劑添加劑包括下列添加劑：流行用於航空潤滑油但已知會慢慢地侵蝕彈性體墊圈及密封件的三鄰甲酚磷酸酯(TOCP或TCP)；已知會與不完全燃燒的產物結合形成鹽酸的環烷烴清潔劑；對備有催化轉換器的車輛有問題的二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDPs)；全球確定為對水生生物非常有害的氯化石蠟；被許多人考慮為不適合用於潤滑的懸浮固體，比如聚四氟乙烯(PTFE，商品名為Teflon®)；被許多人考慮為不適合用於使用軸承的系統的石墨粉；據報導會降低燃油經濟有效性的一種金屬-鉬；一暫時屏蔽溶液-二硫化鎢奈米洋蔥；另一昂貴及暫時的溶液-巴基球(Buckminsterfullerenes)及懸浮在石墨中的奈米金剛石，以阻止磨料顆粒的典型聚 合(使用此添加劑會引起反對在帶有軸承的系統中使用石墨者的抱怨)。潤滑劑添加劑常常也含有磷酸鹽及硫化物，而這些磷酸鹽及硫化物在分解時會產生有害氣體。
機械系統內部的碳質沉積物幾乎普遍地被認為是不可取的，許多現代潤滑劑專門設計及調配來抑制及/或防止任何碳質沉積物形成。傳統的彈性流體動力潤滑學識提議，內燃機潤滑油必須盡可能調配得具有物理和化學穩定性，以阻止(而不是促進)所述基潤滑劑及其添加劑因不完全燃燒及熱解而造成的熱降解；這是由於傳統潤滑劑的這樣的熱破壞產生有害的碳質沉積物(比如沉渣)，而碳質沉積物趨向阻塞閥門、覆蓋活塞環而且通常會減少發動機的運行效率及預期壽命。分散劑常用於潤滑劑，以防止沉渣聚合-實例詳見由Won等人於《蘭茂爾》期刊2005年第21卷第924-932頁發表的「溫度對帶有吸附分散劑的液態烴中的碳黑凝聚的影響」(Won et al.,「Effect of Temperature on Carbon-Black Agglomeration in Hydrocarbon Liquid with Adsorbed Dispersant」，Langmuir,Vol.21,pp.924-932,2005)；由To mLinson等人於《碳》期刊2000年第38卷第13-28頁發表的「琥珀醯亞胺分散劑早碳質基體上的吸附性能」(To mLinson et al.,「Adsorption Properties of Succinimide Dispersants on Carbonaceous Substrates」，Carbon,Vol.38,pp.13-28,2000)；由Wang於2000年發表的滑鐵盧大學碩士論文「碳酸乙烯酯改性琥珀醯亞胺分散劑的合成及特性測試」(Wang,「Synthesis and Characterization of Ethylene Carbonate Modified Polyisobutylene Succinimide Dispersants」，University of Waterloo Masters Thesis,2010)。因不完全燃燒而發生的來自發動機的竄氣炭黑已經顯示其高度磨蝕作用及能夠損壞金屬部件-實例詳見由Jao等人於《潤滑科學》期刊2004年第16卷第111-126頁發表的「炭黑特性及柴油發動機磨損」(Jao et al.,「Soot Characterization and Diesel Engine Wear」，Lubrication Science,Vol.16,pp.111-126,2004)；由Ryason等人於《磨損》期刊1990年第137卷第15-24頁發表的「拋光由炭黑造成的磨損」(Ryason et al.,「Polishing Wear by Soot」，Wear,Vol.137,pp.15-24,1990)；由Yamaguichi等人於《工程摩擦學期刊》2006年第220卷第463-469頁發表的「柴油發動機中的炭黑磨損」(Yamaguichi et al.,「Soot Wear in Diesel Engines」，Journal of Engineering Tribology,Vol.220,pp.463-469,2006)；由Gautam等人於《國際摩擦學》期刊1999年第32卷第687-699頁發表的「柴油炭黑污染油對發動機的磨損的影響」(Gautam et al.,「Effect of Diesel Soot Contaminated Oil on Engine Wear-Investigation of Novel Oil Formulations」，Tribology International,Vol.32,pp.687-699,1999)。「無灰的」發動機潤滑油是另一支持潤滑劑調配組合物必須儘量保持無碳顆粒及所有碳質的發動機沉積物有害的概念的產品實例。以目前的彈性流體動力潤滑範例而言，會導致形成碳質煙灰及沉積物的潤滑劑添加劑的熱降解及熱解普遍被認為不 可取。
目前用於潤滑劑及它們的衍生物的試驗標準，是這個潤滑思維的進一步證據，並支持這個潤滑思維。「諾雅克揮發性試驗」(Noack Volatility Test)(美國材料試驗學會ASTM D5800)測量潤滑劑組合物的蒸發，作為溫度的一函數，這是由於潤滑劑組合物在蒸發增大時會變得更粘滯。所述試驗涉及在250℃的溫度條件下將一質量的發動機潤滑油置入一「諾雅克」(Noack)裝置內，以一恒定的空氣流量通過所述試樣1小時。接著，測量所述試樣的質量，以確定由於揮發性有機化合物(VOCs)的損失而造成的質量損失。可接受的質量損失不大於13~15%。潤滑劑必須通過這個試驗，才能獲得API CJ-4發動機潤滑油標準(美國)或ISLAC GF-4發動機潤滑油標準(歐洲聯盟)之下的批准。
其他的潤滑劑工業蒸發試驗包括ASTM D972及ASTM D2595。ASTM D972在100~150℃的溫度條件下試驗潤滑劑組合物，並以一恒定的空氣流量(2 L/min)通過所述試樣。ASTM D2595在93~316℃的溫度條件下試驗潤滑劑組合物，並以一恒定的空氣流量(2 L/min)通過所述試樣。
現代潤滑劑工業幾乎在彈性流體動力潤滑(EHL)的潤滑劑組合物中專門使用一種直鏈烴或支鏈烴的基潤滑劑，並連同使用小量的相對昂貴的添加劑，包括(在有些情況下)使用含有諸如某些抗氧化的受阻苯酚、某些水楊酸鹽及某些胺。在大多數情況下，先前技術中對含有環碳的潤滑劑抗氧化添加劑的使用大多數限於通過抑制基潤滑劑從原位 形成的過氧化物的基氧化，以改進或保護所述基潤滑劑。
上述彈性流體動力潤滑(EHL)範例及所述工業試驗標準是基於不完全燃燒或熱解的碳質產物在發動機及機械系統內部普遍有害及不可取的假定。這表示使用含有去垢劑、分散劑及邊界膜的最佳結果是儘量保持一機械系統的經潤滑的內部非常乾淨、無碳質沉積物及無磨損。
富勒烯的生產及其潤滑用途
在1985年首次被發現並以已故測地學圓頂建築師「巴克敏斯特．富勒」(Buckminster Fuller)的名字Fuller命名的富勒烯(Fullerene)是一類外殼完全由碳環組成的分子。富勒烯的基本球形品種是「巴克敏斯特富勒烯」(Buckminsterfullerene)，或簡稱「巴基球」(Buckyball)。「巴基球」(Buckyballs)可能具有內嵌性質，在它們的空心核中囚禁多種原子、離子或複合材料。含有金屬離子的內嵌金屬富勒烯是目前重要的科學探討及研究課題。
在數學方面而言，一「巴基球」(buckyball)是一由五邊形及六邊形碳環組成的三價凸多面體。「巴基球」(Buckyballs)遵守「歐拉」(Euler)多面體公式，因為V-E+F=2，其中V、E及F依次是所述球的外部上的頂點、邊及面的數目。在非同構富勒烯方面而言，有大約214,127,713個不同種類。純的普通巴基球在市面上以C60及C70的化學結構形態出售，但相當昂貴；一般上其價格為$900至$1,000美元每100mg(毫克)。
「巴基金剛石」(Bucky-diamonds)是一富勒烯或富勒烯 類外殼內的一金剛石核的奈米尺度碳複合材料-實例詳見由Barnard等人於《物理學評論B》期刊2003年第68卷第073406頁發表的「帶有奈米金剛石的巴基金剛石與富勒烯碳相的共存」(Barnard et al.,「Coexistence of Bucky-diamond with nanodiamond and fullerene carbon phases」，Physical Review B,Vol.68,073406,2003)。這個結構現在被相信是奈米洋蔥與奈米金剛石的互轉化之間的一中介結構。Barnard等人預言「巴基金剛石」(Bucky-diamonds)是以大小範圍介於500至1,850個原子(1.4至2.2 nm直徑)的奈米金剛石與富勒烯的共存方式存在的、碳的一亞穩態形式。
巴納德(Barnard)等人於《物理化學期刊B》2005年第109卷第17107-17112頁發表的「奈米金剛石及巴基金剛石顆粒中的取代型氮」(「Substitutional Nitrogen in Nanodiamond and Bucky-Diamond Particles」，Journal of Physical Chemistry B,Vol.109,pp.17107-17112,2005)中提出，有可能將雜環原子(比如此例中的氮)結合到巴基金剛石結構中。最近，Yu等人於彼等在2011年8月24日提交給《化學物理期刊》的文章「碳化矽簇合物是否有一穩定的巴基金剛石結構」(「Is There a Stable Bucky-diamond Structure for SiC Cluster」，submitted to the Journal of Chemical Physics on August 24,2011)中提出一基於電腦分子模擬的穩定Si68C79巴基金剛石結構。在穩定狀態，相信所述奈米金剛石核及所述富勒烯類外殼並未相互化學鍵合。所述Yu 等人的模擬預示，在加熱這個碳化矽結構時，所述35-原子的核將在比112-原子的外殼的分解溫度為低的溫度分解，所述核接著被結合到所述外殼內，在冷卻時形成一較大的留存富勒烯類外殼結構。
富勒烯是潤滑科學中的一項有前途的新技術。人們已經多次試圖使用富勒烯作為密封潤滑劑來填充移動部件上的粗糙實體，以及在移動部件上提供一摩擦學薄膜。不幸的是，有用的富勒烯的大規模及商業上可行的生產方法難以捉模。此外，摩擦學目前的發展現狀著重於移動部件上的摩擦學薄膜及塗層。然而，這個舊思維並沒有處理摩擦本身的根本原因-即相互作用的金屬部件上的粗糙實體。
奈米技術及摩擦學的出現已經引進幾個新的通過使用多種奈米顆粒的潤滑方法。由Gause於2007年12月20日發表的標題為「三金屬球作為乾潤滑劑、濕潤滑劑、潤滑劑添加劑、潤滑劑塗層、抗腐蝕塗層及熱導材料」(「Trimetaspheres as Dry Lubricants,Wet Lubricants,Lubricant Additives,Lubricant Coatings,Corrosion-Resistant Coatings and Thermally-Conductive Materials)的第2007/0292698號美國專利申請出版物(U.S.Patent Application Publication No.2007/029269)揭露，含鈧金屬富勒烯巴基球代替在高溫時快速分解的普通碳富勒烯或「巴基球」，作為一種懸浮固體潤滑劑來使用。
已經假定，外部分離的「單奈米巴基金剛石」(SNBDs)作為潤滑劑添加劑使用，然而這些分子天生難以從不可取 的凝聚物分離，而所述分離卻是使這些分子在潤滑及其他應用中變得有用的必需步驟-實例詳見由Ho博士編輯、由紐約「斯伯林格科學+商業媒體有限公司」的Osawa,E.撰著的《奈米金剛石：其生物學應用及奈米醫藥》第1章的「單奈米巴基金剛石顆粒、合成策略、特性測試方法及新興應用」(Ho,D.(ed.),Nanodiamonds：Applications in Biology and Nanoscale Medicine,Ch.1,「Single-Nano Buckydiamond Particles,Synthesis Strategies,Characterization Methodologies and Emerging Applications」，by Osawa,E.,Springer Science+Business Media,LLC,New York,2010)。
以色列國尼斯錫安納市(Ness Ziona,Israel)的「奈米材料有限公司」(NanoMaterials,Ltd.)已經生產一系列含二硫化鎢奈米粉末的潤滑劑。這些黑色的硫化鎢洋蔥結構的目的在於填充表面粗糙實體以及脫落層，以充當相互作用的金屬發動機部件之間的一低摩擦相互作用屏蔽表面。
美國伊利諾斯州朗伯德市(Lombard,Illinois)的「NanoLube有限公司」(NanoLube,Inc.)聲稱在DiamondLubeTM商標名下生產非磨蝕碳奈米球，這種非磨蝕碳奈米球被引進潤滑劑，以減少摩擦。所述DiamondLubeTM產品似乎是昂貴但普通的懸浮於輕型油中的富勒烯。
德國柏林市(Berlin)的PlasmaChem GmbH公司在ADDO®商標名下銷售一種用於發動機潤滑油的添加劑，據稱所述添加劑含有通過爆轟合成而形成的金剛石及石墨顆粒，能 夠將發動機內部的部件拋光到像鏡子般的光滑度。估計添加所述石墨到所述懸浮物中是為了減少所述奈米顆粒的凝聚。
爆轟奈米金剛石是一種一般上通過三硝基甲苯與環三次甲基三硝基胺的一缺氧混合物的炸藥爆轟而形成的奈米金剛石產物-實例詳見由Mochalin等人於《自然奈米技術》期刊2012年第7卷第11-23頁發表的「奈米金剛石的特性及應用」(Mochalin et al.,「The Properties and Applications of Nanodiamonds」，Nature Nanotechnology,Vol.7,pp.11-23,2012)。上述方法所得的奈米金剛石通常以5 nm(奈米)鑽石形顆粒的1- nm簇合物的形式存在，每個奈米顆粒包括一帶有一層表面基團的金剛石核。
其他形成奈米金剛石的方法使用非爆轟技術，比如金剛石微晶體的激光燒蝕、高能球研磨、碳化物的等離子體輔助化學氣相沉積、高壓釜合成、氯化、石墨的離子輻射、碳奈米洋蔥電子輻射、以及超聲波氣蝕。這些方法所得的非爆轟奈米金剛石在合成時有簇合的趨向，而且人們已經投入很大的努力來開發將凝聚的奈米金剛石產物乾淨地分離的方法。
這些減少摩擦的解決方案之中的大多數的共同要素以及目前本行業的技術現狀是使用彈性流體動力潤滑(EHL)技術。彈性流體動力潤滑(EHL)技術使用多種方法及材料來「應付」機械系統的相互作用的金屬表面上的粗糙實體的問題，而不是消除或「解決」所述問題的根本原因-即所 述粗糙實體本身。那些試圖處理粗糙實體的拋光及減少的方法及材料通過使用外部補充的奈米金剛石磨料來應付粗糙實體的問題，而這些外部補充的奈米金剛石磨料必須是懸浮於用於防止它們凝聚成不可取的簇合物的材料中者。上述方法及材料中沒有任何方法或材料涉及從液態前體物原位形成有益的碳質摩擦學顆粒或非磨料的技術或手段，而從液態前體物原位形成有益的碳質摩擦學顆粒或非磨料的技術或手段卻恰是一種新穎的、處理目前本行業的技術現狀中存在的關於來自外部補充的奈米金剛石潤滑劑磨料的不可取顆粒凝聚的問題的方法。
相關申請參考
本申請要求下列美國臨時專利申請的優先權：在2012年2月9日提交的標題為「來自犧牲環狀碳成分的故意原位熱解、在摩擦學上有益的碳質材料及奈米磨料潤滑劑分子」(Tribologically Beneficial Carbonaceous Materials and Nano-Abrasive Lubricant Molecules from Intentional In-Situ Pyrolysis of Sacrificial Cyclic Carbon Constituents)的第61/596,936號美國臨時專利申請；在2011年12月23日提交的標題為「通過碳質材料的脫水或熱解、蒸汽剝離或多環芳烴形成及隨後的疏水自組來合成石墨烯及石墨烯衍生物」(Graphene and Graphene Derivatives Synthesis by Dehydration or Pyrolysis of Carbonaceous Materials,Vapor Exfoliation or PAH Formation,and Subsequent Hydrophobic Self-assembly)的第61/579,993號美國臨時專利申請；在2011年12月9日提交的標題為「石墨烯、石墨烯衍生物、碳包裹金屬奈米顆粒及奈米鋼的合成，以及螯合碳質廢料及溫室氣體在這些合成方法中的用途」(Synthesis of Graphene,Graphene Derivatives,Carbon-Encapsulated Metallic Nanoparticles,and Nano-Steel,and the Use of Sequestered Carbonaceous Wastes and Greenhouse Gases in Such Synthesis Methods)的第61/568,957號美國臨時專利申請；在2011年10月12日提交的標題為「氧化石墨烯及石墨烯的燃燒合成」(Combustion Synthesis of Graphene Oxide and Graphene)的第61/546,368號美國臨時專利申請；在2011年9月30日提交的標題為「潤滑添加劑、拋光組合物、奈米顆粒與摩擦塗層及它們的用途，以及奈米顆粒、石墨烯及氧化石墨烯的合成方法」(Lubricating Additives,Polishing Compositions,Nanoparticles,and Tribological Coatings,and Uses Thereof,and Methods of Nanoparticle,Graphene,and Graphene Oxide Synthesis)的第61/541,637號美國臨時專利申請；在2011年9月23日提交的標題為「潤滑添加劑、拋光組合物、奈米顆粒與摩擦塗層及它們的用途，以及奈米顆粒、石墨烯及氧化石墨烯的合成方法」(Lubricating Additives,Polishing Compositions,Nanoparticles,and Tribological Coatings,and Uses Thereof,and Methods of Nanoparticle,Graphene,and Graphene Oxide Synthesis)的第61/538,528號美國臨時專利申請；在2011年6月30日提 交的標題為「潤滑添加劑、拋光組合物與奈米顆粒以及它們的方法及用途，以及奈米顆粒的合成方法」(Lubricating Additives,Polishing Compositions,and Nanoparticles,and Methods and Uses Thereof,and Methods of Nanoparticle Synthesis)的第61/503,203號美國臨時專利申請；在2011年5月31日提交的標題為「潤滑劑組合物、潤滑劑添加劑、潤滑方法以及拋光表面方法」(Lubricating Compositions,Lubricant Additives,Methods of Lubrication,and Methods of Polishing Surfaces)的第61/491,633號美國臨時專利申請；以及在2011年3月15日提交的標題為「潤滑劑組合物、潤滑劑添加劑及潤滑方法」(Lubricating Compositions,Lubricant Additives,and Methods of Lubrication)的第61/452,781號美國臨時專利申請；其中本申請據此通過引用將以上各臨時專利申請之內容全部併入此中。
本發明涉及石墨烯、石墨烯衍生物及奈米顆粒的簡易合成以及它們作為在摩擦學上有益的潤滑劑添加劑的用途。本發明的方法的產物有多個領域中的許多用途，這些領域包括但不限於摩擦學、奈米技術、機械加工及加工工具、潤滑、金屬加工、鑽孔、採礦、油漆製造、防腐蝕塗層製造、岩石隧道挖掘、打槽、模具製作、光學鏡片製造、軍事工程、寶石切割及拋光、航空航天工程、汽車工程、高速鐵路、海事工程、醫學、核醫學、醫學影像學及診斷學、貨車運輸、起重機及重設備製造、農場設備製造、摩 托單車製造、電機製作、電纜及電線製造、砂磨、核發電、太陽能發電、風能發電、傳統式發電、水力發電、電子器件、積體電路技術、電池技術、拋光劑製造、鋼製造、金屬拋光以及金屬表面的化學硬化。
本發明進一步涉及包括一潤滑劑及至少一種添加劑的潤滑劑組合物，所述至少一種添加劑被選擇起一犧牲碳源的作用，所述犧牲碳源在正常操作的局部熱解條件下在摩擦學上有用的石墨碳結構的原位形成中起作用。此外，本發明也揭露石墨碳、氧化石墨碳、還原氧化石墨碳及其他石墨碳衍生物結構以及磨料奈米顆粒的非原位合成方法。分離所述非原位合成產物的方法進一步通過一「動力爐」設備的使用揭示。
此外，本發明特別有用，這是由於其涉及用於拋光、硬化及潤滑發動機、增壓渦輪、渦輪、磁軌、滾道、輪、軸承、軸、傳動系統、齒輪系統及其他使用機械加工的相互作用硬表面的物理和機械系統中的運動部件的潤滑劑組合物及方法。在一個實施例中，所述方法及潤滑劑組合物提供金屬相互作用表面中的無摩擦完美。
在一個實施例中，本發明的潤滑劑組合物使所述發動機、增壓渦輪或渦輪產生的有用功率及轉矩大於在以傳統潤滑劑潤滑時產生的有用功率及轉矩，這是由於通過所述潤滑劑組合物及方法的潤滑及拋光作用減少了摩擦。觀測到效率指標(比如發動機功率及轉矩)在所述潤滑劑組合物開始被引進所述發動機之後數日、數周以至數月的時段期 間增加。在有些實施例中，此中揭示的方法及潤滑劑組合物的好處包括在被潤滑的移動部件的所述表面上形成一摩擦邊界層的奈米顆粒或奈米薄片，而這樣的奈米顆粒或奈米薄片的作用在於積極消除來自所述金屬表面的氧化、包裹所述金屬表面以及在扮演減少摩擦的指定任務中有益地使用所述氧化分子。
在醫學、核醫學、醫學影像學及診斷學方面而言，本發明產生高度惰性、安全及無窮小的載體，這些載體將放射性同位素、其他金屬離子或其他綁定到離子的治療劑遞送到體內的不同位置，以進行治療或提高磁成像或其他診斷成像的分辨率。此外，這些磁性或順磁性球狀體可以用於在一人工感應強磁場(比如磁共振成像)中根除腫瘤及癌細胞，以促使所述球狀體激烈轉動或振盪，從而產生足以從內部以熱的方法消除靶細胞或組織的熱量。
在一個實施例中，本發明包括一種經濟的、由一碳質材料碳源形成石墨碳的脫水反應或回流熱解的方法。所述方法可提升至工業生產規模。所述碳源以一食糖或其他含6碳環的結構為優選，雖然可以使其他碳質材料經受回流熱解、氧化/還原、不完全燃燒或酸脫水來形成所述石墨碳反應物起始材料。在一個實施例中，石墨碳經受以一液體溶劑進行的回流，然後石墨烯/氧化石墨烯(GO)以懸浮於一蒸汽/水汽的奈米視覺尺度或「奈米尺度」結構的形式散發。在一個實施例中，可以使一石墨碳源經受一高壓液體或蒸汽的物理攻擊，以便在不需要熱解、脫水或氧化步 驟的情況下產生機械剝離的石墨烯剝片。上述方法所得的石墨烯/氧化石墨烯剝片可以在蒸汽中傳播，並通過直接沉積到一與所散發的蒸汽物理接觸的固態基體上來收集，或通過將所述含顆粒的蒸汽施加到一用於促進所述剝片「疏水自組」成為較大的石墨烯/氧化石墨烯剝片的水溶液或液體來收集。
在一個實施例中，控制反應環境以限制反應室中的環境氧(O2)的量，阻止所述反應物在加熱期間完全燃燒。在一個實施例中，所述反應在存在一添加溶劑的情況下進行。在一個實施例中，所產生的氧化石墨烯(GO)轉化為懸浮在一加熱或未加熱液態收集介質中的還原氧化石墨烯(rGO)或石墨烯薄片。上述方法所得的還原氧化石墨烯或石墨烯薄片可以用於生產範圍廣泛的有用產物，包括但不限於保護塗層、低重/高強度的石墨烯增強複合材料、絲線及纖維。
在一個實施例中，一碳質起始材料經受一脫水反應或熱解以形成石墨碳。在一個實施例中，所述碳質源含石墨。所述石墨碳在存在一溶劑的情況下經受回流，使石墨烯/氧化石墨烯剝片或回流合成的多環芳烴(PAHs)在加熱時在一產生的蒸汽中散發。所述石墨烯/氧化石墨烯剝片或多環芳烴(PAHs)通過沉積到一與所散發的蒸汽物理接觸的固態基體上來收集，或通過將所述蒸汽施加到一供石墨烯/氧化石墨烯進行疏水自組的水溶液池來收集。所述過程可擴展為工業級規模。在有些實施例中，所產生的氧化石墨 烯轉化為懸浮在一加熱或未加熱的液體介質中的還原氧化石墨烯薄片。
在一個實施例中，本發明涉及作為拋光劑使用的磨料奈米顆粒的生產。根據這個實施例，可以通過添加一金屬氧化物或奈米金剛石到所述反應混合物來生成磨料奈米顆粒。
在一個實施例中，所獲得的石墨烯薄片可以用於生產多種不同的有用產物，包括但不限於低重/高強度的石墨烯增強複合材料。
在一個實施例中，添加適合的添加劑到傳統潤滑劑可促進在摩擦學上有用的含石墨碳奈米顆粒或微米顆粒以在摩擦學上有效量原位形成。在一個實施例中，所述添加劑包括一帶有至少一個碳環的化學結構。在一個實施例中，所述奈米顆粒是磨料奈米顆粒，所述磨料奈米顆粒通過減少或消除粗糙實體，扮演將摩擦表面奈米拋光到高光滑度的奈米拋光劑的角色，從而減少磨損表面之間的摩擦。在一個實施例中，添加到所述潤滑劑的所述添加劑包括一形式的石墨碳，所述形式的石墨碳在所述添加劑被添加到所述潤滑劑之前非原位形成，以形成一潤滑劑組合物。
在一個實施例中，添加到所述潤滑劑的所述添加劑包括一鐵複合材料分子。在一個實施例中，所述添加劑包括含碳的顆粒物質的奈米顆粒。在一個實施例中，所述添加劑在所述潤滑劑中溶解，以形成所述潤滑劑組合物。在一個實施例中，所述添加劑易與所述潤滑劑混合，以形成所述 潤滑劑組合物。在一個實施例中，以一種或多種食糖或食糖類兩親性物為形式的一含碳前體物分子被用來提供所述潤滑劑組合物中的一食糖或食糖類組分，所述食糖或食糖類組分不容易凝結或阻塞所述系統的內部組分。在一個實施例中，含環狀碳前體物被添加到已經含有這樣的前體物、而且以目前市面上可獲得的溶液為形式的潤滑劑中。所述合成石墨碳並沒有改進所述傳統基潤滑劑的內在物理潤滑特性，但卻傳導及吸收熱量、在內部部件上形成摩擦塗層及轉化為促進所潤滑的系統的金屬表面的奈米拋光並從而減少摩擦的奈米磨料。
在一個實施例中，通過使用一粘性比其他傳統潤滑劑的粘性為低的傳統潤滑劑來實現進一步減少摩擦及提高效率。通過奈米拋光而有效消除粗糙實體，消除了使用一般容易在高剪力下粘附粗糙實體的粘滯調配物的需要。所述磨損表面的光滑度也使得一發動機可在其兩個磨損表面之間使用更薄的薄膜來潤滑(這是由於使用較低粘性的流體)，並在不損壞所述金屬部件的情況下運轉。所述較低粘性的基液對移動部件提供較少阻力，從而改進所述潤滑系統及其潤滑的機械系統。
在一個實施例中，所述方法通過所述循環的潤滑劑組合物，遞送及提供一減摩薄膜或塗層給內部機械系統部件，又同時利用自然產生的發動機燃燒產物來生成一薄膜或塗層。在其他實施例中，所述方法單獨通過所述循環的潤滑劑，遞送及提供一減摩薄膜或塗層。
在一個實施例中，所述潤滑劑組合物改進發動機、增壓渦輪、渦輪、齒輪或其他構件或系統性能。在一個實施例中，所述潤滑劑組合物為汽車及航空航天潤滑油組合物及應用提供在摩擦學上減摩的薄膜及塗層，包括齒輪、軸承或軸頸系統的潤滑。在有些實施例中，所述潤滑劑組合物在系統操作期間對所述系統進行潤滑之時，通過長時間將摩擦表面微拋光到一較低粗糙度，從而減少所述摩擦表面之間的摩擦。
在一個實施例中，所述潤滑劑組合物與自然產生的燃燒產物及化學反應的副產物結合，為汽車及航空航天機械部件的摩擦表面提供在摩擦學上減摩的薄膜及塗層。在一個實施例中，所述潤滑劑組合物中的添加劑通過化學反應相互結合，為汽車及航空航天機械部件的摩擦表面提供在摩擦學上減摩的薄膜及塗層。
在一個實施例中，本發明包括一合成石墨烯的方法，所述合成方法包括回流一包括至少一種溶劑及至少一種碳質材料的反應混合物(所述碳質材料在其完全燃燒被抑制的條件下促進多環芳烴(PAH)形成)；收集由所述反應混合物的所述回流產生的蒸汽；將所述蒸汽引導到一基體，於是石墨烯沉積在所述基體的表面上；以及從所述基體的表面重新獲得石墨烯。
在一個實施例中，本發明包括一生產氧化石墨烯的方法，所述方法包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑、至少一種氧化劑及至少一種化合物， 所述至少一種化合物在阻止所述碳源完全燃燒成為二氧化碳或一氧化碳的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；收集由所述反應混合物的所述回流產生的蒸汽；將所述蒸汽引導到一基體，於是氧化石墨烯沉積在所述基體的表面上；以及從所述基體的表面重新獲得氧化石墨烯。
一種潤滑劑組合物，所述潤滑劑組合物包括一基潤滑劑及至少一種含碳添加劑，所述含碳添加劑在局部熱解條件下形成在摩擦學上有效量的至少一個含石墨碳結構。
在一個實施例中，本發明包括一潤滑劑組合物，所述潤滑劑組合物包括一基潤滑劑及石墨烯，其中所述石墨烯在與所述基潤滑劑結合之前已經形成。
在一個實施例中，本發明包括一潤滑劑組合物，所述潤滑劑組合物包括一基潤滑劑及一種或多種巴基金剛石，其中至少一些所述巴基金剛石包括鐵或一含鐵分子。
在一個實施例中，本發明包括一種用於潤滑一機械系統的方法，所述系統包括至少一個帶有粗糙實體的內部摩擦表面，所述方法包括運轉帶有包括一奈米拋光劑的一潤滑劑組合物的所述機械系統，以使所述粗糙實體從所述內部摩擦表面消除，其中所述潤滑劑組合物包括至少一種在局部熱解條件下在所述系統中原位形成的含碳添加劑，至少一種奈米拋光劑。
在一個實施例中，本發明包括一摩擦塗層，所述摩擦塗層包括氧化石墨烯。
在一個實施例中，本發明包括一潤滑劑組合物，所述潤 滑劑組合物包括一基潤滑劑及至少一種含碳添加劑，所述含碳添加劑在局部熱解條件下形成一在摩擦學上有效量的氧化石墨烯。
在一個實施例中，本發明包括一潤滑劑組合物，所述潤滑劑組合物包括一基潤滑劑及至少一種含碳添加劑，所述含碳添加劑在局部熱解條件下形成一在摩擦學上有效量的還原氧化石墨烯。
在一個實施例中，本發明包括一種合成多種表面石墨化磨料奈米顆粒的方法，所述方法包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑、至少一種金屬氧化物及至少一種化合物，所述至少一種化合物促進多環芳烴(PAH)形成，以形成至少一種表面石墨化磨料奈米顆粒；以及從所述反應混合物收集所述表面石墨化磨料奈米顆粒。
在一個實施例中，本發明包括在藥物遞送劑、醫學成像造影劑、金屬假體器件、拋光劑及由所述拋光劑拋光的金屬假體器件和鋼器件、清潔劑製劑以及包括表面石墨化磨料奈米顆粒的宏觀固態材料中使用石墨烯的方法。
在一個實施例中，本發明包括一種奈米顆粒，所述奈米顆粒包括一核，所述核包括至少一個金屬原子及在所述核周圍的一表面石墨化外殼。在一個實施例中，所述表面石墨化外殼包括一富勒烯碳外殼。
在一個實施例中，本發明包括一微米顆粒聚團，所述微米顆粒聚團包括至少一種奈米顆粒，其中所述奈米顆粒包 括一核，所述核包括至少一個金屬原子及在所述核周圍的一表面石墨化外殼，以及與所述奈米顆粒有關的至少一個石墨碳結構。在一個實施例中，所述表面石墨化外殼包括一富勒烯碳外殼，而所述石墨結構包括石墨烯及/或其衍生物。
在一個實施例中，本發明包括一潤滑劑組合物，所述潤滑劑組合物包括一基潤滑劑及在摩擦學上有效量的多種奈米顆粒，所述多種奈米顆粒包括一核，所述核包括至少一個金屬原子及在所述核周圍的一表面石墨化外殼。在一個實施例中，所述表面石墨化外殼包括一富勒烯碳外殼。
在一個實施例中，本發明包括供添加到一基潤滑劑的一添加劑製劑，所述添加劑制劑包括一基溶劑及一有效量的至少一種含碳添加劑，其中所述含碳添加劑在局部熱解發生時形成一在摩擦學上有效量的至少一個含石墨碳結構。
在一個實施例中，本發明包括一施加到一材料的一表面的塗層，所述塗層包括至少一種奈米顆粒，所述奈米顆粒包括一核，所述核包括至少一個金屬原子及在所述核周圍的一表面石墨化外殼。在一個實施例中，所述表面石墨化外殼包括一富勒烯碳外殼。
在一個實施例中，本發明包括一複合材料，所述複合材料包括一基體材料及至少一種分散在所述基體材料的奈米顆粒，所述奈米顆粒包括一核，所述核包括至少一個金屬原子及在所述核周圍的一表面石墨化外殼。在一個實施例中，所述表面石墨化外殼包括一富勒烯碳外殼。
在一個實施例中，本發明包括一複合材料，所述複合材料包括以一包括石墨烯的溶液來塗層的材料，其中所述包括石墨烯的溶液通過一過程製成，所述過程包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物在阻止所述碳源完全燃燒成為二氧化碳或一氧化碳的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；以及將所述反應混合物施加到一複合材料的表面。
在一個實施例中，本發明包括一複合材料，所述複合材料包括以一包括石墨烯的溶液來塗層的纖維，其中所述包括石墨烯的溶液通過一過程製成，所述過程包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物在阻止所述碳源完全燃燒成為二氧化碳或一氧化碳的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；以及將所述反應混合物施加到所述包括一複合材料的所述纖維的表面。
在一個實施例中，本發明包括一複合材料，所述複合材料包括以一包括石墨烯的溶液來塗層的一纖維網，其中所述包括石墨烯的溶液通過一過程製成，所述過程包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物在阻止所述碳源完全燃燒成為二氧化碳或一氧化碳的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；以及將所述反應混合物施加到所述包括一複合材料的所述纖維網的表面。
在一個實施例中，本發明包括一混凝土混合料，所述混 凝土混合料以一包括石墨烯及其衍生物的溶液混合，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通過一過程製成，所述過程包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物在阻止所述碳源完全燃燒成為二氧化碳或一氧化碳的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；以及將所述反應混合物與所述混凝土混合料混合。
在一個實施例中，本發明包括一瀝青混合料，所述瀝青混合料以一包括石墨烯及其衍生物的溶液混合，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通過一過程製成，所述過程包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物在阻止所述碳源完全燃燒成為二氧化碳或一氧化碳的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；以及將所述反應混合物與所述瀝青混合料混合。
在一個實施例中，本發明包括玻璃纖維，所述玻璃纖維以一包括石墨烯及其衍生物的溶液塗層，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通過一過程製成，所述過程包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物在阻止所述碳源完全燃燒成為二氧化碳或一氧化碳的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；以及將所述反應混合物施加到所述玻璃纖維的表面。
在一個實施例中，本發明包括一塑料，所述塑料以一包 括石墨烯及其衍生物的溶液塗層，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通過一過程製成，所述過程包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物在阻止所述碳源完全燃燒成為二氧化碳或一氧化碳的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；以及將所述反應混合物施加到所述塑料的表面。
在一個實施例中，本發明包括一聚合物混合料，所述聚合物混合料配置成用於製備與一包括石墨烯及其衍生物的溶液混合的一塑料，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通過一過程製成，所述過程包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物在阻止所述碳源完全燃燒成為二氧化碳或一氧化碳的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；以及將所述反應混合物與配置成用於製備一塑料的所述聚合物混合料混合。
在一個實施例中，本發明包括石墨，所述石墨以一包括石墨烯及其衍生物的溶液塗層，其中所述包括石墨烯及其衍生物的溶液通過一過程製成，所述過程包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物在阻止所述碳源完全燃燒成為二氧化碳或一氧化碳的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；以及以所述反應混合物來塗層所述石墨。
在一個實施例中，本發明包括電線或電纜，所述電線或電纜以一包括石墨烯及其衍生物的溶液塗層，其中所述包 括石墨烯及其衍生物的溶液通過一過程製成，所述過程包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物在阻止所述碳源完全燃燒成為二氧化碳或一氧化碳的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；以及以所述反應混合物來塗層所述電線或電纜。
在一個實施例中，本發明包括一種合成奈米鋼的方法，所述方法包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑、至少一種金屬氧化物及至少一種化合物，所述至少一種化合物促進多環芳烴(PAH)形成，以形成至少一種表面石墨化磨料奈米顆粒；收集由含有所述表面石墨化磨料奈米顆粒的所述反應混合物的所述回流產生的一蒸汽；以及使所收集的蒸汽經受退火處理。
在一個實施例中，本發明包括一種收集石墨烯的方法，所述方法包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物促進多環芳烴(PAH)形成；以及收集由所述反應混合物的所述回流產生的一蒸汽。
在一個實施例中，本發明包括一種收集石墨烯衍生物的方法，所述方法包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物促進多環芳烴(PAH)形成；以及收集由所述反應混合物的所述回流產生的一蒸汽。
在一個實施例中，本發明包括一收集組合件，所述收集 組合件配置成用於收集由包括至少一種溶劑及至少一種促進多環芳烴(PAH)形成的化合物的一反應混合物的回流產生的所述蒸汽。
在一個實施例中，本發明包括一疏水自組，所述疏水自組配置成自組由包括至少一種溶劑及至少一種促進多環芳烴(PAH)形成的化合物的一反應混合物的回流產生的所述蒸汽的石墨烯及其衍生物。
在一個實施例中，本發明包括一種疏水自組石墨烯的方法，所述方法包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種碳質材料，所述至少一種碳質材料在其完全燃燒被抑制的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；收集由所述反應混合物的所述回流產生的蒸汽；將所述蒸汽引導到一水基體，於是石墨烯在所述水基體的表面上沉積；以及從所述水基體的表面重新獲得石墨烯。
在一個實施例中，本發明包括一種生產石墨烯的方法，所述方法包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種碳質材料，所述至少一種碳質材料在其完全燃燒被抑制的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；收集由所述反應混合物的所述回流產生的蒸汽；將所述蒸汽引導到一基體，於是石墨烯在所述基體的表面上沉積；以及從所述基體的表面重新獲得石墨烯。
在一個實施例中，本發明包括一種潤滑一機械系統的方法，所述方法包括：以一潤滑劑組合物運轉所述機械系統，所述潤滑劑組合物包括一有效量的至少一種含碳添加 劑，所述至少一種含碳添加劑在所述機械系統運轉期間促進一在摩擦學上有效量的至少一種在摩擦學上有用的含石墨碳結構的原位化學形成。
在一個實施例中，本發明包括一種提高一發動機的效率的方法，所述方法包括：以一潤滑劑組合物運轉所述發動機，所述潤滑劑組合物包括一有效量的至少一種含碳添加劑，所述至少一種含碳添加劑在所述發動機運轉期間促進在摩擦學上有效量的至少一種在摩擦學上有用的含石墨碳結構的原位化學形成。
在一個實施例中，本發明包括一種減少一發動機的負馬力的方法，所述方法包括：以一潤滑劑組合物運轉所述發動機，所述潤滑劑組合物包括一有效量的至少一種含碳添加劑，所述至少一種含碳添加劑在所述發動機運轉期間促進在摩擦學上有效量的至少一種在摩擦學上有用的含石墨碳結構的原位化學形成。
在一個實施例中，本發明包括一種減少一發動機的轉矩的方法，所述方法包括：以一潤滑劑組合物運轉所述發動機，所述潤滑劑組合物包括一有效量的至少一種含碳添加劑，所述至少一種含碳添加劑在所述發動機運轉期間促進一在摩擦學上有效量的至少一種在摩擦學上有用的含石墨碳結構的原位化學形成。
在一個實施例中，本發明包括一種生產一摩擦樹脂、薄膜、塗層或亮漆的方法，所述方法包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種碳質材 料，所述至少一種碳質材料在其完全燃燒被抑制的條件下促進多環芳烴(PAH)形成；以及在應用所述樹脂、薄膜、塗層或亮漆或所述樹脂、薄膜、塗層或亮漆凝固之前，將所述反應混合物與所述樹脂、薄膜、塗層或亮漆混合。
在一個實施例中，本發明包括一動力爐，所述動力爐配置成用於表面石墨化磨料奈米顆粒的生產，所述生產包括：回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑、至少一種金屬氧化物及至少一種化合物，所述至少一種化合物促進多環芳烴(PAH)形成，以形成至少一種表面石墨化磨料奈米顆粒；收集由含有所述表面石墨化磨料奈米顆粒的所述反應混合物的所述回流產生的一蒸汽，然後使所收集的蒸汽經受一高剪力環境，所述高剪力環境包括高速旋轉、高頻振盪或振動、流體動力擠壓、與一個或多個移動部件摩擦碰撞、高速攪拌或它們的任何組合；以及收集所述表面石墨化磨料奈米顆粒。在一個實施例中，所述動力爐進一步包括一表面形貌學形狀特徵，所述表面形貌學形狀特徵包括尾翅、杆、凸塊、凹穴、孔、粗糙實體、隧孔及它們的任何組合。
本發明涉及石墨烯、石墨烯衍生物及奈米顆粒的簡易合成以及它們作為在摩擦學上有益的潤滑劑添加劑的用途。本發明的方法的產物有許多用途，這些領域包括但不限於用於複合體增強的分子水平塗層、隔熱、彈道電晶體、積體電路、增強纖維及電纜以及奈米拋光劑。
本文中使用的「環狀」一詞用來描述任何帶有至少一個五元環或更多元的環的分子，而構成所述環的原子中有至少一半的原子是碳原子。所述環可以是芳族或非芳族。
本文中使用的「在摩擦學上有效量的」一詞用來指添加到一被潤滑系統的、在摩擦學上足以對這樣的被潤滑系統有益的任何數量的添加劑或多數量的多種添加劑。
本文中使用的「在摩擦學上有益的」一詞用來指任何在一機械系統中形成、存在或使用並減少所述機械系統中的摩擦的添加劑。
本文中使用的「摩擦劑」指的是在一機械系統中形成、存在或使用並可測定程度地減少所述機械系統中的摩擦的一種分子。
本文中使用的「巴基金剛石」(Bucky-diamond)或「奈米巴基金剛石」(nano-Bucky-diamond)指的是任何帶有一可能包括多個非碳雜環原子的奈米金剛石核及一在所述核周圍形成的富勒烯碳殼的奈米顆粒。
本文中使用的表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)指的是任何包括至少一個由一主要包括碳的外殼包絡的奈米尺度顆粒。
本文中使用的「球狀體」指的是一形狀基本上像一球體但不一定是完美的圓形的顆粒。
本文中使用的「基體材料」指的是任何在一種或多種材料的複合材料中形成一連續相的材料。
本文中使用的「尖晶石型結構」指的是任何化學通式為 A2+B2 3+O4 2-的立方礦物晶體，其氧化物陰離子(O)以一立方密集晶格排列、A陽離子佔據所述晶格中的所有四面體位置、B陽離子佔據所述晶格中的所有八面體位置。
本文中使用的「反尖晶石型結構」指的是任何化學通式為A2+B2 3+O4 2-的立方礦物晶體，其氧化物陰離子(O)以一立方密集晶格排列、A陽離子佔據所述晶格中一半的八面體位置、B陽離子佔據所述晶格中一半的八面體位置及所有四面體位置。
本文中使用的「石墨碳」指的是任何帶有一碳素晶格基架的結構，包括但不限於石墨、石墨烯、氧化石墨烯、富勒烯、富勒烯類結構、富勒烯內部、奈米洋蔥、奈米豆莢、奈米管、奈米芽、還原氧化石墨烯、花邊碳及多環芳族化合物。
本文中使用的「碳素晶格基架」指的是任何由sp 2 -或sp 3 -雜化碳原子形成的二維多環碳結構。
本文中使用的「動力爐」指的是一在奈米顆粒產物形成的合成階段使用一激發力、聲波力、離心力、向心力、壓力或剪力、或這些力的組合的加熱奈米顆粒合成爐設備。
石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯及其他石墨烯衍生物結構及奈米顆粒的非原位合成方法
在一方面，本發明涉及石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯及其他石墨烯衍生物結構及奈米顆粒的一種非原位合成方法。可以用一經濟的脫水反應或回流熱解方法，從一碳質材料碳源來形成石墨碳。本發明揭露的方法可擴展 為工業級的工業生產。所述碳源以一含六元環結構的食糖為優選，雖然可以使許多其他碳質材料經受脫水、熱解或氧化以及可以使用它們。所述碳源經受回流熱解、氧化/還原或酸脫水，形成一石墨碳反應物起始材料。在其他實施例中，省略所述用於產生合適的石墨碳的脫水/氧化/熱解合成步驟，並使用石墨碳本身作為反應物起始材料。所述石墨碳經受以一液體溶劑進行的回流，然後石墨烯/氧化石墨烯(GO)以懸浮於一蒸汽/水汽的奈米視覺尺度或「奈米尺度」結構的形式散發。可選擇地或另外地，可以使一石墨碳源經受一高壓液體或蒸汽，以便在不需要熱解、脫水或氧化步驟的情況下產生石墨烯剝片。上述方法所得的石墨烯/氧化石墨烯剝片可以在蒸汽中傳播，並通過直接沉積到一與所散發的蒸汽物理接觸的固態基體上來收集，或通過將所述含顆粒的蒸汽施加到一用於促進所述剝片「疏水自組」成為較大的石墨烯/氧化石墨烯剝片的水溶液或液體來收集。
在一個實施例中，控制反應環境以限制反應室中的環境氧(O2)的量，從而阻止所述反應物在加熱期間完全燃燒。在一個實施例中，所述反應在不使用添加溶劑的情況下進行。在一個實施例中，所產生的氧化石墨烯(GO)轉化為懸浮在一加熱或未加熱液態收集介質中的還原氧化石墨烯(rGO)或石墨烯薄片。上述方法所得的大疏水自組薄片可以輕易地還原為還原氧化石墨烯(rGO)或石墨烯，可以在工業中用於生產範圍廣泛的有用產物，包括但不限於保護 塗層、低重/高強度的石墨烯增強複合材料、絲線及纖維。
參看所述附圖，圖1A描繪本發明一實施例中石墨烯/氧化石墨烯(GO)的製備步驟的示意圖，其中一主要包括非石墨碳質材料碳源的反應混合物通過熱解、脫水、一氧化/還原反應或不完全燃燒等反應而形成石墨碳。在一個實施例中，使用一石墨碳起始材料而不需要熱解或脫水反應步驟。
在一個實施例中，所述反應混合物經受回流以形成一蒸汽。石墨烯及氧化石墨烯(GO)奈米尺度結構由在所述漿體或溶液加熱期間散發的蒸汽中轉移。所述石墨烯/氧化石墨烯剝片優選通過將所述蒸汽鼓泡通過一隔離及懸浮所述剝片的液體來收集。可選擇地，石墨烯/氧化石墨烯剝片在所述蒸汽被引導到所述液體的表面時，在所述液體的表面上形成。在此中稱為「疏水自組」的一過程中，個體石墨烯及氧化石墨烯剝片在所述液體的表面結合形成多層石墨烯及氧化石墨烯薄片。
在一個實施例中，所述碳源在一熱解或脫水反應中由一外部加熱源直接加熱，形成石墨碳及水。在一個實施例中，所述碳源為蔗糖。在一個實施例中，所形成的水起溶劑作用，以允許所述反應產物的回流。在一個實施例中，形成石墨碳的反應如同以下反應式(1)：
在一個實施例中，所述碳源在一熱解或脫水反應中暴露 於酸，形成石墨碳及水。在一個實施例中，所述碳源為蔗糖，而所述酸為濃硫酸。在一個實施例中，所形成的水起溶劑作用，以允許所述反應產物的回流。在一個實施例中，所述反應產物為一石墨泡沫。在一個實施例中，所述反應產物為石墨砂漿。在一個實施例中，形成石墨烯的反應如同以下反應式(2)：
在一個實施例中，所述碳源與一氧化劑進行反應，形成以氧化石墨烯為形式的石墨碳。在一個實施例中，形成氧化石墨烯(GO)的反應如同以下反應式(3)： 其中所施加的熱推動所述反應，而所述可選擇的添加劑催化所述反應及/或改進所期望的反應產物的產量。
一氧化石墨烯(GO)反應產物如以下分子(1)示意性地顯示者：
在上述實施例中，選擇的反應條件是，所述反應不導致所述碳源完全燃燒而成為二氧化碳或不完全燃燒而成為一氧化碳。所述反應條件的設計，以通過控制反應溫度來形 成石墨碳-碳鍵為優選。在有些實施例中，有目的地燃燒所述碳源的一部分，以提供轉化所述碳源的另一部分來形成所需要的石墨鍵所需要的熱量。在有些實施例中，所述反應在非理想燃燒條件下(比如熱解或悶燃)發生。
本文中使用的「熱解」指的是一碳源在低氧或其他氧化劑水平及一升高溫度的條件下經受的分解。
本文中使用的「悶燃」指的是由來自氧與一固體或液體燃料的表面直接反應的熱維持的一種緩慢、低溫、無火焰反應。
本文中使用的「剝片」或「奈米尺度結構」指的是石墨烯或石墨烯衍生物的離散分段。
改進燃燒效率的努力已經使先前被認為是無用廢物的化合物(比如早期的燃煤爐的碳質「黏液」)的真正價值變得模糊-實例詳見由紐約D.Van Nostrand公司的Lunge著作的《煤焦油及氨》1916年第5版(Coal-Tar and A mmonia,5th ed.,by Lunge,D.Van Nostrand Co.,New York,1916)，而碳質「黏液」含有石墨材料，包括石墨烯。同樣地，現代的燃燒學進展已經忽略了許多現在被視為過時的舊流程的價值，而這些舊流程實際上能夠有目的地改編成最大化炭黑顆粒形成，最後獲得石墨烯、石墨烯衍生物、碳包裹金屬奈米顆粒或奈米鋼。
雖然在碳質顆粒物「炭黑」中作為不完全燃燒產物的多環芳烴(PAHs)的形成廣為人知，但如目前技術領域中報告的那樣，由於規模及趨勢有限，這樣的多環芳烴(PAHs)的 有用性到現在一直都是最小限度的，通常與其繼續增長所需要的合成條件漂移。由Wiersum等人於由「Gordon and Breach科學出版社」的Vallée於1997年編輯的《有機合成中的氣相反應》第143-194頁發表的「聚芳烴、富勒烯及炭黑在燃燒中的形成：熱解機理及工業及環境關聯」(Wiersum et al.,「The Formation of Polyaromatic Hydrocarbons,Fullerenes and Soot in Combustion：Pyrolytic Mechanisms and the Industrial and Enviro nmental Connection」，pp.143-194 in Gas Phase Reactions in Organic Synthesis,ed.By Vallée,Gordon and Breach Science Publishers,Amsterdam,1997)報導稱，許多不同氣相反應形成多環芳烴(PAHs)。到目前為止，已知的氣相多環芳烴(PAH)合成方法中沒有任何一種方法產生石墨烯或任何形式的尺度大於222個碳原子的平面石墨碳。
在一個實施例中，此中揭露的方法及過程通過借助於收集及俘獲所述反應混合物的蒸汽產物，允許生成的多環芳烴(PAHs)增長到顯示石墨烯的一般特性的尺度，從而延長暴露於有利的合成條件，促進多環芳烴(PAH)的生產。在此揭露的其他實施例、方法及過程原意在於通過使它們在多蒸汽或水溶液條件中自組成為大的石墨烯薄片，明確地促進延續的多環芳烴(PAH)增長條件。這些單獨通過促進多環芳烴(PAH)形成的化合物或通過促進多環芳烴(PAH)形成的化合物及碳質或石墨反應物材料來允許石墨烯合成的過程，可擴展為符合工業生產的規模。
在一個實施例中，促進多環芳烴(PAHs)形成及增長的一個或多個化合物用於石墨烯、石墨烯衍生物、碳包裹金屬奈米顆粒或奈米鋼的生產。這些化合物可以包括但不限於多環芳烴(PAH)形成過程中的已知中間體化學品，以及形成多環芳烴(PAH)形成過程中的中間體的化學品。
在一個實施例中，初始反應在回流條件下在一溶劑系統中發生，以促進多環芳烴(PAH)單元的合成，這些多環芳烴(PAH)單元隨後自組成為較大的石墨烯薄片。在有些實施例中，所述回流條件為共沸回流條件-實例詳見由Ydeye等人於《國際物理科學期刊》2009年第4卷第101-106頁發表的「乙醇多相共沸蒸餾設計及構建」(Ydeye et al.,「Ethanol Heterogeneous Azeotropic Distillation Design and Construction」，International Journal of Physical Sciences,Vol.4,pp.101-106,2009)；由Sun等人於《分子》期刊2006年第11卷第263-271頁發表的「氯氧化鋯(ZrOCl2．8H2O)：在以等克分子量的醇對丙烯酸及其他羧酸進行的酯化反應中使用的一種有效、便宜及可重新使用的催化劑」(Sun et al.,「ZrOCl2．8H2O：An Efficient,Cheap and Reusable Catalyst for the Esterification of Acrylic Acid and Other Carboxylic Acids with Equimolar Amounts of Alcohols」，Molecules,Vol.11,pp.263-271,2006)。在有些回流條件中，添加一促進劑。在有些實施例中，所述促進劑是生物炭、煤痰、奈米煤、一活化形式的奈米煤、活化木炭、石墨顆粒、炭黑顆粒物質、或另一螯合碳質廢料 形式。
本文中使用的「螯合碳質廢料」指的是合成、熱解或不完全燃燒反應的任何碳質廢料產物，螯合碳質廢料一般被收集及隔離，以防止轉化成為大氣溫室氣體或以大氣溫室氣體的形式釋放。在一個實施例中，可以使用一螯合碳質廢料作為所述反應混合物中的碳源，在這種情況下，所添加的碳通過起熱導率增強傳熱劑的作用，部分地促進所述反應-實例詳見由Baby等人於《奈米研究快報》期刊2011年第6卷第289期發表的「使用石墨烯分散奈米液體加強對流換熱」(Baby et al.,「Enhanced Convective Heat Transfer Using Graphene Dispersed Nanofluids」，Nanoscale Research Letters,Vol.6,No.289,2011)。
所述螯合碳質廢料可以收集自任何過程的排放物，包括但不限於柴油貨車的排放物或燃煤發電廠的排放物。在有些實施例中，作為「柴油排放控制策略」的部分，使用一柴油微粒過濾器來收集所述碳質廢料。在其他實施例中，使用一洗滌器來收集所述碳質廢料。「加利福尼亞空氣資源委員會」(California Air Resources Board,CARB)新近立法規定，通過添加過濾器到貨車的排氣系統來減少微粒及有害氣體(包括來自柴油貨車及公車的有害氣體)的排放-詳見由「加利福尼亞規則法」之「標題13」第3部分第14章以及其下內容等等(California Code of Regulations,Title 13,Div.3,Ch.14 et seq.)。
在有些實施例中，使用設計作為燃燒所收集的炭黑並繼 續釋放溫室其他到環境中的所謂「再生」技術的替代物的一種反復使用過濾器。當一貨車司機或其他使用者需要更換骯髒的微粒過濾器時，該司機或使用者以所述沾汙的過濾器來交換一個新過濾器，而不是丟棄所述骯髒過濾器或購買新的過濾器。所述用舊了的過濾器中含有的螯合碳質廢料，優選從所述微粒過濾器或洗滌器清除，然後作為一碳源用於石墨烯或石墨烯衍生物的合成。優選重新使用所述過濾器或洗滌器，以在所述過程重複時收集來自排放物的附加碳質廢料，這是由於所述過程尋求將大部分的螯合碳結合到所述石墨烯產物中(而不是結合到溫室氣體排放物中)。在有些實施例中，通過溶解在有機溶劑中，從所述微粒過濾器或洗滌器收穫所述螯合碳廢料。在有些實施例中，通過使用水、水混合物或蒸汽來收穫所述螯合碳廢料。
過程中使用的促進多環芳烴形成的化合物包括但不限於二甲醚、丙炔、丙二烯、醇(包括但不限於炔丙醇及異丙醇)、乙炔及促進C1至C5烴基(一碳至五碳烴基)形成的化合物。
已知甲基根(CH3．)促進多環芳烴(PAHs)的增長-詳見由Shukla等人於《美國質譜學會期刊》2010年第21卷第534-544頁發表的「甲基根在多環芳烴(PAHs)的增長中的作用」(Shukla et al.,「Role of Methyl Radicals in the Growth of PAHs」，Journal of The American Society for Mass Spectrometry,Vol.21,pp.534-544,2010)；及促進石墨烯 的增長-詳見由Wellmann等人於《表面科學》期刊2003年第542卷第81-93頁發表的「高取向熱解石墨(HOPG)上的石墨烯薄層通過暴露於甲基根增長」(Wellmann et al.,「Growth of Graphene Layers on HOPG via Exposure to Methyl Radicals」，Surface Science,Vol.542,pp.81-93,2003)。
二甲醚在存在另一碳源的氣體燃燒條件下形成甲基根並促進多環芳烴(PAH)形成-詳見由Yoon等人於《燃燒及火焰》期刊2008年第154卷第368-377頁發表的「二甲醚與甲烷、乙烷、丙烷及乙烯燃料混合對多環芳烴及炭黑形成的協合作用」(Yoon et al.,「Synergistic Effect of Mixing Dimethyl Ether with Methane,Ethane,Propane and Ethylene Fuels on Polycyclic Aromatic Hydrocarbon and Soot Formation」，Combustion and Flame,Vol.154,pp.368-377,2008)。其他烴根(包括但不限於C2H．、C2H3．、C3H3．、C4H3．、C4H5．、C5H3．)也能夠使多環芳烴(PAHs)形成晶核或增長-詳見由Pope等人於《燃燒協會會編》2000年第28卷第1519-1527頁發表的「探究苯在脂族燃料的低壓預混火焰中的新舊形成路徑」(Pope et al.,「Exploring Old and New Benzene Formation Pathways in Low-pressure Premixed Flames of Aliphatic Fuels」，Proceedings of the Combustion Institute,Vol.28,pp.1519-1527,2000)。
炔丙基根(C3H3．)已經在許多動力學研究中被提議為用於多環芳烴(PAH)的形成的主要中間體-詳見由McEnally等人 於《第27屆國際燃燒研討會》1998年第1497-1505頁發表的「炭黑在同向流動層流乙烯擴散火焰中的形成的計算及實驗研究」(McEnally et al.,「Computational and Experimental Study of Soot Formation in a Coflow,Laminar Ethylene Diffusion Flame」，27th Symposium(International)on Combustion,pp.1497-1505,1998)；由Shfir等人於《物理化學期刊A》2003年第107卷第8893-8903頁發表的「炔丙基根的自反應的動力學及產物」(Shfir et al.,「Kinetics and Products of the Self-reaction of Propargyl Radicals」，Journal of Physical Chemistry A,Vol.107,pp.8893-8903,2003)；由Tang等人於《物理化學期刊A》2006年第110卷第2165-2175頁發表的「苯從炔丙基重新結合形成的優化半詳細子機理」(Tang et al.,「An Optimized Semi-detailed Sub-mechanism of Benzene Formation from Propargyl Recombination」，Journal of Physical Chemistry A,Vol.110,pp.2165-2175,2006)。
丙炔及丙二烯也促進多環芳烴(PAH)形成-詳見由Gazi等人於《歐洲燃燒會議論文集》2011年發表的「丙二烯及丙炔在火焰中燃燒的模擬研究」(Gazi et al.,「A Modeling Study of Allene and Propyne Combustion in Flames」，Proceedings of the European Combustion Meeting,2011)。乙炔也可以在多環芳烴(PAH)晶核形成及增長中其作用-詳見由Frenlach等人於《第202屆美國化學學會全國會議會前刊物》1991年第36卷第1509-1516頁發表的「第一環及炭 黑的晶核形成之外的芳族化合物增長」(Frenlach et al.,「Aromatics Growth beyond the First Ring and the Nucleation of Soot Particles」，Preprints of the 202nd ACS National Meeting,Vol.36,pp.1509-1516,1991)。
圖2A及2B顯示從一非石墨碳質起始材料或一石墨碳質起始材料形成多種石墨烯產物的流程圖。
參看圖2A，當以一非石墨碳質作為起始材料時，所述碳質材料可以通過幾個不同路徑轉化為一石墨材料。
在一個實施例中，所述碳質材料與一種酸結合，然後通過脫水(加熱或不加熱，回流或不回流反應物)轉化。在一個實施例中，所述碳質材料為一食糖。在有些實施例中，所述食糖是蔗糖。在一個實施例中，所述酸是濃硫酸。
在一個實施例中，所述碳質材料在沒有使用溶劑的情況下加熱。所述碳質材料可以在添加一添加劑或不添加一添加劑的情況下加熱(所述添加劑可以是一氧化劑、一金屬氧化物或一催化劑)，隨後可選擇收集或冷凝所產生的氣體或蒸汽，以形成所述石墨材料。使用一氧化劑或金屬氧化物偏向促進氧化石墨烯形成，而如果不使用一氧化劑或金屬氧化物，則偏向產生石墨烯。在一個實施例中，優選將所述碳質材料加熱到一高溫，比如通過直接或間接火焰。在一個實施例中，所述添加劑是一含金屬化合物。在一個實施例中，所述金屬是鐵。在有些實施例中，所述添加劑是一金屬氧化物。在一個實施例中，所述添加劑是三氧化二鐵。在其他實施例中，所述添加劑是二茂鐵。
在一個實施例中，所述碳質材料在一回流溶劑中加熱，以形成所述石墨材料。所述碳質材料可以與一添加劑結合，所述添加劑可以是一氧化劑、一金屬氧化物或一催化劑。使用一氧化劑或金屬氧化物偏向促進氧化石墨烯形成，而如果不使用一氧化劑或金屬氧化物，則偏向產生石墨烯。在一個實施例中，所述添加劑是一金屬催化劑混合物。在有些實施例中，所述金屬是鐵。在一個實施例中，所述添加劑是一金屬氧化物。在一個實施例中，所述金屬氧化物三氧化二鐵。在有些實施例中，所述添加劑是二茂鐵。在有些實施例中，所述溶劑包括一種醇、水及一礦物油中的一項或多項。所述溶劑優選允許高溫回流所述反應混合物。也優選所述溶劑幫助溶解所述反應物，以防止所述反應物燃燒以及促進產生蒸汽，以收集產物。在有些實施例中，使用溶劑改進反應產量並增加反應物之間的相互作用，從而促進石墨烯或氧化石墨烯的形成。
在一個實施例中，當所述碳質材料在所述反應混合物中與一金屬氧化物結合時，表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)(包括表面石墨化磨料奈米顆粒球狀體)形成。可以重新獲得所述表面石墨化磨料奈米顆粒，供作任何用途，比如作為一奈米拋光劑或作為一潤滑劑的添加劑。預期可以通過使用一磁鐵或一外部施加磁場，從所述反應混合物重新獲得所述表面石墨化磨料奈米顆粒。也可以通過離心過濾重新獲得所述表面石墨化磨料奈米顆粒。在一個實施例中，包括所述表面石墨化磨料奈米顆粒的所述反應 混合物可以作為一潤滑劑的添加劑。
在一個實施例中，一大型直流電弧放電設備、一腔室或一圓筒可以用於促進表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)形成。在有些實施例中，所述三氧化二鐵以粉末狀態提供給所述系統，以促進表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)形成。在一個實施例中，所述三氧化二鐵包括一奈米粉末。在一個實施例中，可以向所述系統提供一高碳含量蒸汽。
在一個實施例中，所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)可以在一「動力爐」的高剪力環境中產生。所述「動力爐」的高剪力環境可以通過任何方法或結合多種方法來提供，包括但不限於高速旋轉所述管狀爐、高頻振盪或振動所述管狀爐、使用聲波降解、流體動力擠壓、與一個或多個移動部件摩擦碰撞以及高速攪拌所述「動力爐」的內容物。在一個實施例中，所述「動力爐」的旋轉速度可以達到大約1,000至11,000 rpm。在一個實施例中，所述「動力爐」還可以包括一表面形貌學形狀特徵(所述表面形貌學形狀特徵可以包括但不限於尾翅、杆、凸塊、凹穴、孔、粗糙實體及隧孔)，以提供額外的剪力，從而增加所述反應混合物的剪切。在一個實施例中，可以向所述「動力爐」設備供應反應氣體。在一個實施例中，表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)合成可以在加溫、加壓或減壓下發生。所述「動力爐」中的溫度可以介於200至800℉之間。
在一個實施例中，所述「動力爐」包括一嵌入的管狀 爐，供形成表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)。一絕緣部分可以圍繞兩個同中心的可轉爐缸。所述爐缸可以包括多個通孔，以允許材料在一外缸外面的區域、兩個爐缸之間的區域與內缸裏面的區域之間通過。所述爐缸可以是同軸而且可以以高速在不同方向轉動，以產生高剪力。所述動力管狀爐也可以包括通往主腔室的一液體組分輸送管道及一預熱器。也可以包括一分別的氣體組分輸送管道。所述主腔室可以是一單一腔室或一雙區腔室。
所述外缸的內表面或所述內缸的外表面可以包括尾翅、踏板、杆、凸塊或類似結構，以向所述系統提供剪力。在一個實施例中，所述管狀爐可以設計成「汪克爾」(Wankel)發動機的形式，以提供摩擦接觸、剪切及擠壓來促進表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)形成。所述「動力爐」可以包括一殼體、一轉動體、一偏心輪及與一外齒輪嚙合的內齒輪。當所述轉動體在所述「動力爐」殼體中圍繞運行時，所述液體在所述轉動體與所述殼體之間摩擦接觸、剪切及擠壓可以促進表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)形成。在一個實施例中，這些結構中的一個或多個的表面被電氣化或可被電氣化。在一個實施例中，所述電氣化表面可以起整個管狀爐中的一電氣化陰極的作用。
在一個實施例中，所述碳質材料是一非石墨碳源，所述非石墨碳源包括但不限於一食糖、一食糖類兩親性物、一促進石墨烯形成的兩親性物、一食糖替代物、一澱粉、纖維素、一石蠟、一乙酸鹽、一種或多種非石墨烴、一烷 烴、一烯烴、一炔、一酮、甲苯、汽油、柴油、煤油、煤、煤焦油、焦煤、或它們的組合物。在一個實施例中，煤及柴油是優選的碳源。在一個實施例中，所述煤是一粉化煤。在一個實施例中，所述煤是一奈米煤，比如由美國內華達州里諾市(Reno,Nevada)的「奈米燃料技術有限公司」(Nano Fuels Technology,LLC)售賣的奈米煤，其粒徑在次微米範圍。
一食糖兩親性物或一類食糖兩親性物可以是任何帶有一親水食糖部分及一疏水部分的分子，包括但不限於那些由下列人士在下列刊物中描述的分子：由Fenimore於2009年10月16日發表的辛辛那提大學博士論文「食糖基兩親性物的介面自組：固芯及液芯膠囊」(Fenimore,「Interfacial Self-assembly of Sugar-based Amphiphiles：Solid- and Liquid-core Capsules」，University of Cincinati Ph.D.thesis dated October 16,2009)；由Jadhav等人於《恩格萬特化學國際期刊》2010年第49卷第7695-7698頁發表的「食糖衍生選相分子膠化劑作為固化劑用於處理石油洩漏」(Jadhav et al.,「Sugar-derived Phase-selective Molecular Gelators as Model Solidifiers for Oil Spills」，Angewandte Chemie International Edition,Vol.49,pp.7695-7698,2010)；由Jung等人於《化學-歐洲期刊》2005年第11卷第5538-5544頁發表的「受雙鍵的引入影響的長鏈食糖基兩親性物的自組結構」(Jung et al.,「Self-assembling Structures of Long-chain Sugar-based Amphiphiles Influenced by the Introduction of Double Bonds」，Chemistry-A European Journal,Vol.11,pp.5538-5544,2005)；由Paleta等人於《碳水化合物研究》期刊2002年第337卷第2411-2418頁發表的「用於醫學應用的木糖醇、D-葡萄糖及D-半乳糖的新兩親性氟烷基化衍生物：血液相容性及助乳化特性」(Paleta et al.,「Novel Amphiphllic Fluoroalkylated Derivatives of Xylitol,D-glucose and D-galactose for Medical Applications：Hemocompatibility and Co-emulsifying Properties」，Carbohydrate Research,Vol.337,pp.2411-2418,2002)；由Germaneau於2007年發表的波恩Rheinische Friederich-Wilhems大學博士論文「兩親性食糖金屬碳烯：從費希爾類到氮異環碳烯(NHCs)」(Germaneau,「Amphiphillic Sugar Metal Carbenes：From Fischer Type to N-Heterocyclic Carbenes(NHCs)」，Rheinische Friederich-Wilhems-Universität Bonn Ph.D.thesis,2007)；以及由Ye等人於《工業及工程化學研究》期刊2000年第39卷第4564-4566頁發表的「用於液態及超臨界二氧化碳的含食糖兩親性物的合成」(Ye et al.,「Synthesis of Sugar-containing Amphiphiles for Liquid and Supercritical Carbon Dioxide」，Industrial & Engineering Chemistry Research,Vol.39,pp.4564-4566,2000)。
一促進石墨烯產生的兩親性物可以是任何帶有一促進石墨烯產生的親水部分及一疏水部分的分子，包括但不限於那些由美國密歇根州米德蘭市(Midland,Michigan)的「道 化學公司」(Dow Chemical Company)在TRITONTM或TERGITOLTM商標下銷售的分子，包括但不限於TRITON X系列的辛基酚乙氧基化物及TERGITOL NP系列的壬基酚乙氧基化物。
可選擇地，可以使用一石墨起始材料。所述石墨材料可以是任何包括石墨碳的材料，包括但不限於天然石墨、合成石墨、一種或多種多環芳烴(PAHs)、石墨烯、活化碳、生物炭、煤痰、一種或多種苯系物、萘或它們的任何組合。
參看圖2A，一溶劑中的石墨材料被加熱。在有些實施例中，所述溶劑包括一種醇、水及一礦物油中的一項或多項。在有些實施例中，所述混合物被加熱到一沸騰溫度。在有些實施例中，所述沸騰的溶劑被回流。
在一個實施例中，得自所述反應混合物的回流的液態石墨烯產物在反應容器中收集。所述含石墨烯的液體可以直接施加到一材料或基體，以形成一石墨烯增強材料、一石墨烯塗層基體或一氧化石墨烯增強材料、一氧化石墨烯塗層基體。
可選擇地，所述含石墨烯液體可以進一步加熱，以形成一含石墨烯/石墨烯衍生物剝片的蒸汽。本文中使用的「含石墨烯/石墨烯衍生物剝片」應理解為回流溶劑或溶劑混合物的蒸汽中轉移的一層至幾層的石墨烯或氧化石墨烯。所述剝片中的含石墨烯/石墨烯衍生物層可能大多數是平面的，或它們可能在所述蒸汽中起皺或折疊。所述層 的長度及寬度以遠遠大於它們的厚度為優選。
參看圖2B，所述含石墨烯/石墨烯衍生物剝片的蒸汽可以施加到一固體或一液體。
可以通過將一固體基體置於所述蒸汽中，或通過將所述蒸汽施加到所述固體基體，使所述含石墨烯/石墨烯衍生物剝片施加到所述固體基體，以形成一石墨烯/石墨烯衍生物薄膜塗層基體。優選在所述固體基體上沉積時減少所述剝片層中的任何起皺或折疊。在有些實施例中，所述沉積剝片在沉積之後經受退火，以改進它們的均一性。在有些實施例中，所述沉積剝片通過加熱所述基體來退火。在有些實施例中，相鄰的沉積剝片上的反應性端基團相互反應，形成較大的石墨烯/石墨烯衍生物薄片。在有些實施例中，使用一還原劑來將所述層中的氧化石墨烯(GO)轉化為還原氧化石墨烯(rGO)。
可選擇地，所述含石墨烯/石墨烯衍生物剝片的蒸汽可以施加到一水溶液池。所述蒸汽也可以從上方施加到所述水溶液池的表面，或經由鼓泡通過所述水溶液池。
在一個實施例中，所述水溶液池是一不添加添加劑的水池。如果所述水池不含添加劑，則所述石墨烯/石墨烯衍生物剝片在所述水表面疏水自組成為石墨烯/石墨烯衍生物薄片。在一個實施例中，所述沉積剝片在所述水面退火，以改進它們的均一性。在一個實施例中，相鄰的沉積剝片上的反應性端基團相互反應，在所述水面形成較大的石墨烯/石墨烯衍生物薄片。在有些實施例中，使用一還 原劑來將所述正在組合或已組合的層中的氧化石墨烯(GO)轉化為還原氧化石墨烯(rGO)。
所述水溶液池可以包括作為添加劑的一種或多種表面活性劑，以幫助所述石墨烯/石墨烯衍生物剝片在所述水面疏水自組成為石墨烯/石墨烯衍生物薄片。優選通過與所述表面活性劑相互作用或在到達所述水面時減少所述剝片層中的任何起皺或折疊。在一個實施例中，所述沉積剝片在所述水面退火，以改進它們的均一性。在一個實施例中，相鄰的沉積剝片上的反應性端基團相互反應，在所述水面形成較大的石墨烯/石墨烯衍生物薄片。
所述水溶液池可以包括一種或多種還原劑，以便在所述氧化石墨烯(GO)剝片在所述水面疏水自組成為還原氧化石墨烯(rGO)薄片期間，將氧化石墨烯(GO)轉化為還原氧化石墨烯(rGO)。在一個實施例中，所述還原劑是肼。優選在到達所述水面時減少所述剝片層中的任何起皺或折疊。在一個實施例中，所述沉積剝片在所述水面退火，以改進它們的均一性。在一個實施例中，相鄰的沉積剝片上的反應性端基團相互反應，在所述水面形成較大的石墨烯/石墨烯衍生物薄片。
可以通過使一固體接觸所述水表面的所述石墨烯/石墨烯衍生物薄片，將所述石墨烯/石墨烯衍生物薄片施加到所述固體。可以以一垂直、水平或傾斜角度，將所述固體表面浸入所述液體表面。可選擇地，所述固體表面最初可以置於所述水中，然後以一垂直、水平或傾斜角度提升到 所述液體表面，或可以將所述水排出，以將所述石墨烯/石墨烯衍生物薄片帶到所述固體表面。
可選擇地，有些來自所述水溶液池的水被允許緩慢地蒸發，在所述池的上層液體部分中留下一粘滯膠質石墨烯或石墨烯凝膠。
所述碳源可以以許多形式存在，包括但不限於液化狀態、粉化固體或粒狀固體。在一個實施例中，所述碳源優選包括至少一種帶有至少一個含六元碳環的化學結構的本質非石墨碳質材料(比如蔗糖)，其結構如以下分子(2)顯示者：
在一個實施例中，所述碳源以帶有大量石墨碳的形式存在。
相信所述碳質材料中的含碳環(特別是任何芳碳環)在所述石墨烯或氧化石墨烯產物的正在增長的碳環基架的化學反應中，在某種程度上被保存；換句話說，相信所述六元碳環結構在某種程度上被保留在所述石墨烯或氧化石墨烯產物中。
所述本質非石墨碳質材料可以包括但不限於下列物質中的其中之一或其任何組合：1.一食糖，包括但不限於： a.一糖蜜或糖蜜替代物，包括但不限於甜高粱、甜菜糖蜜、石榴糖蜜、桑葚糖蜜、長豆角糖蜜、棗糖蜜、葡萄糖蜜、直蔗糖蜜、黑糖蜜、楓糖漿或玉米糖漿(包括但不限於高果糖玉米糖漿)；b.一轉化糖，包括但不限於轉化糖糖漿；c.一去氧糖，包括但不限於去氧核糖、岩藻糖或鼠李糖；d.一單糖，包括但不限於葡萄糖、果糖、半乳糖、木糖或核糖；e.一種二糖，包括但不限於蔗糖、二蔗酮糖、乳糖、麥芽糖、海藻糖或纖維二糖；f.一多糖，包括但不限於澱粉、肝糖、阿拉伯糖基木聚糖、纖維素、殼多糖或果膠；g.一糖醇，包括但不限於赤藻糖醇、蘇糖醇、阿拉伯糖醇、木糖醇、核糖醇、甘露醇、山梨醇、甜醇、艾杜糖醇、異麥芽酮糖醇、麥芽糖醇或乳糖醇；h.一兩親性物，包括但不限於一食糖兩親性物或一促進石墨烯形成的兩親性物；2.一食糖替代物，包括但不限於甜葉菊、天門冬氨醯苯丙氨酸甲酯、三氯蔗糖、甜素、乙醯舒泛鉀、糖精或一糖醇；3.一碳氫化合物，包括但不限於萘、柴油、煤油、汽油或一烷烴(包括但不限於甲烷、乙烷、丙烷、環丙烷、丁烷、異丁烷、環丁烷、戊烷、異戊烷、新戊 烷，環戊烷、己烷、辛烷、煤油、異鏈烷烴、液體石蠟或固體石蠟；4.一煤構成物，包括但不限於泥煤、褐煤、瀝青煤、次瀝青煤、粉化煤、奈米煤、燭煤、無煙煤、木炭、碳黑、活化木炭、「活化奈米煤」或糖炭；5.一種醇，包括但不限於乙醇、甲醇或異丙醇；或6.一種油，包括但不限於亞麻籽油、香茅油、香葉醇或礦物油。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一吡喃糖、一呋喃糖、一環聚羧乙烯或一苯系物-詳見由Katritzky等人於《能量與燃料》期刊1994年第8卷第487-497頁發表的「碳環及雜環的水性高溫化學。20.1一些苯族烴化合物及含氧衍生物在460℃的超臨界水中的反應」(Katritzky et al.,「Aqueous High-temperature Chemistry of Carbo- and Heterocycles.20.1 Reactions of Some Benzenoid Hydrocarbons and Oxygen-containing Derivatives in Supercritical Water at 460℃」，Energy & Fuels,Vol.8,pp.487-497,1994)，包括但不限於含氧苯系物。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一食糖。在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括蔗糖。在一個實施例中，所述食糖包括一糖蜜或糖蜜替代物，所述糖蜜或糖蜜替代物可以包括但不限於甜高粱、甜菜糖蜜、石榴糖蜜、桑葚糖蜜、長豆角糖蜜、棗糖蜜、葡萄糖蜜、直蔗糖蜜、黑糖蜜、蜂蜜、楓糖漿或玉米糖漿 (包括但不限於高果糖玉米糖漿)。在有些實施例中，所述食糖包括一轉化糖，所述轉化糖可以包括但不限於轉化糖糖漿。
在一個實施例中，所述食糖包括一去氧糖，所述去氧糖可以包括但不限於去氧核糖、岩藻糖或鼠李糖。
在一個實施例中，所述食糖包括一單糖，所述單糖可以包括但不限於葡萄糖、果糖、半乳糖、木糖或核糖。
在一個實施例中，所述食糖包括一種二糖，所述二糖可以包括但不限於蔗糖、二蔗酮糖、乳糖、麥芽糖、海藻糖、纖維二糖或槐糖。
在一個實施例中，所述食糖包括一多糖，所述多糖可以包括但不限於澱粉、肝糖、阿拉伯糖基木聚糖、纖維素、殼多糖或果膠。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一糖醇，所述糖醇可以包括但不限於赤藻糖醇、蘇糖醇、阿拉伯糖醇、木糖醇、核糖醇、甘露醇、山梨醇、甜醇、艾杜糖醇、異麥芽酮糖醇、麥芽糖醇或乳糖醇。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一食糖替代物，所述食糖替代物可以包括但不限於甜葉菊、天門冬氨醯苯丙氨酸甲酯、三氯蔗糖、甜素、乙醯舒泛鉀或糖精。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一食糖衍生物，所述食糖衍生物可以包括但不限於槐糖醇、一酚糖苷、一甜菊糖苷、一皂角苷、一糖苷或苦杏苷。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一環聚二甲基矽氧烷，所述環聚二甲基矽氧烷可以包括但不限於苯基三甲基聚矽氧烷或環五矽氧烷。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一類固醇，所述類固醇可以包括但不限於皂苷元或薯蕷皂苷元。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一肉桂酸鹽，所述肉桂酸鹽可以包括但不限於甲基肉桂酸鹽或乙基肉桂酸鹽。在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括肉桂酸。在一個實施例中，所述添加劑包括肉桂油。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一類苯丙烷，所述類苯丙烷可以包括但不限於肉桂酸、香豆酸、咖啡酸、5-羥基阿魏酸、芥子酸、肉桂醛、傘形花內酯、白藜蘆醇、一單體木素醇(其可以包括但不限於松柏醇、香豆醇或芥子醇)或一苯基丙烯(其可以包括但不限於丁香酚、胡椒酚、黃樟素或草蒿腦)。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一苯甲酸鹽，所述苯甲酸鹽可以包括但不限於苯甲酸鐵、苄基苯甲酸鹽、乙基苯甲酸鹽、甲基苯甲酸鹽、苯基苯甲酸鹽、環已醇苯酸酯、2-苄基苯甲酸酯、季戊四醇四苯甲酸酯、苯甲酸鈉或苯甲酸鉀。在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括氨基苯甲酸。在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括2-羥基甲基苯甲酸甲酯。在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括泛醌。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一羧酸 鹽，所述羧酸鹽可以包括但不限於順，順-1,3,5-環己三羧酸甲酯。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一苯並呲喃，所述苯並呲喃可以包括但不限於色烯、異色烯或取代苯並呲喃。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一天然黃酮或合成黃酮或異黃酮，所述天然黃酮或合成黃酮或異黃酮可以包括但不限於黃烷-3-醇或黃烷酮。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一水楊酸鹽，所述水楊酸鹽可以包括但不限於水楊酸鐵、甲基水楊酸鹽、乙基水楊酸鹽、丁基水楊酸鹽、肉桂水楊酸鹽、環己基水楊酸鹽、乙基已基水楊酸鹽、庚基水楊酸鹽、異戊基水楊酸鹽、辛基水楊酸鹽、苄基水楊酸鹽、苯基水楊酸鹽、對-甲酚水楊酸鹽、鄰-甲酚水楊酸鹽、間-甲酚水楊酸鹽或水楊酸鹽鈉。在在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括水楊酸。在在一個實施例中，所述添加劑包括氨基水楊酸。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一抗氧化劑。在一個實施例中，所述抗氧化劑是一環狀抗氧化劑。在一個實施例中，所述抗氧化劑是一酚類抗氧化劑，所述酚類抗氧化劑可以包括但不限於2,6-二叔丁基苯酚、2-叔丁基-4,6-二甲基苯酚、2,6-二叔丁基對乙基苯酚、2,6-二叔丁基-4-正丁基苯酚、2,6-二叔丁基-4-1-丁基苯酚、2,6-二環戊基-4-甲基苯酚、2-(α-甲基環己基)-4,6-二甲基 苯酚、2,6-二十八烷基甲基苯酚、2,4,6-三環己基苯酚、2,6-二叔丁基-4-甲氧基甲基苯酚、2,6-二叔丁基-4-甲氧基苯酚、2,5-二叔丁基對苯二酚、2,5-二叔戊基對苯二酚、2,6-二苯基-4-十八烷基環氧苯酚、2,2'-亞甲基雙(6-叔丁基-4-甲基苯酚)、2,2'-亞甲基雙(6-叔丁基-4-乙基苯酚)、2,2'-亞甲基雙[4-甲基-6-(α-甲基環己基)-苯酚]、2,2'-亞甲基雙(4-甲基-6-環己基苯酚)、2,2'-亞甲基雙(6-壬基-4-甲基苯酚)、2,2'-亞甲基雙[6-(α-甲基苄基)-4-壬基苯酚]、2,2'-亞甲基雙[6-(α-α-二甲基苄基)-4-壬基苯酚]、2,2'-亞甲基雙(4,6-二叔丁基苯酚)、2,2'-亞乙基雙(4,6-二叔丁基苯酚)、2,2'-亞乙基雙(6-叔丁基-4-異丁基苯酚)、4,4'-亞甲基雙(2,6-二叔丁基苯酚)、4,4'-亞甲基雙(6-二叔丁基-2-甲基苯酚)、1,3-雙(5-叔丁基-4-羥基-2-甲基苯酚)、2,6-二(3-叔丁基-5-甲基-2-羥基苄基)-4-甲基苯酚、1,1,3-三(5-叔丁基-4-羥基-2-甲基苯酚)-丁烷、以及任何天然的植物基酚類氧化劑，所述天然的植物基酚類氧化劑可以包括但不限於抗壞血酸、一生育酚、一生育三烯酚、迷迭香酸以及其他酚酸及類黃酮，比如那些存在於葡萄、莓果、橄欖、黃豆、茶葉、迷迭香、羅勒屬植物、牛至、肉桂、孜然及薑黃中的酚酸及類黃酮。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括4-乙烯基苯酚、花色素或苯並吡喃鎓。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一環氨基酸，所述環氨基酸可以包括但不限於苯基丙氨酸、色氨 酸或酪氨酸。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一環己烷衍生物，所述環己烷衍生物可以包括但不限於1,3-環己二烯或1,4-環己二烯。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一苯衍生物，所述苯衍生物可以包括但不限於一多酚、苯甲醛、苯並三唑、苄基1-萘基碳酸鹽、苯、乙苯、甲苯、苯乙烯、苄腈、苯酚、鄰苯二甲酸酐、鄰苯二甲酸、對苯二酸、對甲苯甲酸、苯甲酸、氨基苯甲酸、氯化苄、異吲哚、乙基鄰苯二醯乙基乙醇酸酯、N-苯基苯胺、甲氧苯醌、苄基丙酮、亞苄基丙酮、己基肉桂醛、4-氨基-2-羥基甲苯、3-氨基苯酚或香草醛。
在一個實施例中，所述苯衍生物包括一鄰苯二酚，所述鄰苯二酚可以包括但不限於1,2-二羥基苯(兒茶酚)、1,3-二羥基苯(間苯二酚)或1,4-二羥基苯(氫醌、對苯二酚)。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一萘甲酸酯，所述萘甲酸酯可以包括但不限於2-甲氧基-1-萘甲酸甲酯或3-甲氧基-2-萘甲酸甲酯。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一丙烯酸脂，所述丙烯酸脂可以包括但不限於2-丙基丙烯酸苄酯或甲丙烯醯酸-2-萘酯。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一鄰苯二甲酸酯，所述鄰苯二甲酸酯可以包括但不限於鄰苯二甲酸二丙烯酯。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一琥珀酸鹽，所述琥珀酸鹽可以包括但不限於雙(2-羰氧苄基)琥珀酸鹽。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一酸酯，所述酸酯可以包括但不限於甲基O-甲基羅漢松酸酯。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一螢光團，所述螢光團可以包括但不限於異硫氰酸螢光素、若丹明、酞菁或酞菁銅。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一藥物，所述藥物可以包括但不限於乙醯水楊酸(阿斯匹林)、對乙醯氨基酚(撲熱息痛)、布洛芬或一苯二氮草類藥物。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一磷酸鹽，所述磷酸鹽可以包括但不限於磷酸甲酚二苯酯、一二磷酸酯、一三鄰甲苯基磷酸酯、一對甲苯基磷酸酯、一鄰甲苯基磷酸酯或一甲基甲苯基磷酸酯。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一在所述發動機或機械系統的操作條件的熱量下降解為一種或多種上述添加劑的化合物，比如某些萜烯或某些天然芳族酯或非芳族環酯、酮或醛，所述化合物可以包括但不限於水楊酸甲酯(冬青油)、肉桂葉/樹皮油(肉桂醛)、聯苯(二戊烯)、蒎烯及莰烯。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一商業食用個人/性潤滑劑組合物，所述潤滑劑組合物包括一食糖替代物兩親性物。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一商業紫外線防曬製劑，所述商業紫外線防曬製劑包括辛基甲氧基肉桂酸酯、丁基甲氧基二苯醯化甲烷(B-MDM、阿伏苯宗)、辛基-二甲基-對氨基苯甲酸(OD-PABA)、氰雙苯丙烯酸辛酯、氧苯酮、烴基苯甲酸酯、2,6-萘二甲酸二乙基己酯、苯氧基乙醇、胡莫柳酯、乙基己基三嗪酮、4-甲基苯亞甲基樟腦(4-MBC)或一聚山梨醇酯。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一商業皮膚霜製劑，所述商業皮膚霜製劑可以包括但不限於聚羧乙烯、抗壞血酸棕櫚酸酯、生育酚乙酸酯、酮康唑或礦物油。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一商業洗手消毒液製劑，所述商業洗手消毒液製劑可以包括聚羧乙烯、生育酚乙酸酯或丙二醇。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一商業人類或動物毛髮護理產品，所述商業人類或動物毛髮護理產品可以包括苯甲酮、烴基苯甲酸酯、苯氧基乙醇、山梨醇油酸酯、一苯乙烯共聚物、丙二醇、羥異己基3-環己烯基甲醛、二丁基羥基甲苯、酮康唑、礦脂、礦物油或液體石蠟。
在一個實施例中，所述商業毛髮護理產品是一捲曲活化液或舒緩液，所述捲曲活化液或舒緩液可以包括聚羧乙烯、己基肉桂醛、水楊酸苄酯、水楊酸三乙醇胺、苯甲酸苄酯、丁子香酚、1,3-二羥甲基-5,5-二甲基乙內醯脲 (DMDM乙內醯脲)、對氨基苯甲酸(PABA)、4-二甲氨基苯甲酸2-乙基己酯(帕地馬酯-O)、丁苯基甲基丙醛、羥苯丙酯、酚磺酞(PSP、酚紅)或一聚山梨醇酯。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一商業染髮劑製劑，所述商業染髮劑製劑可以包括水合氧化鐵(Fe(OH)3)、對苯二胺、鄰氨基苯酚、間氨基苯酚、對氨基苯酚、4-氨基-2-羥基甲苯、十三烷醇聚醚-2-羧基醯胺MEA(一乙醇胺)、苯基甲基吡唑啉酮、苯氧基乙醇、一聚季胺鹽、己基肉桂醛、丁苯基甲基丙醛、酚磺酞(PSP、酚紅)、羥異己基3-環己烯基甲醛、二氧化鈦或鐵氧化物。
在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括一商業殺蟲劑，所述商業殺蟲劑可以包括但不限於鄰苯基苯酚(OPP)、苯基對苯二酚(PPQ)或聯苯醌(PBQ)。
所述氧化劑可以以許多形式存在，包括但不限於氣體狀態、液化狀態、粉化固體或粒狀固體。在一個實施例中，所述氧化劑可以包括但不限於下列物質中的其中之一或其任何組合：硝酸鉀、氣態氧、硝酸鈉、重鉻酸銨、硝酸銨、高氯酸銨、高氯酸鉀、高錳酸鉀、硝酸鈣、過氧化氫、碳酸氫鈉或硫氰酸汞。
在一個實施例中，所述反應混合物包括一溶劑。所述溶劑可以包括一醇，所述醇可以包括但不限於下列物質中的其中之一或其任何組合：甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇或一膠凝醇製劑，所述膠凝醇製劑包括但不限於一凝固的變性醇製劑，比如一存在於美國伊利諾斯州德斯普蘭斯市 (Des Plaines,Illinois)的「斯丹諾集團有限公司」(The Sterno Group,LLC)供應的Sterno®商標的罐裝燃料中的包括乙醇及甲醇的製劑，或一存在於洗手消毒液的膠凝醇製劑，包括含有聚丙烯酸或丙二醇的製劑。
在一個實施例中，所述反應混合物包括一種或多種催化劑或其他添加劑。所述添加劑或催化劑可以包括但不限於下列物質中的其中之一或其任何組合：碳酸氫鈉、碳酸氫鋁、磷酸鈉鋁、硫酸鈉鋁、碳酸鉀、磷酸鉀、氫氧化鉀、氫氧化鋁、氫氧化鎂、硫酸鎂、磷酸鎂、酒石酸氫鉀、檸檬酸、抗壞血酸、蔗糖酶、轉化酵素、二茂鐵或一過渡金屬氧化物催化劑(其可以以奈米粉末狀態存在)，所述金屬氧化物催化劑包括但不限於下列物質中的其中之一或其任何組合：鐵(II)氧化物、鐵(II,III)氧化物、鐵(III)氧化物、鐵(II)氫氧化物、鐵(III)氫氧化物、或鐵(III)氧化物水合物、氧化鋁、一銅氧化物(包括一銅(I)氧化物或銅(II)氧化物)、一鎳氧化物(包括鎳(I)氧化物或鎳(II)氧化物)、一鈦氧化物(包括但不限於二氧化鈦、鈦(I)氧化物或鈦(II)氧化物)、一鉛氧化物(包括但不限於鉛(II)氧化物、鉛(IV)氧化物、四氧化三鉛)或一鉛的倍半氧化物。
在一個實施例中，蔗糖及碳酸氫鈉以大約4：1的體積比例組合，乙醇作為溶劑被添加，以形成所述反應混合物。
在一個實施例中，所述反應物與一易燃溶劑混合，比如與甲醇、乙醇或異丙醇混合。在有些實施例中，所述碳源溶解於所述易燃溶劑中。在其他實施例中，所述反應物與 所述溶劑形成一漿體。
在一個實施例中，所述反應在沒有使用溶劑的情況下進行。
在一個實施例中，粉狀食糖及碳酸氫鈉粉末以4：1的體積比例組合，然後在暴露於熱之前與一金屬氧化物催化劑混合。
在一個實施例中，所述反應混合物可以額外地或可選擇地包括碳酸氫鈉、萘及亞麻籽油等物質中的一項或多項。
在一個實施例中，蔗糖及硝酸鉀以大約35：65的比例組合形成所述反應混合物-詳見紐約州紐約市的Ballantine Books書局於1960年出版、由B.R.Brinley著作的《火箭業餘手冊》(Rocket Manual for Amateurs by B.R.Brinley,Ballantine Books,New York,New York,1960)；於2011年1月由Richard Nakka撰寫並僅自錄於光碟的《業餘實驗火箭技術》第7卷(Amateur Experimental Rocketry,Vol.7 by Richard Nakka,self-published on CD only,January 2011)。在一個實施例中，所述反應混合物進一步包括一分量介於1%至大約30%範圍的金屬氧化物(以大約5%為優選)。
在一個實施例中，粉狀食糖及一醇類物(以乙醇或異丙醇為優選)被置於一反應容器中，並混合形成一糊狀反應混合物。所述反應混合物經受加熱，以產生一含蒸汽的蒸汽剝離石墨烯/石墨烯衍生物剝片。在有些實施例中，所述反應混合物進一步包括以德國科隆市「朗盛化學公司」(Lanxess,Cologne)的BayFerrox®鐵氧化物粉末顏料為形式 的鐵氧化物。在其他實施例中，所述鐵氧化物的形式為美國德克薩斯州休斯頓市(Houston,Texas)的「美國研究奈米材料有限公司」(U.S.Research Nanomaterials,Inc.)供應的高純度四氧化三鐵(Fe3O4)(15-20 nm)奈米粉末。
在一個實施例中，粉狀食糖及一以包括水、聚丙烯酸及~60%異丙醇的傳統洗手消毒液為形式的膠凝醇被置於一反應容器中，並一起混合形成一反應混合物。所述反應混合物經受加熱，以產生一含蒸汽的蒸汽剝離石墨烯/石墨烯衍生物剝片。在有些實施例中，所述反應混合物進一步包括以德國科隆市「朗盛化學公司」(Lanxess,Cologne)的BayFerrox®鐵氧化物粉末顏料為形式的鐵氧化物。在其他實施例中，所述鐵氧化物的形式為美國德克薩斯州休斯頓市(Houston,Texas)的「美國研究奈米材料有限公司」(U.S.Research Nanomaterials,Inc.)供應的高純度四氧化三鐵(Fe3O4)(15-20 nm)奈米粉末。
在一個實施例中，粉狀食糖及一醇類物(以乙醇為優選)的一反應混合物以一加熱板加熱，其達到的溫度低於先前描述的實施例中使用直接火焰加熱的溫度。所述反應混合物經受加熱到一溫度，促使含有蒸汽剝離石墨烯/石墨烯衍生物剝片的蒸汽形成。在一個實施例中，所述反應混合物進一步包括以德國科隆市「朗盛化學公司」(Lanxess,Cologne)的BayFerrox®鐵氧化物粉末顏料為形式的鐵氧化物。在一個實施例中，所述鐵氧化物的形式為美國德克薩斯州休斯頓市(Houston,Texas)的「美國研究奈米材料有限 公司」(U.S.Research Nanomaterials,Inc.)供應的高純度四氧化三鐵(Fe3O4)(15-20 nm)奈米粉末。
在一個實施例中，所述鐵氧化物源是一基體，所述其他反應物置於其上。在一個實施例中，所述鐵氧化物源是一生銹的鐵基金屬零件。所述反應物接著經受加熱，如同先前描述的實施例的其中之一那樣。
在一個實施例中，所述碳質材料是煤或一煤衍生物。在一個實施例中，所述煤是一粉化煤。在一個實施例中，所述煤是一奈米煤。在一個實施例中，所述碳質材料是煤、焦煤及煤焦油中的一項或多項。在一個實施例中，所述煤或煤衍生物在一高沸點溫度溶劑中經受加熱到回流溫度。在一個實施例中，所述過程是以一粗劣的或非正式的煤焦油蒸餾爐或焦煤爐，使反應氣體重新冷凝並滴回所述反應混合物中。
在一個實施例中，所述碳質材料是蔗糖。在有些實施例中，濃硫酸將所述蔗糖轉化為石墨碳，而所述石墨碳可以通過以下反應式(4)顯示的脫水反應，從來自被隔離反應氣體的泡沫聚集形成：
在一個實施例中，使用過量的濃硫酸，使得在脫水反應期間形成的任何水蒸汽或其他氣體從所述反應混合物釋放，而且所述石墨碳產物不是泡沫形式。在一個實施例中，向所述系統提供過熱，以促進所有反應氣體的釋放。
在一個實施例中，用熱量通過以下反應式(5)顯示的脫 水反應，將所述蔗糖轉化為碳：
在一個實施例中，一石墨碳源及一液體被置於一反應容器中，並一起混合形成一漿狀混合物。所述石墨碳源可以是任何包括石墨碳的材料，所述材料包括但不限於天然石墨、合成石墨、一種或多種多環芳烴(PAHs)、石墨烯、活化碳、生物炭、煤痰、一種或多種苯系物、或它們的任何組合。在一個實施例中，所述石墨是天然石墨或合成石墨。在一個實施例中，所述石墨研磨成一細粉。在一個實施例中，所述石墨碳源是一活化碳。在一個實施例中，所述液體包括一種醇、水或礦物油中的一項或任何組合。在一個實施例中，所述液體是一種酸或一強酸液體。在一個實施例中，所述醇是甲醇。所述漿狀混合物經受加熱，以產生一含蒸汽的蒸汽剝離石墨烯/石墨烯衍生物剝片。在一個實施例中，所述反應混合物進一步包括以德國科隆市「朗盛化學公司」(Lanxess,Cologne)的BayFerrox®鐵氧化物粉末顏料為形式的鐵氧化物。在其他實施例中，所述鐵氧化物的形式為美國德克薩斯州休斯頓市(Houston,Texas)的「美國研究奈米材料有限公司」(U.S.Research Nanomaterials,Inc.)供應的高純度四氧化三鐵(Fe3O4)(15-20 nm)奈米粉末。
在一個實施例中，一來自所述蔗糖的脫水反應的石墨碳產物及一溶劑被置於一反應容器中，並一起混合形成一漿狀混合物。在一個實施例中，所述溶劑可以包括一種醇、 水或礦物油中的一項或任何組合。在一個實施例中，所述醇是甲醇、乙醇或異丙醇。所述漿狀混合物經受加熱，以產生一含蒸汽的蒸汽剝離石墨烯/石墨烯衍生物剝片。在有些實施例中，所述反應混合物進一步包括以德國科隆市「朗盛化學公司」(Lanxess,Cologne)的BayFerrox®鐵氧化物粉末顏料為形式的鐵氧化物。在一個實施例中，所述鐵氧化物的形式為美國德克薩斯州休斯頓市(Houston,Texas)的「美國研究奈米材料有限公司」(U.S.Research Nanomaterials,Inc.)供應的高純度四氧化三鐵(Fe3O4)(15-20 nm)奈米粉末。
在一個實施例中，所述熱源是一直接明火。在一個實施例中，所述熱源是以一引燃源引燃、與所述反應物混合的一種燃料。在一個實施例中，所述熱源是一加熱板。在一個實施例中，添加一附加反應物，以促進一反應氣體的形成。在一個實施例中，所述添加附加反應物是碳酸氫鈉，而所述反應氣體是二氧化碳。在一個實施例中，所述反應物經受加熱直到自動點燃。
在一個實施例中，所述化學反應可以有目的地在熱解條件下發生。在一個實施例中，一反應可以有目的地在燃燒所需氧氣不足、氧氣極少或在一局部真空腔室的條件下發生。在一個實施例中，至少一些所述反應物在一控制低氧環境中形成期間經受加熱。在一個實施例中，一反應可以有目的地使用一添加劑，以促進不完全燃燒及炭黑或不完全燃燒或熱解的其他產物的形成。在一個實施例中，可以 通過使所述反應混合物暴露於一直接火焰的熱，迅速地完成所述反應。
在一個實施例中，固體反應物被混合，然後以一直接火焰在一反應容器(比如一坩鍋)中加熱。雖然用於產生所述火焰的燃料可以是本發明的精神範圍內的任何燃料，但這些實施例中所使用的燃料優選一相對完全燃燒的燃料，比如甲烷、乙烷、丙烷或丁烷。
在一個實施例中，所述熱源是直接火焰。
在一個實施例中，所述系統在外面加熱，其達到的溫度低於所述系統開始形成產物所需的自動點燃溫度稍低的溫度。
在一個實施例中，所述石墨烯或氧化石墨烯(GO)作為加熱一膨脹材料的產物形成。膨脹材料通常作為阻燃劑使用。本文中使用的「一膨脹材料」一詞可以包括但不限於下列物質中的其中之一或其任何組合：二甲苯基磷酸酯、三甲苯基磷酸酯(包括但不限於對甲苯基磷酸酯、鄰甲苯基磷酸酯、間甲苯基磷酸酯)、聚合物樹脂前體物或某些環氧樹脂，包括但不限於熱固性樹脂(包括但不限於苯酚甲醛樹脂、三聚氰胺樹脂、氰酸酯樹脂、或聚氰酸酯、聚苯醚樹脂、乙烯丙烯二烯單體樹脂、或聚烯烴塑性體樹脂)。
在一個實施例中，對所述膨脹材料進行加熱產生一導熱性差的輕焦炭。在一個實施例中，對所述膨脹材料進行加熱產生一重焦炭。在一個實施例中，所產生的焦炭經受溶 劑攻擊及再加熱，以產生所述石墨烯或氧化石墨烯產物。在一個實施例中，所產生的焦炭可以接著起所述碳質材料的作用，添加到一氧化劑及與該氧化劑進行反應。在一個實施例中，所述焦炭可以與一油組合，然後加熱產生所述石墨烯或氧化石墨烯產物。
在一個實施例中，如以上描述那樣，添加到所述反應物或添加劑的所述碳質材料碳源可以包括但不限於下列物質中的其中之一或其任何組合：亞麻子油、一輕質石蠟油、一萘型化合物、一樹脂、一樹脂前體物、一醇酸樹脂或一醇酸前體物，包括但不限於一多羥基化合物(包括但不限於麥芽糖醇、山梨糖醇、異麥芽酚、季戊四醇、乙烯乙二醇、丙三醇或聚酯)。
在一個實施例中，所述反應物包括一種或多種多羥基化合物、一種或多種酸酐、或一種或多種不飽和脂肪酸甘油三酯。
可以預想，更改上述方法可以較容易收集所述石墨烯或氧化石墨烯，而且可以獲得較高產量。
在一個實施例中，不使用液體或凝膠混合介質。在一個實施例中，所述混合介質是甲醇。在一個實施例中，所述混合介質是水。在一個實施例中，所述混合介質是一固體、半固體或凝膠狀可燃材料，可以與所述碳源混合。在一個實施例中，所述可燃材料是一用變性醇、水及凝膠製造的凝膠燃料，比如由美國伊利諾斯州德斯普蘭斯市(Des Plaines,Illinois)的「斯丹諾集團有限公司」(The Sterno Group,LLC)供應的Sterno®商標的罐裝燃料。在一個實施例中，所述變性醇包括添加一種或多種添加劑的乙醇，所述添加劑可以包括下列物質中的其中之一或其任何組合：甲醇、異丙醇、丙酮、甲基乙基酮、甲基異丁基酮、或苯甲地那銨。
在一個實施例中，所述凝膠燃料以醋、碳酸鈣及異丙醇製成。在這樣的實施例中，可以逐漸地加熱所述凝膠燃料以提高其流動性，便於與所述反應物混合，然後冷卻重新成凝膠。在這樣的一個實施例中，只能在開始時使用一直接火焰來點燃所述凝膠燃料及引發所述反應，而所述火焰靠所述凝膠燃料本身的燃燒維持。
在一個實施例中，所述蒸汽帶石墨烯或石墨烯衍生物剝片通過沉積到一與所述蒸汽帶剝片接觸的固體表面上來收集。
在一個實施例中，所述蒸汽帶石墨烯或石墨烯衍生物剝片通過使用潔淨煤技術來收集。在一個實施例中，使用一洗滌器(優選一濕洗滌器)來收集任何蒸汽帶石墨烯或石墨烯衍生物剝片-實例詳見由Semrau於《化學工程》期刊1977年第84卷第87-91頁發表的「微粒洗滌器的實用程序設計」(Semrau,「Practical Process Design of Particulate Scrubbers」，Chemical Engineering,Vol.84,pp.87-91,1977)。在一個實施例中，通過用蒸汽來處理廢氣，以收集蒸汽帶顆粒，包括任何蒸汽帶石墨烯或氧化石墨烯剝片。
在一個實施例中，所述蒸汽帶石墨烯或石墨烯衍生物剝片通過將所產生的蒸汽鼓泡通過一液體來收集。在一個實施例中，所述液體是水。在其他實施例中，所述液體是一種油，所述油可以包括但不限於一植物油或一潤滑油。在一個實施例中，添加一表面活性劑到所述水中，以促進一均勻層的石墨烯或石墨烯衍生物在所述水面形成。在一個實施例中，所述液體經受加熱，以促進一均勻層的石墨烯或石墨烯衍生物通過疏水自組在所述水面形成。在一個實施例中，所述液體經受加熱到接近其沸點溫度。在一個實施例中，使用添加劑來提高所述液體的沸點溫度。在一個實施例中，對所述液體施加超聲波，以促進石墨烯或石墨烯衍生物在所述水面疏水自組。在一個實施例中，對所述液體施加紫外光，以促進石墨烯或石墨烯衍生物在所述水面疏水自組。在一個實施例中，所述液體上方的氬氣環境促進石墨烯或石墨烯衍生物在所述水面疏水自組。在一個實施例中，使用一減壓來促進石墨烯或石墨烯衍生物的疏水自組-詳見由Putz等人於《美國化學學會ASC奈米期刊》2001年第5卷第6601-6609頁發表的「氧化石墨烯紙及相關的聚合物奈米複合材料的真空輔助自組期間的序列演化」(Putz et al.,「Evolution of Order During Vacuum-assisted Self-assembly of Graphene Oxide Paper and Associated Polymer Nanocomposites」，ASC Nano,Vol.5,pp.6601-6609,2001)。
在一個實施例中，在所述熱解步驟完成之後殘存於反應 容器中並含有石墨材料的所述溶劑作為一塗層使用，以形成一由所述石墨材料增強的複合材料。在一個實施例中，通過將需塗層的材料浸入所述含石墨溶劑，施加所述含石墨溶劑。在一個實施例中，塗層一纖維網。在一個實施例中，多層的沉積物覆蓋所述石墨材料中的任何裂紋，從而增強所述塗層。
在一個實施例中，所述含石墨溶劑與一結構材料混合，以形成一石墨烯增強複合材料。在一個實施例中，所述含石墨溶劑與預浸漬複合纖維結合，形成一石墨烯增強複合材料。在一個實施例中，所述石墨材料的碳源是一需由所述石墨材料增強的特定樹脂的樹脂前體物。
在一個實施例中，用於積聚所述燃燒產物蒸汽的含水收集液在一模具中使用，以方便製造利用所述燃燒產物的固體複合材料。
在一個實施例中，所述反應蒸汽在不使用液態收集介質的情況下，被直接收集及引導到一模具的內表面或外表面上。
在一個實施例中，所述反應蒸汽被直接收集及引導到一固體基體的表面上。在一個實施例中，所述固體基體是一纖維，而且一石墨烯增強纖維複合材料在沉積發生時形成。在一個實施例中，所述纖維是碳纖維。在一個實施例中，所述纖維是聚合物。所述石墨烯塗層可以在將各個單根纖維編織在一起之前或之後施加到所述纖維，視用途及所述石墨烯纖維複合材料的預定特性而定。在一個實施例 中，多層的沉積物覆蓋所述石墨烯薄片中的任何裂紋，從而增強所述塗層。
在一個實施例中，所收集的蒸汽懸浮在一液體上，所述液體隨後被排放、蒸發或消除，使所述石墨烯、氧化石墨烯或還原氧化石墨烯薄片塗上一模具的內面、或沉積到一已經在這樣的模具內的固體基體或液體基體上、或被引入所述模具中，以產生一複合材料。
在圖3的系統中，一反應混合物被置於一反應容器10中。熱量通過一加熱元件12施加到所述反應容器10。產生的反應氣體及氣載產物在所述反應容器10生成壓力，並通過一導管14離開所述反應容器。所述反應氣體蒸汽在液體16的表面上方離開所述導管14。在另一個實施例中(圖中未顯示)，導管14在液體16的表面18下方引導所述蒸汽，於是所述蒸汽鼓泡到所述液體16的所述表面18。在一個實施例中(圖中未顯示)，一連接到導管14的末端的噴淋器提供多個釋放點，以便在所述液體的表面的下方或上方散佈所述反應氣體蒸汽的汽泡。所述反應氣體在所述液體表面18的上方釋放到大氣22中，而石墨烯/石墨烯衍生物產物保留在所述液體中，其主要在所述液體表面18處積聚。可選擇地，所述導管14可以直接在所述液體表面18的上方將所述反應氣體蒸汽釋放到所述大氣22中。在有些這樣的實施例中，所述反應氣體蒸汽由所述導管14引向所述液體表面18。
一溫度控制元件24可以通過提供熱量或冷卻來控制所述 液體的溫度，以促進在所述液體表面通過疏水自組形成較大的氧化石墨烯薄片。所述溫度控制元件24或一分開的超聲波元件可以提供超聲波振動，以促進在所述液體表面形成較大的氧化石墨烯薄片。可以使用一蓋子(圖中未顯示)來覆蓋所述液體16，以在所述液體16的上方創建一封閉的可控環境22。在一個實施例中(圖中未顯示)，由一壓源通過一閥，在所述環境22中保持一增壓。在一個實施例中，所述壓源是一惰性氣體(比如氬氣)，以便在所述液體的上方提供一惰性環境。在一個實施例中(圖中未顯示)，一放氣閥使得能夠從所述大氣22釋放超壓。所述反應容器10優選包括一均壓閥34，以解除在所述反應容器10中形成的超真空，從而防止所述液體在回流及反應期間向所述反應容器10引入所述導管14。
在一個實施例中，所述反應容器是一布氏(Büchner)燒瓶。在一個實施例中，所述燒瓶的頂部以塞子塞住，而且導管連接到所述燒瓶的接頭。在一個實施例中，所述導管的另一末端置於一液體下面，所述末端沒有任何類別的噴淋器。在一個實施例中，所述均壓閥連接到一延長通過所述布氏燒瓶頂部的塞子的管線。
在一個實施例中，簡單地通過使一固體基體與所述液體的表面接觸，將在所述液體的表面形成的石墨烯或石墨烯衍生物轉移到所述固體基體，比如通過採用Langmuir-Blodgett(LB)膜誘導沉積法來進行沉積-實例詳見由Blodgett於《美國化學學會期刊》1935年第57卷第1007- 1022頁發表的「通過在一固體基體上沉積連續單分子層構建的薄膜」(Blodgett,「Films built by depositing successive monomolecular layers on a solid surface」，Journal of the American Chemical Society,Vol.57,pp.1007-1022,1935)。
在一個實施例中，所收集的氧化石墨烯(GO)或石墨烯產物進一步被還原或處理，以將殘餘雜質從所述產物消除。
在一個實施例中，所述氧化石墨烯(GO)反應產物轉化為還原氧化石墨烯(rGO)。在一個實施例中，所述氧化石墨烯(GO)如以下反應式(6)概括代表的那樣，化學還原為還原氧化石墨烯：氧化石墨烯+還原劑→還原氧化石墨烯(rGO) (6)
在一個實施例中，所述氧化石墨烯(GO)膠態分散於水或另一液體中，然後使用水合肼來將其化學還原為還原氧化石墨烯(rGO)-詳見由Stankovich等人於《碳》期刊2007年第45卷第1558-1565頁發表的「通過化學還原剝離的石墨氧化物合成石墨烯基奈米薄片」(Stankovich et al.,「Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide」，Carbon,Vol.45,pp.1558-1565,2007)；由Gao等人於《物理化學期刊C》2010年第114卷第832-842頁發表的「肼與氧化石墨烯的還原：反應機理」(Gao et al.,「Hydrazine and Thermal Reduction of Graphene Oxide：Reaction Mechanisms」，Journal of Physical Chemistry C,Vol.114,pp.832-842, 2010)；由Si等人於《奈米快報》期刊2008年第9卷第1679-1682頁發表的「水溶性石墨烯的合成」(Si et al.,「Synthesis of Water Soluble Graphene」，Nano Letters,Vol.9,pp.1679-1682,2008)。在一個實施例中，使用氫醌將所述氧化石墨烯(GO)化學還原為還原氧化石墨烯(rGO)-詳見由Wang等人於《物理化學期刊C》2008年第112卷第8192-8195頁發表的「石墨烯基奈米薄片的簡易合成及特性」(Wang et al.,「Facile Synthesis and Characterization of Graphene Nanosheets」，Journal of Physical Chemistry C,Vol.112,pp.8192-8195,2008)。在一個實施例中，使用氣態氫來將所述氧化石墨烯(GO)化學還原為還原氧化石墨烯(rGO)-詳見由Wu等人於《碳》期刊2009年第47卷第493-499頁發表的「以預定數目的層來合成高品質的石墨烯」(Wu et al.,「Synthesis of high-quality graphene with a pre-determined number of layers」，Carbon,Vol.47,pp.493-499,2009)。在其他實施例中，使用一強鹼性溶液來將所述氧化石墨烯(GO)化學還原為還原氧化石墨烯(rGO)-詳見由Fan等人於《高級材料》期刊2008年第20卷第4490-4493頁發表的「石墨氧化物在鹼性條件下的去氧反應：石墨烯的綠色製備方法」(Fan et al.,「Deoxygenation of Exfoliated Graphite Oxide under Alkaline Conditions：A Green Route to Graphene Preparation」，Advanced Materials,Vol.20,pp.4490-4493,2008)；及由Boehm等人於《無機及普通化學期刊》1962年第306卷第119-127頁發表的「極 薄碳箔的吸附行為特性」(Boehm et al.,「Das Adsorptionsverhalten sehr dunner Kohlenstoff-Folien」，Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie,Vol.306,pp.119-127,1962)。
在一個實施例中，通過使用熱量或一電流使所述氧化石墨烯(GO)還原為還原氧化石墨烯(rGO)。在一個實施例中，在經受加熱至1050℃及擠壓時，所述氧化石墨烯熱剝離及還原為還原氧化石墨烯，以消除所產生的二氧化碳-詳見由McAllister等人於《材料化學》期刊2007年第19卷第4396-4404頁發表的「由石墨的氧化及熱膨脹獲得單片功能化石墨烯」(McAllister et al.,「Single Sheet Functionalized Graphene by Oxidation and Thermal Expansion of Graphite」，Chemistry of Materials,Vol.19,pp.4396-4404,2007)。在一個實施例中，通過在一非導電基體上的一石墨烯薄膜的兩相對端放置電極及施加一電流，使所述氧化石墨烯(GO)電化還原為還原氧化石墨烯(rGO)-詳見由Zhou等人於《化學-歐洲期刊》2009年第15卷第6116-6120頁發表的「大面積及形成圖案的電化還原氧化石墨烯薄膜的可控合成」(Zhou et al.,「Controlled Synthesis of Large-Area and Patterned Electrochemically Reduced Graphene Oxide Films」，Chemistry-A European Journal,Vol.15,pp.6116-6120,2009)。
在一個實施例中，通過添加水合肼到所產生的氧化石墨烯鼓泡通過的水中，然後將所述含水溶液加熱至~80℃， 使所述氧化石墨烯產物在空氣-水介面轉化為還原氧化石墨烯小板的自組薄膜-詳見由Zhu等人於《應用物理評論》期刊2009年第103卷第103、104-1-103、104-3頁發表的「還原氧化石墨烯小板的透明自組薄膜」(Zhu et al.,「Transparent self-assembled films of reduced graphene oxide platelets」，Applied Physics Letters,Vol.95,pp.103,104-1-103,104-3,2009)。可以向所述液體施加附加外力，以激勵所述還原氧化石墨烯小板進行自組，所述附加外力包括但不限於超聲波振動或紫外光。
在一個實施例中，使用上述產物與聚合物樹脂結合，以形成高強度複合材料。所述聚合物樹脂優選環氧聚合樹脂。在有些實施例中，所述複合材料進一步包括碳纖維。
在一個實施例中，所述聚合物樹脂及所述石墨烯/石墨烯衍生物在所述複合材料中形成交替層。在一個實施例中，一石墨烯/石墨烯衍生物層作為一蒸汽，沉積到一聚合物樹脂層上。在一個實施例中，一石墨烯/石墨烯衍生物層從一含水表面沉積到一聚合物樹脂層上。在一個實施例中，向一聚合物樹脂層施加一石墨烯/石墨烯衍生物粘糊體。
在一個實施例中，通過使用濃硫酸進行蔗糖脫水，在所述聚合物樹脂層上直接形成所述石墨烯/石墨烯衍生物，其中所述聚合物樹脂材料具有硫酸高抗性。具有硫酸高抗性的聚合物材料包括但不限於聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氟氯 乙烯(PCTFE)、環氧樹脂纖維及美國新澤西州哈肯薩克市(Hackensack,New Jersey)的「Master Bond有限公司」(Master Bond,Inc.)的EP21AR環氧樹脂。
在一個實施例中，所述樹脂是下列聚合物樹脂的其中之一或它們的混雜組合：(1)一般用於輪胎製造的一種或多種烷基酚樹脂；(2)一種或多種NOVOLCA®類對辛基酚(POP)甲醛樹脂；(3)一種或多種POLYTONE®類對叔丁基苯酚(PTBP)甲醛非熱敏增粘性樹脂；(4)一種或多種聚對亞苯基亞乙炔(PPE)樹脂；及(5)一種或多種聚苯醚(PPO)樹脂，包括但不限於一種或多種矽氧烷聚苯醚樹脂。
在一個實施例中，所述石墨烯/石墨烯衍生物在所述聚合物樹脂凝固之前，與所述聚合物樹脂混合。在一個實施例中，所述碳纖維也與所述石墨烯/石墨烯衍生物混合，並使聚合物樹脂化解。聚合物樹脂的種類及石墨烯/石墨烯衍生物與碳纖維的相對水平的選擇，以能夠根據最終的複合材料產物的特定具體用途及應用來提供其強度與撓性之間的適當平衡為優選。
在一個實施例中，用於所述複合材料的聚合物的樹脂也是所述複合材料的石墨烯/石墨烯衍生物部分的碳源。
在一個實施例中，所述石墨烯/氧化石墨烯增強聚合物複合材料用於傳統上限於金屬材料(比如車輛的框架)的結構應用。在一個實施例中，所述聚合物複合材料可以重新模制，而且因此可以從一個結構重複利用到另一個結構。
在一形成凝膠石墨烯或石墨烯膠凍的方法中，允許一含 石墨烯/石墨烯衍生物剝片的水溶液池逐漸蒸發。在一個實施例中，用於產生所述反應混合物來產生所述石墨烯/石墨烯衍生物剝片的起始材料包括蔗糖、碳酸氫鈉、乙醇及鐵氧化物。在一個實施例中，所述水溶液池中的水非常緩慢地蒸發，而且在接近室溫的溫度條件下經過大約一個月的時間之後，體積為初始體積~800 mL的一半的液體殘存於所述錐形杯中。一層可以剝落的膠粘性凝膠在所述液體的頂部形成。在這個頂層下面有一厚度約為1½」(英寸)的乳濁白色層，其粘稠度與稀膠凍狀物相同。雖然這些石墨烯膠凍未經進一步的檢測，但預期這些形式的石墨烯具備有用的物理性質及化學性質。
在一個實施例中，所述含水凝膠石墨烯或帶有所收集的石墨烯/石墨烯衍生物的所述水溶液池代替水，用於一複合材料的形成。在一個實施例中，所述含水凝膠石墨烯或帶有所收集的石墨烯/石墨烯衍生物的所述水溶液池在一水泥混合物中代替水，用於形成強度比傳統混凝土高的石墨烯增強混凝土。在一個實施例中，所述含水凝膠石墨烯或帶有所收集的石墨烯/石墨烯衍生物的所述水溶液池用於瀝青混凝土的形成，以形成強度比傳統瀝青混凝土高的石墨烯增強瀝青混凝土。
在一個實施例中，二氧化碳或一氧化碳作為一碳源，用於石墨烯、一石墨烯衍生物、一碳包裹金屬奈米顆粒或奈米鋼的生產，從而可能消除環境中過量的碳。一氧化碳及二氧化碳可以轉化為許多不同的適合作為本文中包含的合 成方法的碳質給料的產物，比如一合成甲醇-實例詳見由Sakakura等人於《化學評論》期刊2007年第107卷第2365-2387頁發表的「二氧化碳的轉化」(Sakakura et al.,「Transformation of Carbon Dioxide」，Chemical Reviews,Vol.107,pp.2365-2387,2007)；由Yu等人於《國家科學院論文集》期刊2010年第107卷第20184-20189頁發表的「在室溫環境條件下以二氧化碳對臨界炔進行的銅-及銅-N-雜環碳烯催化C-H鍵活化的羧化反應」(Yu et al.,「Copper- and copper-N-heterocyclic carbene-catalyzed C-H activating carboxylation of terminal alkynes with CO2 at ambient conditions」，Proceedings of the National Academy of Sciences(PNAS),Vol.107,pp.20184-20189,2010)；由Jiang等人於《英國皇家學會哲學學報匯刊A》2010年第368卷第3343-3364頁發表的「將二氧化碳轉化為燃料」(Jiang et al.,「Turning carbon dioxide into fuel」，Philosophical Transactions of the Royal Society A,Vol.368,pp.3343-3364,2010)。在一個實施例中，所述一氧化碳或二氧化碳首先轉化為一種或多種形式的碳質材料，所述碳質材料能夠進行燃燒或熱解反應，以便將來自這樣的氣體的碳原子結合到一有用的碳-碳石墨鍵中。在一個實施例中，這樣的轉化中的中間體是一由二氧化碳與氫氣反應而形成的醇。在一個實施例中，所述二氧化碳被直接供應到所述回流混合物，以便同由所述回流混合物的回流產生的氫氣進行反應，從而原位形成所述合成甲醇。
在一個結合鐵氧化物的實施例中，所述過程像一奈米尺度「貝西默爐」(Bessember furnace)那樣操作，形成奈米鋼。參看圖7，觀察到明顯的充電現象遍佈整個試樣，特別是在所述球狀體的邊緣。既然所述取樣整體充電，導致這個充電現象的可能特徵是，一非導電物質遍佈存在於整個試樣。根據基本分析，唯一可能的非導電材料是一種氧化物。因此推斷一層氧化物遍佈整個柱樣。至於所述球狀體的充電現象，由於在圖像中未觀測到一尖銳邊緣，所述球狀體必然含有導電及非導電物質。這個現象的最可能原因是元素鐵被隔離在一非導電碳氧化物基架中。
元素鐵在掃描電子顯微鏡(SEM)下導電及發熱，但所述非導電碳氧化物基架的強度足以防止所述球狀體結構分裂，儘管其不導電而且不能將所述電荷傳遞到遍佈所述試樣的氧化物層。推論是：既然已知能量色散光譜(EDS)僅顯示鐵、碳及氧的存在，所述氧化物的外層是氧化石墨烯，而所述導電材料是鐵。如果所述球狀體的外殼是純碳(比如如果所述結構是石墨烯或一富勒烯)，則所述球狀體將具導電性，而且將不會觀察到試樣充電，像經常作為掃描電子顯微鏡(SEM)附件使用的碳奈米管或碳帶材料那樣。既然所述外層充電，它必然不導電，所以最可能形式的碳是氧化石墨烯。此外，如以上所述，整個柱樣充電至某種程度，如所述掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示的那樣。因此推斷多層氧化石墨烯遍佈存在於整個試樣。
在一個實施例中，所述奈米鋼被機械加工，以形成一奈 米電路或其他奈米結構。在有些個實施例中，使用一激光蝕刻奈米束來定形所述奈米鋼。
試驗結果
進行幾個試驗，以根據本發明製造及重新獲得石墨烯及其衍生物，以及產生表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)。
試驗1
在表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)的一個合成方法中，使用一直接火焰加熱一反應混合物。德國科隆市「朗盛化學公司」(Lanxess,Cologne)的BayFerrox®鐵氧化物粉末顏料、粉狀食糖及乙醇被置於一反應容器中，並混合形成一糊狀反應混合物。所述反應混合物經受一丙烷噴燈的直接火焰加熱，然後在由加熱所述反應混合物產生的煙霧及/或蒸汽中，將一掃描電子顯微鏡(SEM)柱樣固定在所加熱的反應混合物的上方。
接著使用美國俄勒岡州希爾斯伯勒市(Hillsboro,Oregon)的「FEITM公司」(FEITM Company)的Philips®系列的XL 30 ESEM-FEG掃描電子顯微鏡，以美國新澤西州馬瓦市(Mahwah,New Jersey)的「AMATEK®有限公司」(AMATEK® Inc.)的EDAX® GenesisTM版4.61軟件及一「鈧成像平臺」(Scandium Imaging Platform)來觀察所述掃描電子顯微鏡(SEM)柱樣的表面。所述柱樣的表面的電子顯微鏡圖像如圖4至7所示。以能量色散光譜(EDS)對所述採樣區進行的伴生元素分析(消除來自所述柱樣的銅及鋁讀數)只顯示圖4至7中的採樣區的碳、氧及鐵的重量百分比 (wt%)及原子百分比(At%)，如「表1」中所顯示者。圖4至6顯示直徑介於~2-5微米範圍內的球狀體結構，而且所述附圖顯示的都是長度介於~1-5微米範圍內的非球狀、不規則形狀結構。
圖4至5C的球狀體的採樣區皆顯示主要是碳及氧，具有的鐵值相似的低。參看圖4，所述EDAX®電子束瞄準一直徑大約為5 μm的球狀體結構的一大區域。參看圖5A，所述EDAX®電子束瞄準一直徑介於2-3 μm之間的球狀體的表面上的一小塊。參看圖5B，所述EDAX®電子束瞄準圖5A的所述球狀體的表面上的一小片白色區域，這個圖像清楚顯示所述結構的球狀體性質及表面缺陷的存在。參看圖5C，所述EDAX®電子束瞄準圖5A的所述球狀體的一較大部分。相信這個結構含有的內鐵水平比那些由能量色散光譜(EDS)測量的高得多，而能量色散光譜(EDS)的低讀數顯示EDAX®電子束透過所述外殼進入球狀體皮層的深度較低。相信所述球狀體結構是多層氧化石墨烯奈米洋蔥，而所述多層氧化石墨烯屏蔽所述內鐵，使所述內鐵不能被能量色散光譜(EDS)檢測到。
圖6顯示在所述柱樣的表面上觀察到的其中一個非球狀體特徵的不規則結構。相信這些結構的形態學特徵是氧化石墨烯紙。這個圖像的較亮區域顯示鐵的較高濃度。根據能量色散光譜(EDS)的測量，這個結構中的鐵量比測得的所述球狀體中的鐵量幾乎大十倍。相信所述電子束能夠透入這個薄氧化石墨烯紙的程度比其能夠透入所述多層球狀體的程度高，所以報告稱這個樣本中含有較多的鐵。
所觀察到的球狀體結構被確定為高度穩定，因為在所述EDAX®電子束瞄準所述結構超過20分鐘之後，所述結構上未見任何顯著作用。
在一些掃描電子顯微鏡(SEM)圖像中，觀察到幹上的一正方形陰影區域，這顯示電子激發及一推測是塗上一氧化石墨烯薄膜的非導電表面。
試驗2
在表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)的另一個合成方法中，使用一直接火焰加熱一反應混合物。德國科隆市「朗盛化學公司」(Lanxess,Cologne)的BayFerrox®鐵氧化物粉末顏料、粉狀食糖及以包括水、聚丙烯酸及~60%異丙醇的一普通洗手消毒液為形式的一種膠凝醇被置於一反應容器中，並一起混合形成一反應混合物。所述反應混合物經受一丙烷噴燈的直接火焰加熱，然後在由加熱所述反應混合物產生的煙霧及/或蒸汽中，將一掃描電子顯微鏡(SEM)柱樣固定在所加熱的反應混合物的上方。
使用美國俄勒岡州希爾斯伯勒市(Hillsboro,Oregon)的 「FEITM公司」(FEITM Company)的Philips®系列的XL 30 ESEM-FEG掃描電子顯微鏡，以美國新澤西州馬瓦市(Mahwah,New Jersey)的「AMATEK®有限公司」(AMATEK® Inc.)的EDAX® GenesisTM版4.61軟件及一「鈧成像平臺」(Scandium Imaging Platform)來研究所述掃描電子顯微鏡(SEM)柱樣的表面。所述柱樣的表面的電子顯微鏡圖像如圖8至11所示。以能量色散光譜(EDS)進行的伴生元素分析(消除來自所述柱樣的銅及鋁讀數)只顯示圖8中的採樣區的碳(64.40 wt%/79.37 At%)、氧(16.95 wt%/15.68 At%)及鐵(18.65 wt%/4.94 At%)。在所述掃描電子顯微鏡(SEM)柱樣的表面上觀察到的結構普遍比那些根據所述先前使用乙醇(而不是膠凝醇)的合成方法觀察到的結構小。根據觀察，與使用乙醇的合成相比，球狀體結構的數目與薄片結構數目的相對比率高得多。圖10顯示一高度集中區域的球狀體結構。
圖11顯示在一較低放大率下所述掃描電子顯微鏡(SEM)柱樣的一較大區域。所述圖像顯示一非常薄的薄膜已經在所述掃描電子顯微鏡(SEM)柱樣上的一大區域連續地沉積。為了成像目的，一金/鈀塗層通過蒸汽沉積到所述樣本上。然而，觀察到所述金/鈀塗層比所述氧化石墨烯蒸汽塗層厚得多，導致任何氧化石墨烯蒸汽塗層的細節被所述金/鈀塗層完全屏蔽。需要注意的是，所述金/鈀塗層顯示整個柱樣上的所述氧化石墨烯蒸汽塗層未破損。
試驗3
在表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)的另一個合成方法中，使用一直接火焰加熱一反應混合物。德國科隆市「朗盛化學公司」(Lanxess,Cologne)的BayFerrox®鐵氧化物粉末顏料、乙醇及礦物油被置於一反應容器中，並一起混合形成一反應混合物。所述反應混合物經受一丙烷噴燈的直接火焰加熱，然後在由加熱所述反應混合物產生的煙霧及/或蒸汽中，將一掃描電子顯微鏡(SEM)柱樣固定在所加熱的反應混合物的上方。
使用美國俄勒岡州希爾斯伯勒市(Hillsboro,Oregon)的「FEITM公司」(FEITM Company)的Philips®系列的XL 30 ESEM-FEG掃描電子顯微鏡，以美國新澤西州馬瓦市(Mahwah,New Jersey)的「AMATEK®有限公司」(AMATEK® Inc.)的EDAX® GenesisTM版4.61軟件及一「鈧成像平臺」(Scandium Imaging Platform)來研究所述掃描電子顯微鏡(SEM)柱樣的表面。所述柱樣的表面的電子顯微鏡圖像顯示外觀與那些辣子上述實驗的結構相似的結構，包括直徑介於5-15 μm之間的球狀體及最小寬度介於10-50 μm之間的較大不規則晶體結構。以能量色散光譜(EDS)進行的伴生元素分析(消除來自所述柱樣的銅及鋁讀數)除了顯示碳、氧及鐵之外，還顯示許多雜質，包括鈣、銅、鈉、矽及鉛，所有這些雜質可以形成面心立方晶體(FCC)。
試驗4
在奈米顆粒的另一個合成方法中，一反應混合物以一加熱板加熱，其達到的溫度低於先前描述的方法使用直接火 焰加熱的溫度。鐵氧化物粉末、粉狀食糖及乙醇被置於一布氏(Büchner)燒瓶中。所述燒瓶的頂部以塞子塞住，而且塑料管連接到所述燒瓶的接頭。所述塑料管的另一末端置於一蒸餾水錐形杯中的水下面。所述反應混合物經受加熱導致蒸汽形成，而蒸汽則鼓泡通過所述蒸餾水。在所述反應完成之後，水被允許在所述錐形杯中緩慢地蒸發，而所述水的表面有一粘稠度，而且當所述水蒸發時，有一白色殘餘物沉積在所述錐形杯中水面上方的杯壁上。雖然未對所述白色殘餘物進行特性確定，但相信所述白色殘餘物是由表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)形成。
試驗5
在奈米顆粒的另一個合成方法中，來自美國德克薩斯州奧斯丁市(Austin,Texas)的「全食食品市場公司」(Whole Food Market)的粉狀食糖產品「365有機粉狀食糖」(365 Organic Powdered Sugar；成分：有機蔗糖、有機木薯澱粉)；來自美國維吉尼亞州切薩皮克市(Chesapeake,Virginia)的「綠薔薇國際有限公司」(Greenbrier International,Inc.)的洗手消毒劑產品「即用洗手消毒劑」(Instant Hand Sanitizer；成分：乙醇62%、水、三乙醇胺丙三醇、丙二醇、生育酚乙酸酯、庫拉索蘆薈凝膠、聚羧乙烯、芳香劑)；來自美國密歇根州大瀑布市(Grand Rapids,Michigan)的「Meijer批發有限公司」(Meijer Distributing,Inc.)的異丙醇產品「99%異丙醇」(99% Isopropyl Alcohol)；來自加拿大安大略州米西索加市 (Mississauga,Ontario)的「Dr.Oetjer加拿大有限公司」(Dr.Oetjer Canada,Ltd.)的發酵粉產品「Dr.Oetjer發酵粉」(Dr.Oetjer Baking Powder；成分：焦磷酸鈉、碳酸氫鈉、玉米澱粉)；及來自美國伊利諾斯州迪爾菲爾德市(Deerfield,Illinois)的「沃爾格林公司」(Walgreen Company)的礦物油產品「沃爾格林氏礦物油腸潤滑劑」(Walgreens Mineral Oil Intestinal Lubricant)在一燒瓶中結合。所述燒瓶以一直接火焰加熱，以將所述食糖轉化為石墨碳。所述燒瓶的頂部以塞子塞住，而且導管引導含所述蒸汽剝離石墨烯剝片的反應氣體蒸汽鼓泡進入一水浴槽中。根據需要，礦物油被添加到所述燒杯，以便在所述燒杯中保持流性。
使一金屬抹刀接觸到所述水浴槽的表面，以收集在經所述氣體蒸汽轉移之後已經在那裏形成的反應產物。在允許所述金屬抹刀過夜乾化之後，在所述抹刀上觀察到一明顯的薄膜。雖然所述金屬抹刀以一角度浸入所述液體，但也可以選擇通過將一固體表面平行或垂直地浸入所述液體表面，將反應產物轉移到所述固體表面，視所述固體表面及所期望的表面塗層而定。可選擇地，可以將所述固體表面從所述液體表面的下方向上拉過所述介面，或通過將所述液體排放掉，以使所述產物沉積到所述液體中的所述固體表面。
接著使所述塗層金屬表面塗擦一碳透射電子顯微鏡(TEM)網格，以將一些所述石墨烯塗層轉移到所述透射電 子顯微鏡(TEM)網格。使用美國俄勒岡州希爾斯伯勒市(Hillsboro,Oregon)的「FEITM公司」(FEITM Company)的Philips® TEM透射電子顯微鏡(序號D609)來觀察所述透射電子顯微鏡(TEM)網格上的所述塗層，記錄到圖12至17的圖像。這些結構在成分及形態學上與被稱為有孔碳或花邊碳的結構相似。圖12顯示一相當大而均勻的石墨烯薄片的形態特徵。圖13顯示一相當大的石墨烯薄片的形態特徵，其中一捲鬚狀物延伸到所述圖像的左邊。圖14顯示折疊的多層石墨烯薄片。圖16及17顯示連接較大薄片區域的石墨烯細絲，而圖15顯示多層這樣的石墨烯細絲的較高放大圖像。除了圖12至17的圖像之外，所述透射電子顯微鏡(TEM)網格的多個部分在所述透射電子顯微鏡(TEM)之下顯示完全黑色，這是由於所述沉積層太厚，使得所述電子束不能通過。在有些其他區域，所述薄膜顯得不完全乾，而且觀察到所述石墨烯塗層在所述電子束之下改變形狀。
試驗6
在一形成石墨烯薄片的方法中，活性木炭、水、礦物油及異丙醇在一加蓋的布氏(Büchner)燒瓶中加熱。隨著所述混合物開始沸騰及回流，一白色煙霧開始與所述蒸汽一起產生。所述白色煙霧與所述蒸汽一起通過塑料管運送出所述燒杯，然後施加到一水溶液池的表面，而一不透明的薄膜在所述表面上形成。在所述薄膜已經形成之後等待了幾分鐘之後，將所述薄膜的多個部分轉移到銅透射電子顯微鏡(TEM)網格，以進行進一步的研究。
使用美國俄勒岡州希爾斯伯勒市(Hillsboro,Oregon)的「FEITM公司」(FEITM Company)的Philips® Tecnai F20(S)TEM透射電子顯微鏡來對所述銅透射電子顯微鏡(TEM)網格進行研究。所述樣本的代表性圖像在圖18及19中顯示。至於元素分析，使用所述EDAX®電子束來確定所述樣本中的八個不同點的碳-氧比率。所述分析結果顯示所述樣本中的碳-氧比率介於97.4：2.6 At%(原子百分比)至99.1：0.9 At%(原子百分比)之間，其中所述八個樣本的平均值為98.4：1.6 At%(原子百分比)。與反應混合物中帶有鐵氧化物的實驗比較，在不使用鐵氧化物的情況下進行實驗的最後產物為幾乎是純碳的石墨烯。
在摩擦學上有效量的有益碳質沉積物在潤滑劑組合物中的原位生成
本發明的實施例使用含環碳的添加劑作為基潤滑劑，所述基潤滑劑預計在一發動機或機械系統中迅速地原位熱解及產生在摩擦學上有效量的有益碳質沉積物及分子。在一個實施例中，所述添加劑在所述潤滑劑組合物中原位形成有益的磨料石墨顆粒，這些有益的磨料石墨顆粒起奈米拋光劑作用，在所述基潤滑劑開始有效降解之前奈米拋光摩擦表面及消除粗糙實體。一旦所述摩擦表面經歷奈米拋光到接近原子級完美光滑度的程度，所述摩擦表面上不再有粗糙實體來宿留有害沉積物。因此，內部系統部件上的有害沉積物以及對潤滑劑組合物中的傳統去垢添加劑的需求可以大為減少或甚至消除。
本發明揭露的添加劑並不是被選擇來改善或保護所述基潤滑劑。反之，所述添加劑是被選擇來促進多環芳烴或其他含有在摩擦學上有效量的在摩擦學上有用的石墨碳的奈米顆粒或微米顆粒的石墨碳構成物迅速原位形成。在一個實施例中，所述添加劑包括一種只由碳原子、氫原子及氧原子組成的含碳環添加劑。在一個實施例中，所述含碳環添加劑是一碳氫化合物。所述潤滑劑組合物中的任何基根幫助所述有用石墨碳顆粒的形成。在一個實施例中，所述奈米顆粒起奈米拋光劑作用，通過減少或消除粗糙實體，扮演將摩擦表面奈米拋光到高光滑度的奈米拋光劑的角色，從而減少磨損表面之間的摩擦。隨著時間流逝，傳統基潤滑劑趨向損失粘滯性，因而置摩擦表面於損壞的風險。使用本發明的實施例，則摩擦表面經受更高程度的奈米拋光，所以任何通過繼續使用來對所述基潤滑劑進行稀釋的行動允許所述機械系統通過減少所述基潤滑劑的粘滯性更有效率地運行。在一個實施例中，所述基潤滑劑開始作為一重量較重的油，然後在所述摩擦表面經受奈米拋光的同時，隨著時間的流逝逐漸稀釋為一重量較輕的油。在一個實施例中，與傳統基潤滑劑相比，儘管排流時間間隔或置換時間間隔延長，所述潤滑劑組合物還是有效地潤滑。
代替逐漸促進降解來形成轉化為無定形碳漿的化合物，所述添加劑的至少其中之一促進本文中描述的一種或多種在摩擦學上有用的石墨碳構成物的形成。
本發明的潤滑劑組合物優選包括一被選擇起犧牲碳源作用的添加劑，所述犧牲碳源在石墨碳的原位形成中起作用，而所述基潤滑劑繼續潤滑一運行中的發動機或其他機械系統。所述基潤滑劑可以是一石油精煉油或一合成油、油脂或液體。所述添加劑可以在所述運行中的發動機或其他機械系統的運行條件下熱解形成石墨碳。在一個實施例中，所述添加劑可以在介於~50℃及~550℃之間的溫度條件下熱解。在一個實施例中，所述添加劑可以在低於~50℃或高於~550℃的溫度條件下熱解。在一運行的發動機中，這樣的溫度條件可以在摩擦表面局部達到，或在內燃機、增壓渦輪、渦輪或齒輪表面上達到。
提供在摩擦學上有效量的所述添加劑，使得原位結構在所述潤滑劑組合物中形成及存在，以便最初在一被潤滑系統的摩擦表面上提供一足夠有效的摩擦塗層。添加到所述潤滑劑的添加劑的量可以有所不同，其不同是根據所述運行發動機或其他機械系統的期望性能變化率以及基潤滑劑保持不稀釋所需的基潤滑劑量而定。添加較多量的添加劑可提高所述原位結構的形成率，但也將稀釋所述基潤滑劑。一有效量的添加劑因此包括每升基潤滑劑~10mg添加劑至每升基潤滑劑~500g添加劑的範圍。這些量並非意在以任何方式限制本發明，而且可以由製備者按個別情況確定。
在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑 的系統中的摩擦。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的摩擦至少1%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的摩擦至少2%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的摩擦至少3%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的摩擦至少4%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的摩擦至少5%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的摩擦至少10%。
在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，一在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的負馬力。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑增加所潤滑的系統中的測得馬力至少1%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑增加所潤滑的系統中的測得馬力至少2%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量 的添加劑增加所潤滑的系統中的測得馬力至少5%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑增加所潤滑的系統中的測得馬力至少10%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑增加所潤滑的系統中的測得馬力至少20%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑增加所潤滑的系統中的測得馬力至少50%。
在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，一在摩擦學上有效量的添加劑增加所潤滑的系統中的輸出轉矩。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑增加所潤滑的系統中的輸出轉矩至少1%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑增加所潤滑的系統中的輸出轉矩至少2%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑增加所潤滑的系統中的輸出轉矩至少5%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑增加所潤滑的系統中的輸出轉矩至少10%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑增加所潤滑的系統中的輸出轉矩至少20%。在 一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑增加所潤滑的系統中的輸出轉矩至少50%。
在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，一在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的一內部摩擦表面的表面粗糙度。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的一內部摩擦表面的表面粗糙度至少5%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的一內部摩擦表面的表面粗糙度至少5%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的一內部摩擦表面的表面粗糙度至少10%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的一內部摩擦表面的表面粗糙度至少20%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的一內部摩擦表面的表面粗糙度至少50%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的一內部摩擦表面的表面粗糙度至少75%。在一個實施例中，與由傳統潤滑劑對所潤滑的系統 進行的潤滑相比，所述在摩擦學上有效量的添加劑減少所潤滑的系統中的一內部摩擦表面的表面粗糙度至少90%。
在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少在所潤滑的系統的100小時運行時間內發生。在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少在所潤滑的系統的80小時運行時間內發生。在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少在所潤滑的系統的60小時運行時間內發生。在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少在所潤滑的系統的40小時運行時間內發生。在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少在所潤滑的系統的20小時運行時間內發生。在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少在所潤滑的系統的10小時運行時間內發生。在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少在所潤滑的系統的5小時運行時間內發生。在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添 加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少在所潤滑的系統的2小時運行時間內發生。在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少在所潤滑的系統的1小時運行時間內發生。在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少在所潤滑的系統的30分鐘運行時間內發生。在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少在所潤滑的系統的10分鐘運行時間內發生。在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少在所潤滑的系統的5分鐘運行時間內發生。在一個實施例中，在添加所述在摩擦學上有效量的添加劑之後，摩擦的可測變化、負馬力的可測減少、或表面粗糙度的可測減少實質上即刻發生。
如此中所述，包括至少一種添加劑的潤滑劑組合物改進發動機性能及奈米拋光劑潤滑金屬表面。所述添加劑的至少其中之一經歷原位化學修飾，形成潤滑及奈米拋光顆粒，這個現象已經通過掃描電子顯微鏡(SEM)及透射電子顯微鏡(TEM)在所潤滑的金屬表面上觀察到。在非摩擦表面上觀察到的球狀體結構一般在1-10微米尺度範圍，而且被確定主要由碳、氧及鐵構成。這些微米顆粒結構被分離 成尺寸不大於~3 nm(奈米)而且硬度足以奈米拋光測得粗糙度(Ra)為3.44 nm的鋼結構的基本顆粒。
在一個實施例中，已經分析確定這個基本顆粒是一表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)，而且明確地說，是一金屬表面石墨化磨料奈米顆粒。在有些實施例中，所述金屬表面石墨化磨料奈米顆粒是一鐵表面石墨化磨料奈米顆粒。所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)的核可以是帶有一面心立方金屬的一種立方密排晶體結構。所述立方密排晶體可以是尖晶石家族的一種金屬氧化物，其可以包括但不限於磁鐵礦(Fe3O4)、鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)、鋅鋁尖晶石(ZnAl2O4)、鐵鋁尖晶石(FeAl2O4)、銅鐵尖晶石(CuFe2O4)、鋅鐵錳尖晶石、錳鐵鎂鋁尖晶石、錳鐵尖晶石(MnFe2O4)、鎳鐵尖晶石(NiFe2O4)、鈦鐵尖晶石(TiFe2O4)、鋅鐵尖晶石、鐵鉻尖晶石(FeCr2O4)及鎂鉻尖晶石(MgCr2O4)。在其他實施例中，所述核可以是一非尖晶石立方晶體結構。
所述立方晶體結構可以包括至少一個鐵原子。在有些實施例中，所述晶體核可以是尖晶石形式的氫氧化鐵-詳見由Belleville等人於《膠體與介面科學期刊》1952年第150卷第453-460頁發表的「通過膠體磁鐵石上的吸附使氫氧化鐵結晶化成為尖晶石」(Belleville et al.,「Crystallization of ferric hydroxide into spinel by adsorption on colloidal magnetite」，Journal of Colloid and Interface Science,Vol.150,pp.453-460,1992)。在一個實施例中，所述晶體核可 以是以尖晶石形式存在的Fe2Cu1-xRh2Se4，其中0<x0.3-詳見由Kim等人於《應用物理期刊》1988年第64卷第342190頁發表的「尖晶石相的FexCu1-xRh2Se4的磁特性」(Kim et al.,「Magnetic properties of the spinel phase for FexCu1-xRh2Se4」，Journal of Applied Physics,Vol.64,342190,1988)。
在一個實施例中，所述晶體核原位形成。在一個實施例中，所述添加劑包括一晶體核。在有些實施例中，所述晶體核可以由一個或多個結構形成，如下列文獻描述的那樣-詳見由Dekker於2002年發表的比利時「魯汶天主教大學」博士論文第43-65頁的「第5章：以鋁來消除低碳鋼中的去氧反應」(「Chapter 5：Deoxidation in Low Carbon Steel Killed with Aluminum」in Ph.D.Thesis,Katholieke Universiteit Leuven,Leuven,pp.43-65,Belgium,2002)；由Botta等人於《材料化學及物理》期刊第76卷第104-109頁發表的「鐵鋁尖晶石的機械化學合成」(Botta et al.,「Mechanochemical Synthesis of Hercynite」，Materials Chemistry and Physics,Vol.76,pp.104-109)；或由Chen等人於《歐洲陶瓷協會期刊》2011年第31卷第259-263頁發表的「通過反應燒結方法進行鐵鋁尖晶石合成」(Chen et al.,「Synthesis of Hercynite by Reaction Sintering」，Journal of the European Ceramic Society,Vol.31,pp.259-263,2011)。
在一個實施例中，所述表面石墨化磨料奈米顆粒 (SGAN)的外殼被相信是一碳富勒烯或富勒烯類結構。在有些實施例中，所述碳源相信被原位轉化為多環芳烴(PAHs)，形成石墨烯薄片，如下列文獻揭露的那樣-詳見由Bohme於《化學評論》期刊1992年第92卷第1487-1508頁發表的「多環芳烴及富勒烯離子及星際間及恒星周圍化學中的離子/分子反應」(Bohme,「PAH and Fullerene Ions and Ion/Molecule Reactions in Interstellar and Circumstellar Chemistry」，Chem.Rev.Vol.92,pp.1487-1508,1992)；由Mansurov於《工程物理及熱力學期刊》2011年第84卷第125-159頁發表的「從多環芳烴形成炭黑以及碳氫化合物的燃燒中的富勒烯及碳奈米管」(Mansurov,「Formation of Soot from Polycyclic Aromatic Hydrocarbons as well as Fullerenes and Carbon Nanotubes in the Combustion of Hydrocarbon」，Journal of Engineering Physics and Thermodynamics,Vol.84,pp.125-159,2011)；或由Ravindra等人於《大氣環境》期刊2008年第42卷第2895-2921頁發表的「大氣中的多環芳烴：來源原因、排放係數及管治」(Ravindra et al.,「Atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons：Source attribution,emission factors and regulation」，Atmospheric Enviro nment,Vol.42,pp.2895-2921,2008)，其中所述石墨烯接著在存在鐵的情況下，經由下列文章中揭露的機理轉化為一種富勒烯-詳見由Chuvilin等人於《自然化學》期刊2010年第2卷第450-453頁發表的「石墨烯直接轉化為富勒烯」 (Chuvilin et al.,「Direct Transformation of Graphene to Fullerene」，Nature Chemistry,Vol.2,pp.450-453,2010)。在一個實施例中，一鐵顆粒的表面上的碳沉積物相信是以焦炭的形式存在-詳見由Meima等人於《應用催化化學：普通》期刊2001年第212卷第239-245頁發表的「苯乙烯生產中的催化劑失活現象」(Meima et al.,「Catalyst Deactivation Phenomena in Styrene Production」，Applied Catalysis A：General,Vol.212,pp.239-245,2001)。在一個實施例中，所述多環芳烴相信是表面石墨化了的。
在一個實施例中，所述碳可能以一交聯苯乙烯球體的形式沉積在一鐵顆粒的表面上，比如Friedel-Crafts烷化反應、交聯反應及聚合反應-詳見由Barar等人於《工業及工程化學產品研究及發展》期刊1983年第22卷第161-166頁發表的「用於聚苯乙烯修飾的Friedel-Crafts交聯反應」(Barar et al.,「Friedel-Crafts Cross-linking for Polystyrene Modification」，Industrial & Engineering Chemistry Product Research and Development,Vol.22,pp.161-166,1983)。
在所觀察的表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)中，至少一些所測量的鐵預期以磁鐵石的形式存在，這將使表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)具有鐵磁性。在其他實施例中，所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)或交聯苯乙烯球體可以包括一種或多種鐵磁性、順磁性或超順磁性顆粒。在一個實施例中，所述表面石墨化磨料奈米顆粒 (SGANs)被相信原位形成團塊，而且被塗上以多環芳烴(PAHs)、石墨烯、氧化石墨烯、微管及富勒烯的其中之一或其任何組合為形式的石墨碳塗層，形成較大的微米顆粒。在剪力作用下，這些團塊相信會分解成較小的單元或脫落的表面層，但一旦從所述高剪力環境遷移，將會再次凝聚成團塊。
所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)或含鐵交聯苯乙烯球體的磁性使它們之間相互產生吸引力、對石墨碳、含鐵表面及懸浮在所述潤滑劑組合物中的含鐵顆粒產生吸引力。當一鐵表面石墨化磨料奈米顆粒或較大的凝聚體接近一鋼摩擦表面時，所述顆粒將會被吸引到所述表面，並且幫助潤滑及微拋光所述摩擦表面。支持所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)的外殼的核將會提供拋光鋼部件需要的強度。
本發明所揭露的表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)是比奈米金剛石好的奈米拋光劑。既然所述表面石墨化磨料奈米顆粒的核不被相信是化學鍵合到其外殼，所述外殼相信能夠在所述核之外獨立旋轉，以起奈米球軸承作用。此外，所述表面石墨化磨料奈米顆粒的不受約束外殼的剛性相信比奈米金剛石低，因此更能擴散撞擊力。
在一個實施例中，代替上述含晶體金屬的核，所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)可以具有一含芳碳環的核。在一個實施例中，所述含芳碳環的核可以是一含苯乙烯或含苯乙烯衍生物的核。在一個實施例中，所述含芳碳環的 核可以通過含芳碳環的兩親性分子的自組，在所述潤滑劑組合物中原位形成。在一個實施例中，所述含芳碳環的兩親性分子可以是苯乙烯或苯乙烯衍生物兩親性分子。在一個實施例中，所述自組核可以包括反應基團，這些反應基團允許所述分子在完成自組時相互交聯。在一個實施例中，一富勒烯外殼可以在所述自組核周圍形成，以形成一與上述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)相似的奈米顆粒來形成一奈米拋光劑。
除了所試驗的添加劑之外，可以在所述潤滑劑組合物中使用許多其他種類的添加劑來取得相似的結果。優選所述添加劑的結構具有至少一個環，所述環可以是芳環或非芳環，而且至少一個功能基團從所述環伸出或從一延伸自所述環伸出的鍵伸出。在一個實施例中，所述結構包括稠合環。優選所述添加劑的結構除了碳及氫原子之外，還包括至少一個氧原子。在一個實施例中，其他雜原子可能存在於所述化學結構中，雖然它們可能不需要達到期望結構，而且可能不受歡迎。
在一個實施例中，所述添加劑溶解於所述潤滑劑組合物。在一個實施例中，所述添加劑是一能夠與所述潤滑劑容易混合的液體。在一個實施例中，所述添加劑包括一顆粒物。由於傳統發動機潤滑油過濾器是設計來過濾所有尺度大於~40 μm的顆粒，一半尺度為~20 μm的顆粒及大約10-20%的尺度為~10 μm的顆粒，添加到發動機的顆粒添加劑優選具有小於~10 μm的平均粒徑，以防止發動機潤滑油 過濾器阻塞。在一個實施例中，實質上所有顆粒的粒徑小於~10 μm。在一個實施例中，所述顆粒添加劑的平均粒徑小於~5 μm。在一個實施例中，實質上所有顆粒的粒徑小於~5 μm。在一個實施例中，所述顆粒添加劑的平均粒徑小於~1 μm。在一個實施例中，實質上所有顆粒的粒徑小於~1 μm。
在一個實施例中，所述添加劑包括粉狀食糖(蔗糖)。粉狀食糖在市場上可以以多種不同細度出售，而且經常用於烘焙。6X粉狀食糖的平均粒徑小於~200 μm。10X粉狀食糖的平均粒徑小於~150 μm。軟糖是平均粒徑小於~50 μm的粉狀食糖。在市場上可購得的軟糖包括英國彼得市(Peterborough)的「英國食糖公司」(British Sugar)的產品「慶典」(Celebration)，這是一種平均粒徑為~11 μm的超細食糖；英國彼得市「英國食糖公司」(British Sugar,Peterborough)的產品「絲糖」(Silk Sugar)，這是一種平均粒徑為~8 μm的極細食糖；以及美國加利福尼亞州克羅克特市(Crockett,California)的「C&H食糖有限公司」(C&H Sugar Company,Inc.)的產品「C&H aker's Drivert」，其平均粒徑為~5-7 μm。
在一個實施例中，所述粉狀食糖的平均粒徑小於~5 μm。在一個實施例中，實質上所有顆粒的粒徑小於~5 μm。在有些實施例中，所述粉狀食糖的平均粒徑小於~1 μm。在一個實施例中，實質上所有顆粒的粒徑小於~1 μm。在有些實施例中，通過在一乾燥環境中研磨晶體蔗 糖，使所述粉狀食糖按預定的粒徑形成。在一個實施例中，所述粉狀食糖以一已知的將晶體研磨成微米顆粒或次微米顆粒的乾燥微研磨技術來研磨。在一個實施例中，通過蒸發技術(比如從一已溶解的食糖溶液的微滴中蒸發溶劑或冷凍乾燥一已溶解的食糖溶液)，使所述粉狀食糖按預定的粒徑形成。
在一個實施例中，將食糖(以微米粉狀或奈米粉狀蔗糖為優選)添加到一傳統基潤滑液，作為在所述潤滑液組合物潤滑一運行的發動機時原位形成石墨碳的碳源。在一個實施例中，只是添加一食糖到一傳統基潤滑液。在一個實施例中，添加食糖及美國伊利諾州維斯盟特市(Westmont,Illinois)的「龜蠟有限公司」(Turtle Wax,Inc.)的「Marvel®驚異之謎油」(Marvel® Mystery Oil)(原配方、烴及萜烯源)到一傳統基潤滑液。在一個實施例中，添加食糖及礦物油到一傳統基潤滑液。在一個實施例中，食糖與一油表面活性劑結合，以便在被添加到所述基潤滑液之前相容化所述食糖-詳見由Hiteshkumar等人於《天然材料》期刊2007年第6期第287-290頁發表的「糖-油複合玻璃中的自組」(Hiteshkumar et al.,「Self-assembly in Sugar-oil Complex Glasses」，Nature Materials,6,pp.287-290,2007)。在一個實施例中，所述食糖的相容化防止所述食糖在所潤滑的系統中以凝膠或固體的形式阻塞過濾器。在一個實施例中，所述油表面活性劑是萜烯。在一個實施例中，所述萜烯是二戊烯。在一個實施例中，所述食糖及油表面活性劑 以一小於1：1的比率結合。在一個實施例中，所述食糖-油表面活性劑混合物在被添加到所述潤滑液時處於液體狀態。在一個實施例中，所述食糖是一食糖兩親性物。
在一個實施例中，所述添加劑包括一吡喃糖、一呋喃糖、一環聚羧乙烯或一苯系物-詳見由Katritzky等人於《能量與燃料》期刊1994年第8卷第487-497頁發表的「碳環及雜環的水性高溫化學。20.1一些苯族烴化合物及含氧衍生物在460℃的超臨界水中的反應」(Katritzky et al.,「Aqueous High-temperature Chemistry of Carbo- and Heterocycles.20.1 Reactions of Some Benzenoid Hydrocarbons and Oxygen-containing Derivatives in Supercritical Water at 460℃」，Energy & Fuels,Vol.8,pp.487-497,1994)，包括但不限於含氧苯系物。
在一個實施例中，所述添加劑包括除了蔗糖之外的一種食糖。在一個實施例中，所述食糖包括一糖蜜或糖蜜替代物，所述糖蜜或糖蜜替代物可以包括但不限於甜高粱、甜菜糖蜜、石榴糖蜜、桑葚糖蜜、長豆角糖蜜、棗糖蜜、葡萄糖蜜、直蔗糖蜜、黑糖蜜、蜂蜜、楓糖漿或玉米糖漿(包括但不限於高果糖玉米糖漿)。在有些實施例中，所述食糖包括一轉化糖，所述轉化糖可以包括但不限於轉化糖糖漿。
在一個實施例中，所述食糖包括一去氧糖，所述去氧糖可以包括但不限於去氧核糖、岩藻糖或鼠李糖。
在一個實施例中，所述食糖包括一單糖，所述單糖可以 包括但不限於葡萄糖、果糖、半乳糖、木糖或核糖。
在一個實施例中，所述食糖包括一種二糖，所述二糖可以包括但不限於蔗糖、二蔗酮糖、乳糖、麥芽糖、海藻糖、纖維二糖或槐糖。
在一個實施例中，所述食糖包括一多糖，所述多糖可以包括但不限於澱粉、肝糖、阿拉伯糖基木聚糖、纖維素、殼多糖或果膠。
在一個實施例中，所述添加劑包括一糖醇，所述糖醇可以包括但不限於赤藻糖醇、蘇糖醇、阿拉伯糖醇、木糖醇、核糖醇、甘露醇、山梨醇、甜醇、艾杜糖醇、異麥芽酮糖醇、麥芽糖醇或乳糖醇。
在一個實施例中，所述添加劑包括一食糖替代物，所述食糖替代物可以包括但不限於甜葉菊、天門冬氨醯苯丙氨酸甲酯、三氯蔗糖、甜素、乙醯舒泛鉀或糖精。
在一個實施例中，所述添加劑包括一食糖衍生物，所述食糖衍生物可以包括但不限於槐糖醇、一酚糖苷、一甜菊糖苷、一皂角苷、一糖苷或苦杏苷。
在一個實施例中，所述添加劑包括一環聚二甲基矽氧烷，所述環聚二甲基矽氧烷可以包括但不限於苯基三甲基聚矽氧烷或環五矽氧烷。
在一個實施例中，所述添加劑包括一類固醇，所述類固醇可以包括但不限於皂苷元或薯蕷皂苷元。
在一個實施例中，所述添加劑包括一肉桂酸鹽，所述肉桂酸鹽可以包括但不限於甲基肉桂酸鹽或乙基肉桂酸鹽。 在一個實施例中，所述添加劑包括肉桂酸。在一個實施例中，所述添加劑包括肉桂油。
在一個實施例中，所述添加劑包括一類苯丙烷，所述類苯丙烷可以包括但不限於肉桂酸、香豆酸、咖啡酸、5-羥基阿魏酸、芥子酸、肉桂醛、傘形花內酯、白藜蘆醇、一單體木素醇(其可以包括但不限於松柏醇、香豆醇或芥子醇)或一苯基丙烯(其可以包括但不限於丁香酚、胡椒酚、黃樟素或草蒿腦)。
在一個實施例中，所述添加劑包括一苯甲酸鹽，所述苯甲酸鹽可以包括但不限於苯甲酸鐵、苄基苯甲酸鹽、乙基苯甲酸鹽、甲基苯甲酸鹽、苯基苯甲酸鹽、環已醇苯酸酯、2-苄基苯甲酸酯、季戊四醇四苯甲酸酯、苯甲酸鈉或苯甲酸鉀。在一個實施例中，所述添加劑包括氨基苯甲酸。在一個實施例中，所述添加劑包括2-羥基甲基苯甲酸甲酯。在一個實施例中，所述添加劑包括泛醌。
在一個實施例中，所述添加劑包括一羧酸鹽，所述羧酸鹽可以包括但不限於順，順-1,3,5-環己三羧酸甲酯。
在一個實施例中，所述添加劑包括一苯並呲喃，所述苯並呲喃可以包括但不限於色烯、異色烯或取代苯並呲喃。
在一個實施例中，所述添加劑包括一天然黃酮或合成黃酮或異黃酮，所述天然黃酮或合成黃酮或異黃酮可以包括但不限於黃烷-3-醇或黃烷酮。
在一個實施例中，所述添加劑包括一水楊酸鹽，所述水楊酸鹽可以包括但不限於水楊酸鐵、甲基水楊酸鹽、乙基 水楊酸鹽、丁基水楊酸鹽、肉桂水楊酸鹽、環己基水楊酸鹽、乙基已基水楊酸鹽、庚基水楊酸鹽、異戊基水楊酸鹽、辛基水楊酸鹽、苄基水楊酸鹽、苯基水楊酸鹽、對-甲酚水楊酸鹽、鄰-甲酚水楊酸鹽、間-甲酚水楊酸鹽或水楊酸鹽鈉。在在一個實施例中，所述本質非石墨碳質材料包括水楊酸。在在一個實施例中，所述添加劑包括氨基水楊酸。
在一個實施例中，所述添加劑包括一抗氧化劑。在一個實施例中，所述抗氧化劑是一環狀抗氧化劑。在一個實施例中，所述抗氧化劑是一酚類抗氧化劑，所述酚類抗氧化劑可以包括但不限於2,6-二叔丁基苯酚、2-叔丁基-4,6-二甲基苯酚、2,6-二叔丁基對乙基苯酚、2,6-二叔丁基-4-正丁基苯酚、2,6-二叔丁基-4-1-丁基苯酚、2,6-二環戊基-4-甲基苯酚、2-(α-甲基環己基)-4,6-二甲基苯酚、2,6-二十八烷基甲基苯酚、2,4,6-三環己基苯酚、2,6-二叔丁基-4-甲氧基甲基苯酚、2,6-二叔丁基-4-甲氧基苯酚、2,5-二叔丁基對苯二酚、2,5-二叔戊基對苯二酚、2,6-二苯基-4-十八烷基環氧苯酚、2,2'-亞甲基雙(6-叔丁基-4-甲基苯酚)、2,2'-亞甲基雙(6-叔丁基-4-乙基苯酚)、2,2'-亞甲基雙[4-甲基-6-(α-甲基環己基)-苯酚]、2,2'-亞甲基雙(4-甲基-6-環己基苯酚)、2,2'-亞甲基雙(6-壬基-4-甲基苯酚)、2,2'-亞甲基雙[6-(α-甲基苄基)-4-壬基苯酚]、2,2'-亞甲基雙[6-(α-α-二甲基苄基)-4-壬基苯酚]、2,2'-亞甲基雙(4,6-二叔丁基苯酚)、2,2'-亞乙基雙(4,6-二叔丁基苯酚)、2,2'-亞乙基雙 (6-叔丁基-4-異丁基苯酚)、4,4'-亞甲基雙(2,6-二叔丁基苯酚)、4,4'-亞甲基雙(6-二叔丁基-2-甲基苯酚)、1,3-雙(5-叔丁基-4-羥基-2-甲基苯酚)、2,6-二(3-叔丁基-5-甲基-2-羥基苄基)-4-甲基苯酚、1,1,3-三(5-叔丁基-4-羥基-2-甲基苯酚)-丁烷、以及任何天然的植物基酚類氧化劑，所述天然的植物基酚類氧化劑可以包括但不限於抗壞血酸、一生育酚、一生育三烯酚、迷迭香酸以及其他酚酸及類黃酮，比如那些存在於葡萄、莓果、橄欖、黃豆、茶葉、迷迭香、羅勒屬植物、牛至、肉桂、孜然及薑黃中的酚酸及類黃酮。
在一個實施例中，所述添加劑包括4-乙烯基苯酚、花色素或苯並吡喃鎓。
在一個實施例中，所述添加劑包括一環氨基酸，所述環氨基酸可以包括但不限於苯基丙氨酸、色氨酸或酪氨酸。
在一個實施例中，所述添加劑包括一環己烷衍生物，所述環己烷衍生物可以包括但不限於1,3-環己二烯或1,4-環己二烯。
在一個實施例中，所述添加劑包括一苯衍生物，所述苯衍生物可以包括但不限於一多酚、苯甲醛、苯並三唑、苄基1-萘基碳酸鹽、苯、乙苯、甲苯、苯乙烯、苄腈、苯酚、鄰苯二甲酸酐、鄰苯二甲酸、對苯二酸、對甲苯甲酸、苯甲酸、氨基苯甲酸、氯化苄、異吲哚、乙基鄰苯二醯乙基乙醇酸酯、N-苯基苯胺、甲氧苯醌、苄基丙酮、亞苄基丙酮、己基肉桂醛、4-氨基-2-羥基甲苯、3-氨基苯酚 或香草醛。
在一個實施例中，所述苯衍生物添加劑包括一鄰苯二酚，所述鄰苯二酚可以包括但不限於1,2-二羥基苯(兒茶酚)、1,3-二羥基苯(間苯二酚)或1,4-二羥基苯(氫醌、對苯二酚)。
在一個實施例中，所述添加劑包括一萘甲酸酯，所述萘甲酸酯可以包括但不限於2-甲氧基-1-萘甲酸甲酯或3-甲氧基-2-萘甲酸甲酯。
在一個實施例中，所述添加劑包括一丙烯酸脂，所述丙烯酸脂可以包括但不限於2-丙基丙烯酸苄酯或甲丙烯醯酸-2-萘酯。
在一個實施例中，所述添加劑包括一鄰苯二甲酸酯，所述鄰苯二甲酸酯可以包括但不限於鄰苯二甲酸二丙烯酯。
在一個實施例中，所述添加劑包括一琥珀酸鹽，所述琥珀酸鹽可以包括但不限於雙(2-羰氧苄基)琥珀酸鹽。
在一個實施例中，所述添加劑包括一酸酯，所述酸酯可以包括但不限於甲基O-甲基羅漢松酸酯。
在一個實施例中，所述添加劑包括一螢光團，所述螢光團可以包括但不限於異硫氰酸螢光素、若丹明、酞菁或酞菁銅。
在一個實施例中，所述添加劑包括一藥物，所述藥物可以包括但不限於乙醯水楊酸(阿斯匹林)、對乙醯氨基酚(撲熱息痛)、布洛芬或一苯二氮草類藥物。
在一個實施例中，所述添加劑包括一磷酸鹽，所述磷酸 鹽可以包括但不限於磷酸甲酚二苯酯、一二磷酸酯、一三鄰甲苯基磷酸酯、一對甲苯基磷酸酯、一鄰甲苯基磷酸酯或一甲基甲苯基磷酸酯。
在一個實施例中，所述添加劑包括一在所述發動機或機械系統的操作條件的熱量下降解為一種或多種上述添加劑的化合物，比如某些萜烯或某些天然芳族酯或非芳族環酯、酮或醛，所述化合物可以包括但不限於水楊酸甲酯(冬青油)、肉桂葉/樹皮油(肉桂醛)、聯苯(二戊烯)、蒎烯及莰烯。
在一個實施例中，所述添加劑包括一商業食用個人/性潤滑劑組合物，所述潤滑劑組合物包括一食糖替代物兩親性物。
在一個實施例中，所述添加劑包括一商業紫外線防曬製劑，所述一商業紫外線防曬製劑包括辛基甲氧基肉桂酸酯、丁基甲氧基二苯醯化甲烷(B-MDM、阿伏苯宗)、辛基-二甲基-對氨基苯甲酸(OD-PABA)、氰雙苯丙烯酸辛酯、氧苯酮、烴基苯甲酸酯、2,6-萘二甲酸二乙基己酯、苯氧基乙醇、胡莫柳酯、乙基己基三嗪酮、4-甲基苯亞甲基樟腦(4-MBC)或一聚山梨醇酯。
在一個實施例中，所述添加劑包括一商業皮膚霜製劑，所述商業皮膚霜製劑可以包括但不限於聚羧乙烯、抗壞血酸棕櫚酸酯、生育酚乙酸酯、酮康唑或礦物油。
在一個實施例中，所述添加劑包括一商業洗手消毒液製劑，所述商業洗手消毒液製劑可以包括聚羧乙烯、生育酚 乙酸酯或丙二醇。
在一個實施例中，所述添加劑包括一商業人類或動物毛髮護理產品，所述商業人類或動物毛髮護理產品可以包括苯甲酮、烴基苯甲酸酯、苯氧基乙醇、山梨醇油酸酯、一苯乙烯共聚物、丙二醇、羥異己基3-環己烯基甲醛、二丁基羥基甲苯、酮康唑、礦脂、礦物油或液體石蠟。
在一個實施例中，所述商業毛髮護理產品是一捲曲活化液或舒緩液，所述捲曲活化液或舒緩液可以包括聚羧乙烯、己基肉桂醛、水楊酸苄酯、水楊酸三乙醇胺、苯甲酸苄酯、丁子香酚、1,3-二羥甲基-5,5-二甲基乙內醯脲(DMDM乙內醯脲)、對氨基苯甲酸(PABA)、4-二甲氨基苯甲酸2-乙基己酯(帕地馬酯-O)、丁苯基甲基丙醛、羥苯丙酯、酚磺酞(PSP、酚紅)或一聚山梨醇酯。
在一個實施例中，所述添加劑包括一商業染髮劑製劑，所述商業染髮劑製劑可以包括水合氧化鐵(Fe(OH)3)、對苯二胺、鄰氨基苯酚、間氨基苯酚、對氨基苯酚、4-氨基-2-羥基甲苯、十三烷醇聚醚-2-羧基醯胺MEA(一乙醇胺)、苯基甲基吡唑啉酮、苯氧基乙醇、一聚季胺鹽、己基肉桂醛、丁苯基甲基丙醛、酚磺酞(PSP、酚紅)、羥異己基3-環己烯基甲醛、二氧化鈦或鐵氧化物。
在一個實施例中，所述添加劑包括一商業殺蟲劑，所述商業殺蟲劑可以包括但不限於鄰苯基苯酚(OPP)、苯基對苯二酚(PPQ)或聯苯醌(PBQ)。
在一個實施例中，所述添加劑包括一帶有二維結構的化 合物，所述化合物可以包括但不限於木質素、石墨烯或氧化石墨烯。
在一個實施例中，所述添加劑包括一碳構成物，所述碳構成物包括但不限於泥煤、褐煤、瀝青煤、次瀝青煤、粉化煤、奈米煤、燭煤、無煙煤、木炭、碳黑、活化木炭、「活化奈米煤」或糖炭。在一個實施例中，所述碳構成物在所述潤滑劑組成物中其熱導劑作用。
在一個實施例中，所述碳構成物包括一奈米粉末。在一個實施例中，所述碳構成物有一增大的表面積。在一個實施例中，所述碳構成物包括已經從一傳統活化木炭研磨成奈米顆粒尺度的活化木炭顆粒。可以使用任何傳統方法來研磨所述活化木炭，以生產奈米尺度顆粒。在一個實施例中，所述活化木炭以已知的將固體研磨成次微米顆粒的潮濕或乾燥奈米研磨技術來研磨。在一個實施例中，所述奈米活化木炭的平均粒徑小於~100 nm。在一個實施例中，實質上所有顆粒的粒徑小於~100 nm。在一個實施例中，所述顆粒添加劑的平均粒徑小於~50 nm。在一個實施例中，實質上所有顆粒的粒徑小於~50 nm。
在一個實施例中，所述碳構成物包括石墨碳。在一個實施例中，所述石墨碳包括至少一種多環芳烴(PAH)，所述多環芳烴(PAH)可以包括但不限於萘、萘嵌戊烯、萘嵌戊烷、氟、菲、蒽、熒蒽、芘、苯並[a]蒽、屈、苯並[b]熒蒽、苯並[k]熒蒽、苯並[j]熒蒽、苯並[a]芘、苯並[e]芘、二苯並[a,h]蒽、苯並[g,h,i]芘、茚並[1,2,3-c,d]芘、並四 苯、六苯並苯、心環烯、並五苯、三亞苯及卵苯。
在一個實施例中，所述碳構成物包括一水熱碳化過程的一種生物炭或生物煤產物。
在一個實施例中，所述添加劑為所述潤滑系統提供與由磷酸三甲酚酯(TCP)提供的益處相同的益處。磷酸三甲酚酯(TCP)被視為一種致癌物質及航空中毒綜合症的一個因素，而且正逐步被許多潤滑系統淘汰。
在一個實施例中，所述添加劑包括一帶有高水平的多環芳烴(PAH)污染的「骯髒」或粗略煉製形式的礦物油。工業生產的白礦物油包括非常低水平的多環芳烴(PAHs)含量，這些多環芳烴(PAHs)必須基本上完全去除，所述礦物油才能以「USP」(美國藥典)級或「食用級」出售。在一個實施例中，所述來自這些過程(多環芳烴(PAHs)濃度最高)的分離廢礦物油在未經處理的情況下使用，而且直接作為添加劑使用或與其他添加劑結合使用。這個廢料中的白礦物油組分在所述潤滑劑組合物中起潤濕劑作用，而所述多環芳烴(PAHs)在表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)及含表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)微米球團塊的形成中起熱導劑及石墨碳源作用。
在一個實施例中，所述添加劑包括一增容劑。本文中使用的「一增容劑」一詞指幫助一碳源在一潤滑劑或潤滑劑組合物中分散的一化合物。在有些實施例中，所述增容劑是一兩親性物。在有些實施例中，所述增容劑包括一表面活性劑。在有些實施例 中，所述增容劑包括一油脂。在有些實施例中，所述增容劑包括一聚合物。有些實施例中，所述增容劑也充當一碳源。
在一個實施例中，所述增容劑包括一食糖兩親性物。一食糖兩親性物或一類食糖兩親性物可以是任何帶有一親水食糖部分及一疏水部分的分子，包括但不限於那些由下列人士在下列刊物中描述的分子：由Fenimore於2009年10月16日發表的辛辛那提大學博士論文「食糖基兩親性物的介面自組：固芯及液芯膠囊」(Fenimore,「Interfacial Self-assembly of Sugar-based Amphiphiles：Solid- and Liquid-core Capsules」，University of Cincinati Ph.D.thesis dated October 16,2009)；由Jadhav等人於《恩格萬特化學國際期刊》2010年第49卷第7695-7698頁發表的「食糖衍生選相分子膠化劑作為固化劑用於處理石油洩漏」(Jadhav et al.,「Sugar-derived Phase-selective Molecular Gelators as Model Solidifiers for Oil Spills」，Angewandte Chemie International Edition,Vol.49,pp.7695-7698,2010)；由Jung等人於《化學-歐洲期刊》2005年第11卷第5538-5544頁發表的「受雙鍵的引入影響的長鏈食糖基兩親性物的自組結構」(Jung et al.,「Self-assembling Structures of Long-chain Sugar-based Amphiphiles Influenced by the Introduction of Double Bonds」，Chemistry-A European Journal,Vol.11,pp.5538-5544,2005)；由Paleta等人於《碳水化合物研究》期刊2002年第337卷第2411-2418頁發 表的「用於醫學應用的木糖醇、D-葡萄糖及D-半乳糖的新兩親性氟烷基化衍生物：血液相容性及助乳化特性」(Paleta et al.,「Novel Amphiphllic Fluoroalkylated Derivatives of Xylitol,D-glucose and D-galactose for Medical Applications：Hemocompatibility and Co-emulsifying Properties」，Carbohydrate Research,Vol.337,pp.2411-2418,2002)；由Germaneau於2007年發表的波恩Rheinische Friederich-Wilhems大學博士論文「兩親性食糖金屬碳烯：從費希爾類到氮異環碳烯(NHCs)」(Germaneau,「Amphiphillic Sugar Metal Carbenes：From Fischer Type to N-Heterocyclic Carbenes(NHCs)」，Rheinische Friederich-Wilhems-Universität Bonn Ph.D.thesis,2007)；以及由Ye等人於《工業及工程化學研究》期刊2000年第39卷第4564-4566頁發表的「用於液態及超臨界二氧化碳的含食糖兩親性物的合成」(Ye et al.,「Synthesis of Sugar-containing Amphiphiles for Liquid and Supercritical Carbon Dioxide」，Industrial & Engineering Chemistry Research,Vol.39,pp.4564-4566,2000)。食糖兩親性物也可以包括但不限於槐糖脂-詳見由Zhang等人於《膠體及表面A：物理化學及工程方面》期刊2004年第240卷第75-82頁發表的「槐糖脂衍生物的合成及介面特性」(Zhang et al.,「Synthesis and Interfacial Properties of Sophorolipid Derivatives」，Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects,Vol.240,pp.75-82,2004)；或鼠 李糖脂-詳見由Christova等人於《自然研究期刊部分C：生物化學、生物物理學、生物學、濾過性微生物學》2004年第59卷第70-74頁發表的「由鮭魚腎桿菌27BN(Renibacterium salmoninarum 27BN)在正十六烷上生長期間產生的鼠李糖脂生物表面活性劑」(Christova et al.,「Rhamnolipid Biosurfactants Produced by Renibacterium salmoninarum 27BN During Growth on n-Hexadecane」，Zeitschrift für Naturforshung Teil C Biochemie Biophysik Biologie Virologie,Vol.59,pp.70-74,2004)。
在一個實施例中，所述增容劑包括一促進非食糖石墨烯形成的兩親性物。一促進石墨烯產生的兩親性物可以是任何帶有一促進石墨烯產生的親水部分及一疏水部分的分子，包括但不限於溴代十六烷基三甲胺(CTAB)或那些由美國密歇根州米德蘭市(Midland,Michigan)的「道化學公司」(Dow Chemical Company)在TRITONTM或TERGITOLTM商標下銷售的分子，包括但不限於TRITON X系列的辛基酚乙氧基化物及TERGITOL NP系列的壬基酚乙氧基化物。在有些實施例中，所述促進石墨烯產生的兩親性物是一非離子兩親性物。促進石墨烯產生的兩親性物也可以包括但不限於單硬脂酸甘油酯及非氧基苯酚表面活性劑。
在一個實施例中，所述增容劑包括聚乙二醇。
在一個實施例中，所述增容劑與一顆粒添加劑結合使用。在一個實施例中，所述增容劑促進所述顆粒添加劑在所述基潤滑劑中溶解。
在一個實施例中，所述添加劑包括一金屬氧化物，所述金屬氧化物可以包括但不限於鐵氧化物、鋁氧化物、銅氧化物、鎳氧化物、鈦氧化物及鉛氧化物。
在一個實施例中，所述添加劑包括一形式的鐵。在有些潤滑系統中(比如在許多噴射式發動機渦輪中)，固有存在的鐵很少或完全沒有鐵。然而，相信原位形成的碳包裹鐵顆粒為本發明的潤滑劑組合物提供所述奈米拋光能力。因此，在一個實施例中，所述潤滑液以一含鐵添加劑補充。
在一個實施例中，所述含鐵添加劑包括一鐵氧化物。在一個實施例中，所述鐵氧化物是德國科隆市「朗盛化學公司」(Lanxess,Cologne)的BayFerrox®鐵氧化物粉末顏料。在一個實施例中，所述含鐵添加劑包括一鐵氧化物奈米粉末。在一個實施例中，所述鐵源包括一複合物分子。
在一個實施例中，所述添加劑包括一含環鐵化合物，所述含環鐵化合物包括但不限於(η2-反式環辛烯)2Fe(CO)3；(苄叉丙酮)三羰基鐵；腸菌素鐵；三羧基雙[(1,2-h)-環辛烯]-鐵；鐵(4+)二環辛烷-1,2-化物-一氧化碳；高鐵酸鈉(1-)；鈉-雙(3-(4,5-二氫-4-((2-羥基-5-硝基苯基)偶氮)-3-甲基-5-氧代-1H-吡唑-1-基)苯-1-苯磺醯胺(2-))高鐵酸鹽(1-)；鐵蛋白；(環-1,3-C4H8-S2)FeCO)4；酞菁鐵；二茂鐵；苯甲酸鐵；水楊酸鐵；環高鐵酸鹽；或蛋白琥珀酸鐵。
在一個實施例中，所述添加劑包括一含非環鐵化合物，所述含非環鐵化合物包括但不限於九羰基二鐵、五羰基鐵、非環高鐵酸鹽、鐵水、草酸鐵、水合氧化鐵 (Fe(OH)3)、或一含鐵營養補充劑。在一個實施例中，所述含鐵複合物是一兒茶酚-鐵複合物。
在一個實施例中，所述添加劑包括一含鐵細胞，所述含鐵細胞可以包括但不限於2,3-二羥基苯甲酸(2-3'-DHB)、N,N',N」-((3S,7S,11S)-2,6,10-三氧代-1,5,9-三氧雜環十二烷-3,7,11-三基)三(2,3-二羥基苯甲醯胺)(腸菌素)、或2,4-二羥基苯甲酸(2-4'-DHB)。
在一個實施例中，所述添加劑包括一驅蟲劑，所述驅蟲劑包括但不限於2-去氧-paraherquamide(2-deoxy-paraherquamide,PHQ)。
在一個實施例中，所述添加劑包括一芳族氨基酸前體物，所述芳族氨基酸前體物包括但不限於(3R,4R)-3-[(1-羧基乙烯)氧基]-4-羥基環己基-1,5-二烯-1-羧基酸(分支酸)。
在一個實施例中，所述添加劑包括一能夠螯合鐵的分子，所述分子可以包括但不限於乙二胺四乙酸(EDTA)、2-氨基苯酚-詳見由Pulgarin等人於《蘭茂爾》期刊1995年第11卷第519-526頁發表的「氨基苯酚的鐵氧化物介導降解、光致降解及生物降解」(Pulgarin et al.,「Iron Oxide-mediated Degradation,Photodegradation,and Biodegradation of Aminophenols」，Langmuir,Vol.11,pp.519-526,1995)及由Andreozzi等人於《水研究》期刊2003年第37卷第3682-3688頁發表的「2-氨基苯酚在水溶液中的鐵(III)(氫氧化)氧化物介導光致氧化：一動力學研究」(Andreozzi et al.,「Iron(III)(hydr)oxide-mediated photo-oxidation of 2- aminophenol in aqueous solution：a kinetic study」，Water Research,Vol.37,pp.3682-3688,2003)，或四苯基氧代-金屬卟啉。
在一個實施例中，所述添加劑包括奈米金剛石，所述奈米金剛石充當正在與
在所述潤滑劑組合物中原位形成的石墨碳結合的奈米顆粒或微米顆粒的正在形成的核。
所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)及含表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)團塊的非原位熱解合成也容許在非潤滑應用中使用這樣的分子。在一個實施例中，所述顆粒或團塊可以作為一塗層施加到一材料的表面，以增強所述材料或提高所述材料的熱屏蔽或熱吸收。在一個實施例中，所述塗層可以是一熱塗層、一鑽頭塗層或一防火塗層。在一個實施例中，所述材料可以是一彈道拋射體，所述彈道拋射體可以包括但不限於子彈及導彈。在一個實施例中，所述材料可以是一防彈器件，包括但不限於軍事坦克裝甲或個人裝甲，所述裝甲包括防彈背心或防彈背心板。在一個實施例中，所述材料可以是一工具，所述工具包括但不限於一刀頭、一隧穿器件、一奈米拋光器、一研磨紙或一鏜孔器件。在一個實施例中，所述材料可以是一熱屏蔽層，比如一再入隔熱板、一鑽探機或一用於航天飛船的火箭發動機頭錐。在一個實施例中，所述顆粒或團塊可以與一材料結合，以形成一具有比所述基材料本身的強度、熱屏蔽或熱吸收來得高的複合材料。在有些實施例 中，所述材料可以是一輪胎、防火設施、消防設備或消防服裝。
在一個實施例中，本發明的所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)及含表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)團塊可以用於電化學系統。在一個實施例中，本發明的所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)及含表面石墨化磨料奈米顆粒(SGANs)團塊可以作為奈米電池，用於保存電荷。
試驗結果
幾個潤滑劑組合物(包括預期會在發動機工作條件下促進石墨碳形成的犧牲碳源)在一系列的摩托車或摩托越野車中試驗。進行這些試驗是為了測試所述潤滑劑組合物在小型內燃機、某大小及配置的發動機中的功效，使得摩擦減少方面的改進將可以在不使用外部功率計來測量所述變化的情況下，足以讓機修工或操作員明顯地看見。
試驗7
一輛機能低劣的走了8,850英里里程的由墨西哥哈裏斯科州瓜達拉哈拉市(Guadalajara,Jalisco-Mexico)的「墨西哥本田公司」(Honda de Mexico,S.A.de C.V.)出產的1999年「本田精英80(CH80型號)」(Honda Elite 80(Model CH80))摩托車上的、來自美國肯塔基州列克星敦市(Lexington,Kentucky)的「亞什蘭有限公司」(Ashland Inc.)的傳統Valvoline®10W-40發動機潤滑油以本發明的潤滑劑組合物替換。在添加所述潤滑劑組合物之前，所述摩托車的發動機幾乎不能保持怠速運轉。當試驗時，所述摩 托車能夠啟動，但很快便又停止。當所述摩托車運作時，儀錶指示的最高速度大約為30英里每小時。
所試驗的潤滑劑組合物包括來自美國德克薩斯州奧斯丁市(Austin,Texas)的「全食食品市場公司」(Whole Food Market)的幾百豪克的「有機粉狀食糖」(成分：粉狀蔗糖及木薯)與來自美國伊利諾斯州迪爾菲爾德市(Deerfield,Illinois)的「沃爾格林公司」(Walgreen Company)的「沃爾格林氏腸潤滑劑」(Walgreens Intestinal Lubricant)(「美國藥典級」(USP)礦物油)混合物與來自法國奧貝維利埃市(Aubervilliers)的「Motul公司」的5100 10W-40半合成機油的混合物。所述潤滑劑組合物的外觀不透明，這是由於大量的食糖懸浮在所述液體中。
在將所述潤滑劑組合物添加到所述摩托車時，所述發動機被啟動，而且在那時能夠保持怠速運轉。所述摩托車隨即經歷一性能評估試騎。所述潤滑劑組合物被發現幾乎立即使所述摩托車的最高儀錶指示速度從30英里每小時提高到35英里每小時。所述發動機的聲響的明顯差別也被注意到，使用所述潤滑劑組合物使發動機發出的聲響比以前流暢且安靜得多。在所述試騎之後，從所述發動機排掉所述潤滑劑組合物，這時注意到所述油中有一典型的環氧類氣味。這個典型的環氧類氣味是預期到的，而且相信它顯示所述油中存在環氧類前體化合物，這些環氧類前體化合物因所述潤滑劑組合物中殘餘的一些食糖分子的不完全熱解而形成。
試驗8
另一在同一輛由墨西哥哈裏斯科州瓜達拉哈拉市(Guadalajara,Jalisco-Mexico)的「墨西哥本田公司」(Honda de Mexico,S.A.de C.V.)出產的1999年「本田精英80(CH80型號)」(Honda Elite 80(Model CH80))摩托車上試驗的潤滑劑組合物由來自美國紐約市布魯克林區(Brooklyn,New York)的「坎伯蘭包裝公司」(Cumberland Packing Corporation)的一個單一服務包(一克)的Sweet'n Low®「零卡路里甜料」(成分：右旋糖、糖精、酒石酸氫鉀、矽酸鈣)與來自美國康涅狄格州丹伯里市(Danbury,Connecticut)的幾毫升的CitraSolv®天然清潔及脫脂劑的混合物與來自美國肯塔基州列克星敦市(Lexington,Kentucky)的「亞什蘭有限公司」(Ashland Inc.)的Valvoline®10W-40傳統機油結合組成。
所述摩托車在使用所述含糖精潤滑劑組合物時運作與使用上述的含食糖潤滑劑組合物時相似。在試驗之後，當這種含糖精潤滑劑組合物從所述摩托車排掉時，發現很少看得見的微粒。除了來自所述含聯苯的CitraSolv®天然清潔及脫脂劑的強烈柑桔氣味之外，所排掉的油在其他方面沒有值得注意之處。
試驗9
又另一在同一輛由墨西哥哈裏斯科州瓜達拉哈拉市(Guadalajara,Jalisco-Mexico)的「墨西哥本田公司」(Honda de Mexico,S.A.de C.V.)出產的1999年「本田精英 80(CH80型號)」(Honda Elite 80(Model CH80))摩托車上試驗的潤滑劑組合物包括由來自美國德克薩斯州奧斯丁市(Austin,Texas)的「全食食品市場公司」(Whole Food Market)的「有機粉狀食糖」(成分：粉狀蔗糖及木薯)與活化木炭添加劑混合而成的添加劑及來自美國肯塔基州列克星敦市(Lexington,Kentucky)的「亞什蘭有限公司」(Ashland Inc.)的Valvoline®10W-40傳統機油。
根據所述Valvoline®機油的「材料安全數據表」，所述機油的報告閃點為240℃(399.2℉)，其報告沸點為299℃(570.2℉)。所述氣冷式發動機的汽缸頭的正常工作溫度被測得為~80℃(176℉)。
在所述試驗期間，所述發動機的整流罩被改成完全阻塞從冷卻風扇到汽缸頭的所有氣流。這就是說，隨著所述發動機運行，所述汽缸頭周圍的空氣被滯留而且開始發熱。使用了由中國福建漳州的「漳州東方智慧型儀器表有限公司」的具激光定位功能的Cen-Tech非接觸紅外測溫儀來對所述汽缸頭的升溫進行監控。
所述發動機在這個條件下運行，直到所述汽缸頭的測得溫度達到大約255℃(437℉)。當達到這個溫度時，觀察到曲軸箱通氣閥發出滾滾濃煙，而且見到所述發動機周圍的塑料整流罩開始熔化。在這個條件及溫度時，所述發動機在節氣門全開的情況下運行，而且繼續運行而沒有卡滯。過後不久，關掉所述發動機，並允許其冷卻。過後試騎所述摩托車幾英里，在試騎期間觀察到所述摩托車完美順暢 地運行，沒有發現任何性能退化。
試驗10
在另一潤滑劑組合物中，來自美國德克薩斯州奧斯丁市(Austin,Texas)的「全食食品市場公司」(Whole Food Market)的~200 mL杏仁油(苦杏苷源)與來自美國肯塔基州列克星敦市(Lexington,Kentucky)的「亞什蘭有限公司」(Ashland Inc.)的~550 mL的Valvoline®10W-40傳統機油結合。這種潤滑劑組合物被置入一輛走了125英里里程的由中國上海「上海JMStar摩托車有限公司」(Shanghai JMStar Motorcycle Co.,Ltd.)出產的2011年JMStar 150 c.c.排量的GY-6發動機摩托車。
雖然在所述評估試騎期間並未見到所述摩托車的儀錶指示最高速度有任何提高，但所述發動機在使用所述潤滑劑組合物時發出的聲響在品質上比單單使用所述傳統機油時的聲響來得好。
試驗11
在另一潤滑劑組合物中，來自美國威斯康辛州綠灣市(Green Bay,Wisconsin)的「灣穀食品有限責任公司」(Bay Valley Foods,LLC)的幾安士「Roddenberry's甘蔗塊轉化糖蔗糖漿」(Roddenberry's Cane Patch Invert Sugar Cane Syrup)及來自美國伊利諾州維斯盟特市(Westmont,Illinois)的「龜蠟有限公司」(Turtle Wax,Inc.)的~100 mL「Marvel®驚異之謎油」(Marvel® Mystery Oil)(環烷碳源)與來自美國肯塔基州列克星敦市(Lexington,Kentucky)的 「亞什蘭有限公司」(Ashland Inc.)的Valvoline®10W-40傳統機油結合。這種潤滑劑組合物被置入一輛由美國亞利桑那州費尼克斯市(Phoenix,Arizona)的「Baja運動型摩托車有限公司」(Baja Motor Sports)出產的Dirt Runner 125 c.c.排量的摩托越野車。
在進行所述試驗之前，所述摩托越野車能正常運行，但不是特別好。一旦將所述潤滑劑組合物添加到所述發動機，所述發動機發出的聲響及運行順暢程度在品質上比使用所述傳統潤滑劑時好。在所述性能評估試騎結束時，從所述摩托越野車的發動機排掉所述機油，這時再次注意到預期及典型的環氧類氣味，這顯示所述潤滑劑中存在酚醛樹脂/環氧前體物。
試驗12
在另一潤滑劑組合物中，來自美國新澤西州新賓士威克市(New Brunswick,New Jersey)的「Spectrum化學品製造有限公司」(Spectrum Chemical Manufacturing Corporation)的大約~50 mL的「美國藥典」(USP)級苯甲酸苄酯與來自美國佛羅里達州慶典市(Celebration,Florida)的「綠地技術有限公司」(Green Earth Technologies)的大約~50 mL的5W-30 G-Oil®「最終生物可降解」(Ultimate Biodegradable)綠色機油-一種傳統的動物脂基機油。所述大約100 mL的潤滑劑組合物接著被添加到所述走了125英里里程的由中國上海「上海JMStar摩托車有限公司」(Shanghai JMStar Motorcycle Co.,Ltd.)出產的那輛2011年JMStar 150 c.c.排 量的GY-6發動機摩托車的現有機油中。在所有經歷試驗的潤滑劑組合物中，這種潤滑劑組合物在在品質上看來是性能最好的。
在添加所述潤滑劑組合物之後觀察到發動機噪音有重大改善，而且注意到發動機的最大每分鐘轉數(RPM)已經從大約10,000 rpm增加到11,000 rpm，增加幅度為1,000 rpm。
試驗13
在另一潤滑劑組合物中，來自美國愛荷華州挪威市(Celebration,Iowa)的「Frontier天然產品合作社」(Frontier Natural Products Co-op)的大約20滴「Aura Cacia®有機肉桂葉油」(Aura Cacia® Organic Cinnamon Leaf Oil)(肉桂酸甲酯源)及來自美國伊利諾斯州迪爾菲爾德市(Deerfield,Illinois)的「沃爾格林公司」(Walgreen Company)的大約~100 mL「沃爾格林氏腸潤滑劑」(Walgreens Intestinal Lubricant)(「美國藥典級」(USP)礦物油)與來自美國佛羅里達州慶典市(Celebration,Florida)的「綠地技術有限公司」(Green Earth Technologies)的大約~200 mL的5W-30 G-Oil®「最終生物可降解」(Ultimate Biodegradable)綠色機油結合。這種潤滑劑組合物被置入一輛由美國亞利桑那州費尼克斯市(Phoenix,Arizona)的「Baja運動型摩托車有限公司」(Baja Motor Sports)出產的Dirt Runner 125 c.c.排量的摩托越野車。這種潤滑劑組合物的性能與先前的潤滑劑組合物(包括苯甲酸苄酯)相似， 但在運行時注意到一刺激性的肉桂氣味。
試驗14
在另一潤滑劑組合物中，來自美國新澤西州新賓士威克市(New Brunswick,New Jersey)的「Spectrum化學品製造有限公司」(Spectrum Chemical Manufacturing Corporation)的「美國藥典」(USP)級苯甲酸苄酯、來自美國伊利諾斯州迪爾菲爾德市(Deerfield,Illinois)的「沃爾格林公司」(Walgreen Company)的「沃爾格林氏腸潤滑劑」(Walgreens Intestinal Lubricant)(「美國藥典級」(USP)礦物油)與來自美國加利福尼亞州科羅娜市(Corona,California)的「盧卡斯油產品有限公司」(Lucas Oil Products,Inc.)的「盧卡斯自動傳動液調節劑」(Lucas Automatic Transmission Fluid Conditioner)的大約100 mL混合物被添加到一輛走了2英里里程的由中國台州市的「台州中能摩托車有限公司」(Taizhou Zhongneng Company,Ltd.)出產的2011年50 c.c.排量的GMW-M2型、帶有改裝傳動及排氣系統的新摩托車。觀察到所述發動機的馬力幾乎即刻增加，而且所述摩托車的最高速度即刻從33英里每小時增加到39英里每小時，這顯示其最高速度增加了18%。
試驗15
在另一潤滑劑組合物中，一包括3夸脫(Quarts)含二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)的高級合成摩托車機油與包括來自美國伊利諾州維斯盟特市(Westmont,Illinois)的「龜蠟有限公司」(Turtle Wax,Inc.)的「Marvel®驚異之謎油」 (Marvel® Mystery Oil)(原配方)與來自美國加利福尼亞州科羅娜市(Corona,California)的「盧卡斯油產品有限公司」(Lucas Oil Products,Inc.)的「盧卡斯合成油穩定劑」(Lucas Synthetic Oil Stabilizer)、來自美國加利福尼亞州科羅娜市(Corona,California)的「盧卡斯油產品有限公司」(Lucas Oil Products,Inc.)的「盧卡斯自動傳動液調節劑」(Lucas Automatic Transmission Fluid Conditioner)以及來自美國伊利諾斯州貝德福德園(Bedford Park,Illinois)的「石油化學研究公司」(Oil-Chem Research Corporation)的「zMAX®」潤滑劑的大約1夸脫(Quart)混合物以大約60：17：70：30的體積比率混合的製劑，用於替代一輛由日本岩田(Iwata,Japan)的「雅馬哈摩托車有限公司」(Yamaha Motor Co.,Ltd.)出產的1999年1,000 c.c.排量的Yamaha R1型測試用摩托車發動機中的現有機油。以這個製劑進行的發動機性能測試，通過在機油替換之後10分鐘及在機油替換之後一星期使用來自美國內華達州拉斯維加斯市(Las Vegas,Nevada)的「Dynojet研究公司」(Dynojet Research Inc.)的Dynojet 250i功率計來測量所述測試用摩托車的後輪的功率及輸出轉矩而完成。所述功率計進行的這兩個測試的測試結構見下列表2(a)及表2(b)：
如表2(a)中所示，與在所述摩托車上使用另一種可在市場購得的高級摩托車機油比較，在所述10分鐘後的測試中，觀察到大約1HP的功率增加及大約1英尺/磅(ft/lb)的轉矩增加。在使用7天之後，所述新潤滑劑組合物的作用更富戲劇性。在其後的1周後測試時，觀察到所記錄的功率及轉矩依次比10分鐘後的測試值有3%至4%的附加增加。明確地說，所記錄的功率在測試的整個發動機轉速範圍(從4,500 RPM至大約7,500 RPM)增加了大約3至5HP。如表2(b)中所示，在所述10分鐘後的測試期間，在轉速為7,500 RPM時測得的輸出功率為102.96HP，而在其後的1周後測試期間，在轉速為7,500 RPM時測得的輸出功率為107.90HP。從所述10分鐘後的測試到所述1周後的測試，最大轉矩從大約74.04英尺/磅(ft/lb)增加到大約75.31英尺/磅(ft/lb)。
試驗16
在另一潤滑劑組合物中，來自美國伊利諾州維斯盟特市(Westmont,Illinois)的「龜蠟有限公司」(Turtle Wax,Inc.)的「Marvel®驚異之謎油」(Marvel® Mystery Oil)(原配 方)、來自美國加利福尼亞州科羅娜市(Corona,California)的「盧卡斯油產品有限公司」(Lucas Oil Products,Inc.)的「盧卡斯合成油穩定劑」(Lucas Synthetic Oil Stabilizer)、來自美國加利福尼亞州科羅娜市(Corona,California)的「盧卡斯油產品有限公司」(Lucas Oil Products,Inc.)的「盧卡斯自動傳動液調節劑」(Lucas Automatic Transmission Fluid Conditioner)以及來自美國伊利諾斯州貝德福德園(Bedford Park,Illinois)的「石油化學研究公司」(Oil-Chem Research Corporation)的「zMAX®」潤滑劑的大約三至四安士的混合物以大約12：3：14：9的體積比率混合，然後添加到一輛由德國因戈爾施塔特市(Ingolstadt,Germany)的「奧迪有限公司」(Audi AG)出產的2006年Audi 4 2.0 L Turbo測試用汽車的現有發動機潤滑劑中，產生顯著的性能及燃油經濟性效果。這種複合添加劑以及類似的濃縮製劑可以直接添加到車輛的現有機油中，以便在不需要替換現有機油的情況下改進發動機性能。
試驗17
在又另一潤滑劑組合物中，一種並未計畫用來影響任何現有基潤滑油或其添加劑的性能的濃縮複合添加劑通過用來自美國伊利諾州維斯盟特市(Westmont,Illinois)的「龜蠟有限公司」(Turtle Wax,Inc.)的「Marvel®驚異之謎油」(Marvel® Mystery Oil)(原配方)、來自美國加利福尼亞州科羅娜市(Corona,California)的「盧卡斯油產品有限公司」(Lucas Oil Products,Inc.)的「盧卡斯合成油穩定劑」 (Lucas Synthetic Oil Stabilizer)、來自美國加利福尼亞州科羅娜市(Corona,California)的「盧卡斯油產品有限公司」(Lucas Oil Products,Inc.)的「盧卡斯自動傳動液調節劑」(Lucas Automatic Transmission Fluid Conditioner)以及來自美國伊利諾州維斯盟特市(Westmont,Illinois)的「龜蠟有限公司」(Turtle Wax,Inc.)的「Marvel®風動工具油」(Marvel® Air Tool Oil)以大約12：3：14：16的體積比率混合製成。
這種濃縮複合添加劑被添加到一種高品質的不含二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)的合成機油，然後引入一輛由德國因戈爾施塔特市(Ingolstadt,Germany)的「奧迪有限公司」(Audi AG)出產的2006年Audi 4 2.0 L Turbo測試用汽車的發動機中，產生顯著的性能及燃油經濟性效果。這種複合添加劑以及類似的濃縮製劑可以直接添加到車輛的現有機油中，以便在不需要替換現有機油的情況下改進發動機性能。
試驗16及17的潤滑劑組合物實驗觀察
隨後，來自德國因戈爾施塔特市(Ingolstadt,Germany)的「奧迪有限公司」(Audi AG)的所述Audi 4測試用汽車的金屬發動機元件被拆卸，並經受多項無損分析。在這個案例中，在添加所述潤滑劑組合物的多型製劑的條件下使用所述測試用汽車150,000英里之後，從所述測試用汽車拆卸一機械加工的鋼凸輪軸凸輪從動件及一凸輪從動件定位環來進行無損分析。據製造商說，這些部件是以不銹鋼製 成。所述分析的結果如下。
對所述發動機元件進行的第一項科學分析是表面粗糙度分析，使用由美國康涅狄格州米德爾菲爾德市(Middlefield,Connecticut)的「Zygo®有限公司」(Zygo® Corporation)出產的NewViewTM 7300白光光學表面特徵干涉儀來進行。以所述干涉儀來進行評估及比較所拆卸的凸輪從動件的摩擦表面及非摩擦表面。於是確定了算術平均數(Ra)、峰穀(PV)以及均方根(RMS)表面粗糙度。所述結果及推斷如圖20、圖21及表3所示。
如上表所示，使用本發明的製劑實現了幾乎兩個數量級的表面粗糙度改善。平均表面粗糙度(Ra)從一至少為Ra=221.6 nm的最小初始值減低到一最終實測值Ra=3.44 nm。
圖20顯示，不曾在所述汽車運行期間重複接觸所述汽缸壁的非磨損表面的Ra值被測得為221.6 nm。對於一高品質汽車的這樣的發動機部件而言，這個數值很典型(平均汽車凸輪從動件容差值Ra=300 nm至400 nm)。圖20的左下象限中的圖示顯示可以被視為所評估的凸輪從動件部分的近似初始表面粗糙度測量值的估計；換句話說，所述圖示可以被視為所評估的凸輪從動件部分在裝配到所述測試用汽車的發動機時的估計相對條件。
然而，圖21顯示，在所述汽車運行期間持續地與所述汽缸壁保持摩擦接觸的磨損表面的Ra值被測得為3.44 nm，比所述摩擦表面的實測粗糙度低了兩個數量級，這指示所述凸輪從動件在所述發動機的製造及組裝時的近似及估計初始狀態。在圖20中觀察到的初始機械加工的粗糙實體的方向垂直於在圖21中觀察到的粗糙實體，這指示所述磨損表面中的所述初始機械加工的粗糙實體已經在拋光過程的某一時刻被完全去除。
這些數據顯示所述凸輪從動件已經在所述發動機的運行期間經受超拋光。雖然在高度控制的實驗室情況下將諸如熔融矽石、矽及碳化矽等材料的表面超拋光到表面粗糙度值Ra為0.4 nm是有可能，但經拋光的金屬表面的Ra值一般較高，在數百奈米範圍內。Liu等人於《新加坡製造技術研究所技術報告》期刊2007年7-9月的第8卷第3期第142-148頁(Liu et al.,「SIMTech Technical Reports」，Vol.8,No.3,pp.142-148,Jul-Sept 2007)中報導關於一能夠(在實驗室條件下)生產表面粗糙度值Ra為8.5 nm的不銹鋼透鏡模具插入件的二步超拋光工藝。
由於兩塊相互接觸的金屬不能在不使用拋光劑的情況下產生如圖21中顯示的光滑度的表面，因此進一步對所述凸輪從動件的磨損表面進行測試，以嘗試確定所述潤滑劑組合物中能夠產生像在本發明的試驗中實現的表面那樣光滑的表面的拋光劑。一凸輪從動件的磨損表面一般以表面硬化鋼及多種奈米顆粒拋光劑製成，其中一種奈米顆粒拋光 劑是本文中稱為表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)者，而為了能夠拋光表面，表面石墨化磨料奈米顆粒被指望比被拋光的表面更硬。圖21中的磨損表面的二維表面拓撲學特徵顯示直徑尺寸在一奈米或二奈米範圍的許多圓形物，而這個尺寸在所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)或為實現這麼低的表面粗糙度Ra值而必需的其他磨料奈米顆粒的預期尺寸刻度上。
使用美國俄勒岡州希爾斯伯勒市(Hillsboro,Oregon)的「FEITM公司」(FEITM Company)的Philips®系列的XL 30 ESEM-FEG掃描電子顯微鏡，以美國新澤西州馬瓦市(Mahwah,New Jersey)的「AMATEK®有限公司」(AMATEK® Inc.)的EDAX® GenesisTM版4.61軟件及一「鈧成像平臺」(Scandium Imaging Platform)來研究所述凸輪從動件的一定位環的非摩擦表面。所述定位環的表面的電子顯微鏡圖像如圖22至41所示。除了顯示小於1 At%的鉀及鉻之外，由能量X-射線色散光譜(EDS)對四個表面進行的伴生元素分析只依次顯示圖22至25的黑框中的採樣區的碳、氧及鐵的重量百分比(wt%)及原子百分比(At%)，如「表4(a)」中所顯示者。所述圖像顯示所述非摩擦表面上的直徑介於~2-3微米範圍內的球狀體結構。
圖26至37顯示所述凸輪從動件定位環表面的附加掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖29至37中的長度尺度「mm」實際上是微米。在所述潤滑過程期間，這些較大的結構分裂成較小的奈米結構。
由於圖22至25的採樣區顯示變動的碳、氧及鐵比率，隨後進行多個實驗從所述相同的結構的不同區域採樣，以確定所述結構是否均一。圖38A-C、圖39A-G及圖40A-C顯示所述黑框中的區域是採樣區的結構。
圖38A、38B及38C顯示一直徑為~2微米的單一大球形體的三個不同採樣區。如表4(b)中所示，只是碳、氧及鐵被檢測到。在圖38A中，取大多數表面的平均值，而在圖38B中，採樣所述表面的一較小部分，得到相似結果。最後，如圖38C中所示，採樣從所述球形體底部伸出的一個小突出物。這個小突出物的量幾乎是鐵的十倍，如同其他兩個採樣區。
圖39A、39B、39C、39D、39E、39F及39G顯示一寬度超過13微米的較大、不規則的晶體結構的七個不同採樣區。如表4(c)中所示，除了圖39E沒有鐵之外，在所有樣本中檢測到碳、氧、鈣及鐵。此外，在這些樣本之中的每個樣本中檢測到氯，其量恰好將各個總額補足到100%。鈣對氯的比率介於1：1至6：1的範圍之間。在這個範圍內，也觀察到鈣對氯的比率為大約1.5：1、大約2：1及大約3：1者。除了圖39C的採樣區的12.69 At%之外，檢測到的鐵量與圖38系列相比極少。
圖40A、40B及40C顯示一直徑為~1.3微米的較小的單一球狀體的三個不同採樣區。如表4(d)中所示，只是檢測到碳、氧及鐵。如圖40A中所示，所述球狀體在中間部分採樣，其結果與圖38A的中間部分的結果相似，雖然其鐵含 量較高和氧含量較低。如圖40B中所示，所述球狀體在右上邊緣採樣，其鐵含量比圖40A中所示的區域高五倍，這與圖38C中觀察到的相似。最後，如圖40C所示，所述球狀體在左邊緣採樣，其鐵含量幾乎是圖40A的區域中的兩倍，但比圖40B的區域低。
最後，圖41顯示一寬度介於4與5微米之間的大菱形晶體結構的一個大採樣區。如表4(c)中所示，只是檢測到碳、氧及鐵。它們的比率與所述球狀體的低鐵區域相似，除了鐵含量更低之外。
隨後，將己烷添加到所使用的潤滑劑組合物的一樣本中。所述混合物經受離心分離，然後所述經離心分離的混合物的一沉澱物及一液體部分經受時間飛躍法(TOF)次級離子質譜(SIMS)及使用FEITM CM20 TEM、以EDAX® GenesisTM軟件進行的透射電子顯微鏡(TEM)檢測。雖然這些檢測並未識別所述潤滑劑組合物中的任何特定結構，有趣的是，沒有在所述油的沉澱物部分或液體部分檢測到任何可測的鐵。在所述樣本中只檢測到碳、氧及在有些情況下檢測到鋅、鈣或鉻。從這些試驗，如鐵缺乏所證明的那樣，可以清楚地知道通過掃描電子顯微鏡(SEM)在所述凸輪從動件定位環的表面上觀察到的特徵並未在所述液體中以可檢測的水平存在。
取得所述凸輪從動件表面上的所述材料的一樣本，通過將透射電子顯微鏡(TEM)網格輕輕地塗擦所述凸輪從動件的所述表面，然後使用所述透射電子顯微鏡(TEM)來觀察 所述網格上的特徵來完成透射電子顯微鏡(TEM)觀測。所觀察到的特徵的代表性圖像顯示於圖42至49B，這些圖像展現很多不同的形態學特徵及結構。所述圖像確認石墨烯或氧化石墨烯薄片、碳奈米管、碳奈米球狀體、碳奈米洋蔥及其他富勒烯結構和前體物的存在。根據元素分析，相信所述圖像中的暗色區域代表鐵的較高濃度。石墨烯已知包裹鐵顆粒-實例詳見由Cao等人於《奈米科學》期刊2007年第12卷第1期第35-39頁發表的「石墨烯包裹鐵奈米顆粒的合成及特徵」(Cao et al.,「Synthesis and Characterization of Graphene Encapsulated Iron Nanoparticles」，Nanoscience,Vol.12,No.1,pp.35-39,2007)。圖42顯示所述圖像的較低部分中的一相對較平的薄片形態特徵，以及所述圖像的較高部分中一更為摺皺的薄片。在所述圖像中也可看得見直徑介於~5 nm至~50 nm範圍的較小球狀體結構。圖43基本上顯示一適度地摺皺的薄片形態學特徵，奈米管結構靠近所述薄片的折疊處。
圖44顯示一個具有與圖43相似的形態學特徵的區域的較高倍放大圖。在圖44中，球狀體、管及薄片形態學特徵很明顯。圖45顯示一些曲折的管結構的高倍放大圖。圖46顯示一個形態學特徵模糊的暗色球狀團塊的高倍放大圖，根據所述暗色球狀團塊結構的暗色內部來看，所述球狀團塊可以是表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)。圖47顯示一個大碳奈米管結構。圖48顯示兩個碳奈米洋蔥結構。最後，圖49A及49B顯示一具有管及球狀體形態學特徵但沒有明 顯的薄片形態學特徵的似晶體團塊。
因此，應該理解的是，此中所載本發明的實施例僅僅是為了闡述本發明的原理的應用。此中提及關於所闡述的實施例的細節並非意在限制本發明的申請專利範圍，而這些申請專利範圍本身亦敍述那些被視為本發明的基本要素的特點。
10‧‧‧反應容器
14‧‧‧導管
16‧‧‧液體
22‧‧‧大氣
24‧‧‧溫度控制元件
34‧‧‧均壓閥
本發明將參照下列附圖描述，附圖中類似元件以類似數字代表。
圖1A及1B分別顯示本發明一實施例中石墨烯/氧化石墨烯及表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)製備步驟的示意圖。
圖2A顯示本發明一實施例中從一碳質或石墨起始材料形成一石墨烯/氧化石墨烯增強/塗層基體的流程圖。
圖2B顯示本發明一實施例中從一石墨烯/氧化石墨烯剝片蒸汽形成一石墨烯/氧化石墨烯薄膜塗層基體的流程圖。
圖3顯示本發明一實施例中石墨烯/氧化石墨烯/表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)合成及收集系統的示意圖。
圖4顯示本發明一實施例中以一第一蒸汽沉積方法塗層的一掃描電子顯微鏡柱樣(SEM stub)上的一表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)球狀體的一取樣區的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖5A顯示本發明一實施例中的所述掃描電子顯微鏡柱樣 (SEM stub)上的一表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)球狀體的一第一取樣區的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖5B顯示圖5A的表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)球狀體的一第二取樣區。
圖5C顯示圖5A的表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)球狀體的一第三取樣區。
圖6顯示本發明一實施例中所述掃描電子顯微鏡柱樣(SEM stub)上的一晶體結構的一取樣區的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖7顯示本發明一實施例中一含奈米鋼的表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)球狀體的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖8顯示本發明一實施例中以一第二蒸汽沉積方法塗層的一掃描電子顯微鏡柱樣(SEM stub)上的一表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)球狀體的一取樣區的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖9顯示所述掃描電子顯微鏡柱樣(SEM stub)上的另一表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)球狀體的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖10顯示所述掃描電子顯微鏡柱樣(SEM stub)上帶有許多表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)球狀體的區域的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖11顯示所述掃描電子顯微鏡柱樣(SEM stub)的一金/鈀塗層區域的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖12顯示本發明一實施例中一碳透射電子顯微鏡(TEM)網格上的一石墨烯產物的一第一區域的一透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖13顯示圖12的所述石墨烯產物的一第二區域的一透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖14顯示圖12的所述石墨烯產物的一第三區域的一透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖15顯示圖12的所述石墨烯產物的一第四區域的一透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖16顯示圖12的所述石墨烯產物的一第五區域的一透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖17顯示圖12的所述石墨烯產物的一第六區域的一透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖18顯示本發明一實施例中一銅透射電子顯微鏡(TEM)網格上的一石墨烯產物的一區域的一透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖19顯示本發明一實施例中一銅透射電子顯微鏡(TEM)網格上的另一石墨烯產物的一區域的一透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖20顯示本發明一實施例中一機械加工不銹鋼凸輪從動件一無磨損表面在暴露於一潤滑劑組合物之後的表面粗糙度測量結果。
圖21顯示本發明一實施例中一機械加工不銹鋼凸輪從動件一磨損表面在暴露於一潤滑劑組合物之後的表面粗糙度 測量結果。
圖22顯示本發明一實施例中一凸輪從動件定位環的一無磨損表面的一第一部分在暴露於一潤滑劑組合物之後的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖23顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面的一第二部分的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖24顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面的一第三部分的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖25顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面的一第四部分的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖26顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面的一第五部分的一掃描電子顯微鏡(SEM)電子顯微照片。
圖27顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面的一第六部分的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖28顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面的一第七部分的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖29顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面的一第八部分的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖30顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面的一第九部分的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖31顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面的一第十部分的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖32顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面的一第十一部分的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖33顯示圖32的左邊的所述晶體結構的一第一特寫鏡頭的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖34顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面的一第十二部分的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖35顯示圖32的左邊的所述晶體結構的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖36顯示圖32的左邊的所述晶體結構的一第二特寫鏡頭的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖37顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面的一第十三部分的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖38A顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面上的一球狀體的一第一取樣區的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖38B顯示圖38A的所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)球狀體的一第二取樣區。
圖38C顯示圖38A的所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)球狀體的一第三取樣區。
圖39A顯示圖35的所述晶體結構的一第一取樣區。
圖39B顯示圖35的所述晶體結構的一第二取樣區。
圖39C顯示圖35的所述晶體結構的一第三取樣區。
圖39D顯示圖35的所述晶體結構的一第四取樣區。
圖39E顯示圖35的所述晶體結構的一第五取樣區。
圖39F顯示圖35的所述晶體結構的一第六取樣區。
圖39G顯示圖35的所述晶體結構的一第七取樣區。
圖40A顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面上的另一球狀體的一第一取樣區。
圖40B顯示圖40A的所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)球狀體的一第二取樣區。
圖40C顯示圖40A的所述表面石墨化磨料奈米顆粒(SGAN)球狀體的一第三取樣區。
圖41顯示所述凸輪從動件定位環的所述無磨損表面上的另一球狀體的一取樣區的一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
圖42顯示來自所述凸輪從動件的所述表面上的材料的一第一透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖43顯示來自所述凸輪從動件的所述表面上的材料的一第二透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖44顯示來自所述凸輪從動件的所述表面上的材料的一第三透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖45顯示來自所述凸輪從動件的所述表面上的材料的一第四透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖46顯示來自所述凸輪從動件的所述表面上的材料的一第五透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖47顯示來自所述凸輪從動件的所述表面上的材料的一第六透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖48顯示來自所述凸輪從動件的所述表面上的材料的一第七透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖49A顯示來自所述凸輪從動件的所述表面上的材料的一第八透射電子顯微鏡(TEM)圖像。
圖49B顯示圖49A的所述圖像的一左上部分的一放大圖。

Claims (39)

  1. 一種合成石墨烯的方法，包括：a)回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑及至少一種碳質材料，所述至少一種碳質材料在其完全燃燒被抑制的條件下促進多環芳烴形成；b)收集由所述反應混合物的回流產生的蒸汽；c)將所述蒸汽引導到一基體，於是石墨烯在所述基體的表面上沉積；以及d)從所述基體的表面上重新獲得石墨烯。
  2. 如請求項1所述的方法，其中促進多環芳烴形成的所述至少一種碳質材料包括吡喃糖、一呋喃糖、一環聚羧乙烯、一苯系物、一食糖、一食糖醇、一食糖替代物、一食糖衍生物、一環聚二甲基矽氧烷、一類固醇、一肉桂酸鹽、一類苯丙烷、一苯甲酸鹽、一羧酸鹽、一苯並呲喃、一天然黃酮或合成黃酮或異黃酮、一水楊酸鹽、一抗氧化劑、一環狀抗氧化劑、4-羥基苯乙烯、花色素苷或苯並吡喃鹽、一環氨基酸、一環己烷衍生物、一苯烷衍生物1,2-二羥基苯(兒茶酚)、1,3-二羥基苯(間苯二酚)、1,4-二羥基苯(對苯二酚)、一萘甲酸酯、一丙烯酸鹽、一鄰苯二甲酸鹽、一琥珀酸鹽、一酸酯、一螢光團、一藥物、一磷酸鹽、包括一食糖或食糖替代物兩親性物的一商業食用個人/性潤滑劑組合物、一商業紫外線防曬製劑、一商業皮膚霜製劑、一商業洗手消毒液製劑、一商業人類或動物毛髮護理產品、一商業染髮劑製 劑、一商業殺蟲劑、在所述反應混合物回流期間降解成一種或多種上述添加劑(或它們的組合物)的一化合物。
  3. 如請求項2所述的方法，其中促進多環芳烴形成的所述至少一種碳質材料包括一化合物，所述化合物促進至少一個C1至C5烴基(一碳至五碳烴基)的形成。
  4. 如請求項2所述的方法，其中所述溶劑包括礦物油、水、一醇類物、甲醇、合成甲醇、乙醇、異丙醇或其組合物。
  5. 如請求項2所述的方法，其中所述反應混合物進一步包括至少一種補充碳源。
  6. 如請求項5所述的方法，其中所述補充碳源包括天然石墨、合成石墨、一種或多種多環芳烴、石墨烯、活性炭、奈米煤、「活性奈米煤」、生物炭、糖炭、煤黏液、一種或多種苯系物、萘、一醇類物、甲醇、合成甲醇、乙醇、異丙醇、食糖、蔗糖、一澱粉、纖維素、一石蠟、一乙酸鹽、一種或多種非石墨烴、一烷烴、一烯烴、一炔、一酮、甲苯、汽油、柴油、煤油、煤、煤焦油、焦煤、或它們的組合物。
  7. 如請求項1所述的方法，其中所述基體包括一親水基體。
  8. 如請求項1所述的方法，其中所述條件包括熱解。
  9. 一種生產氧化石墨烯的方法，包括：a)回流一反應混合物，所述反應混合物包括至少一種溶劑、至少一種氧化劑及至少一種化合物，所述至少一種化合物在防止其完全燃燒變成二氧化碳或一氧化碳的 條件下促進多環芳烴形成；b)收集由所述反應混合物的回流產生的蒸汽；c)將所述蒸汽引導到一基體，於是氧化石墨烯在所述基體的表面上沉積；以及d)從所述基體的表面上重新獲得氧化石墨烯。
  10. 如請求項9所述的方法，其中所述條件包括熱解。
  11. 一種用於機械系統的潤滑劑組合物，包括：a)一基潤滑劑；以及b)至少一種含碳添加劑，所述含碳添加劑在所述潤滑劑組合物暴露於足以在其被使用的機械系統中創建局部熱解條件的熱量時形成在摩擦學上有效量的至少一種石墨含碳結構。
  12. 如請求項11所述的潤滑劑組合物，其中所述含碳添加劑包括一環狀分子。
  13. 如請求項12所述的潤滑劑組合物，其中所述含碳添加劑包括一芳香族分子。
  14. 如請求項12所述的潤滑劑組合物，其中所述含碳添加劑包括一烴(碳氫化合物)。
  15. 如請求項12所述的潤滑劑組合物，其中所述含碳添加劑主要由碳原子、氫原子及氧原子組成。
  16. 如請求項12所述的潤滑劑組合物，其中所述含碳添加劑包括吡喃糖、一呋喃糖、一環聚羧乙烯、一苯系物、一食糖、一食糖醇、一食糖替代物、一食糖衍生物、一環聚二甲基矽氧烷、一類固醇、一肉桂酸鹽、一類苯丙 烷、一苯甲酸鹽、一羧酸鹽、一苯並呲喃、一天然黃酮或合成黃酮或異黃酮、一水楊酸鹽、一抗氧化劑、一環狀抗氧化劑、4-羥基苯乙烯、花色素苷或苯並吡喃鹽、一環氨基酸、一環己烷衍生物、一苯烷衍生物1,2-二羥基苯(兒茶酚)、1,3-二羥基苯(間苯二酚)、1,4-二羥基苯(對苯二酚)、一萘甲酸酯、一丙烯酸鹽、一鄰苯二甲酸鹽、一琥珀酸鹽、一酸酯、一螢光團、一藥物)、一磷酸鹽、包括一食糖或食糖替代物兩親性物的一商業食用個人/性潤滑劑組合物、一商業紫外線防曬製劑、一商業皮膚霜製劑、一商業洗手消毒液製劑、一商業人類或動物毛髮護理產品、一商業染髮劑製劑、一商業殺蟲劑、在所述反應混合物回流期間降解成一種或多種上述添加劑(或它們的組合物)的一化合物。
  17. 一種用於機械系統的潤滑劑組合物，包括：a)一基潤滑劑；以及b)石墨烯，其中所述石墨烯在與所述基潤滑劑組合之前形成。
  18. 如請求項17所述的潤滑劑組合物，其中所述石墨烯通過請求項1所述的過程形成。
  19. 如請求項18所述的潤滑劑組合物，其中促進多環芳烴形成的所述至少一種碳質材料包括吡喃糖、一呋喃糖、一環聚羧乙烯、一苯系物、一食糖、一食糖醇、一食糖替代物、一食糖衍生物、一環聚二甲基矽氧烷、一類固醇、一肉桂酸鹽、一類苯丙烷、一苯甲酸鹽)、一羧酸 鹽、一苯並呲喃、一天然黃酮或合成黃酮或異黃酮、一水楊酸鹽、一抗氧化劑、一環狀抗氧化劑、4-羥基苯乙烯、花色素苷或苯並吡喃鹽、一環氨基酸、一環己烷衍生物、一苯烷衍生物1,2-二羥基苯(兒茶酚)、1,3-二羥基苯(間苯二酚)、1,4-二羥基苯(對苯二酚)、一萘甲酸酯、一丙烯酸鹽、一鄰苯二甲酸鹽、一琥珀酸鹽、一酸酯、一螢光團、一藥物、一磷酸鹽、包括一食糖或食糖替代物兩親性物的一商業食用個人/性潤滑劑組合物、一商業紫外線防曬製劑、一商業皮膚霜製劑、一商業洗手消毒液製劑、一商業人類或動物毛髮護理產品、一商業染髮劑製劑、一商業殺蟲劑、在所述反應混合物回流期間降解成一種或多種上述添加劑(或它們的組合物)的一化合物。
  20. 如請求項18所述的潤滑劑組合物，其中促進多環芳烴形成的所述至少一種碳質材料包括一化合物，所述化合物促進至少一個C1至C5烴基(一碳至五碳烴基)的形成。
  21. 如請求項18所述的潤滑劑組合物，其中所述溶劑包括礦物油、水、一醇類物、甲醇、合成甲醇、乙醇、異丙醇或其組合物。
  22. 如請求項18所述的潤滑劑組合物，其中所述反應混合物進一步包括至少一種補充碳源。
  23. 如請求項18所述的潤滑劑組合物，其中所述補充碳源包括天然石墨、合成石墨、一種或多種多環芳烴、石墨烯、活性炭、奈米煤、「活性奈米煤」、生物炭、糖炭、 煤黏液、一種或多種苯系物、萘、一醇類物、甲醇、合成甲醇、乙醇、異丙醇、食糖、蔗糖、一澱粉、纖維素、一石蠟、一乙酸鹽、一種或多種非石墨烴、一烷烴、一烯烴、一炔、一酮、甲苯、汽油、柴油、煤油、煤、煤焦油、焦煤、或它們的組合物。
  24. 如請求項18所述的潤滑劑組合物，其中所述基體包括一親水基體。
  25. 如請求項18所述的潤滑劑組合物，其中所述條件包括熱解。
  26. 一種用於機械系統的潤滑劑組合物，包括：a)一基潤滑劑；以及b)氧化石墨烯，其中所述氧化石墨烯在與所述基潤滑劑組合之前形成。
  27. 如請求項26所述的潤滑劑組合物，其中所述氧化石墨烯通過請求項9所述的過程形成。
  28. 一種用於機械系統的潤滑劑組合物，包括：a)一基潤滑劑；以及b)一種或多種「巴基金剛石」(Bucky-diamonds)，其中所述「巴基金剛石」(Bucky-diamonds)的其中之一包括鐵或一含鐵分子。
  29. 如請求項28所述的潤滑劑組合物，其中所述至少一種「巴基金剛石」(Bucky-diamond)在所述潤滑劑組合物暴露於足以創建局部熱解條件的熱量時，由至少一種含碳添加劑形成到所述基潤滑劑。
  30. 一種用於機械系統的潤滑劑組合物，包括：a)一基潤滑劑；以及b)一種或多種「巴基金剛石」(Bucky-diamonds)。
  31. 如請求項30所述的潤滑劑組合物，其中所述至少一種「巴基金剛石」(Bucky-diamond)在所述潤滑劑組合物暴露於足以在其被添加到的系統中創建局部熱解條件的熱量時，由至少一種含碳添加劑形成到所述基潤滑劑。
  32. 一種潤滑包括至少一種帶有多個粗糙實體的內摩擦表面的一機械系統的方法，所述方法包括：以包括一奈米拋光劑的一潤滑劑組合物運轉所述機械系統，以及將所有所述粗糙實體從所述機械系統的一內摩擦表面充分消除，其中所述潤滑劑組合物包括一基潤滑劑及至少一種含碳添加劑，所述至少一種含碳添加劑在所述潤滑劑組合物暴露於其被使用的所述機械系統中的局部熱解條件時形成至少一種奈米拋光劑。
  33. 如請求項32所述的方法，其中所述含碳添加劑包括一環狀分子。
  34. 如請求項32所述的方法，其中所述含碳添加劑包括一芳香族分子。
  35. 如請求項32所述的方法，其中所述含碳添加劑包括一烴(碳氫化合物)。
  36. 如請求項32所述的方法，其中所述含碳添加劑主要由碳原子、氫原子及氧原子組成。
  37. 如請求項32所述的方法，進一步包括在所述奈米拋光劑 已經將所有所述粗糙實體從所述內摩擦表面充分消除之後運轉包含所述潤滑劑組合物的所述機械系統。
  38. 如請求項32所述的方法，其中在所述奈米拋光劑進行拋光之後至少一個內摩擦表面的「平均粗糙度」(Ra)小於大約50 nm(奈米)。
  39. 如請求項38所述的方法，其中在所述奈米拋光劑進行拋光之後至少一個內摩擦表面的「平均粗糙度」(Ra)小於大約5 nm(奈米)。
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