您好!欢迎光临先丰纳米!
产品新闻 首 页 > 新闻中心 > 产品新闻
石墨烯应用于润滑添加剂,分散是关键!
2017/9/11 11:14:31

石墨烯具有超薄的片层结构(易进入摩擦接触面)、优异的力学性能和自润滑性,这些特性使其在润滑添加剂方面的应用研究受到关注,大量研究发现适量的石墨烯作为润滑添加剂不仅可以减少摩擦系数,而且能通过摩擦吸附膜的形式显著提高润滑剂的承载抗磨性能。

但石墨烯在润滑油和水中容易产生团聚现象,从而影响了其在润滑油和水等溶剂中的分散稳定性。目前,解决石墨烯在润滑油和水等溶剂中的分散稳定性的方法主要有2种,一种是添加分散剂,利用分散剂的分散作用,使石墨烯均匀稳定地分散在溶剂中,但分散剂有时会影响石墨烯摩擦学性能的发挥;另一种是将石墨烯进行功能化修饰,增加石墨烯在溶剂中的分散稳定性,其关键是功能化分子的选择。


1、油基润滑添加剂

张永康利用肼还原氧化石墨烯制备了石墨烯,研究发现石墨烯能均匀分散在润滑油中,并使油膜厚度增加,润滑油的承载能力得以提高;同时,由于石墨烯片层间极小的剪切力,使其在滑动过程中容易在摩擦副表面形成转移膜,从而避免摩擦配副之间的直接接触,因而摩擦配副的摩擦系数和磨损率明显降低。其中石墨烯添加量为0.3%时,摩擦系数最低,约为0.043。


张伟等运用SRV试验机对比研究了150SN基础油和添加石墨烯的150SN润滑油的摩擦学性能,发现150SN基础油不能完成在设定条件下的摩擦磨损实验,而添加石墨烯的润滑油可以顺利完成摩擦磨损实验。当质量分数为0.001%时,添加石墨烯润滑油的摩擦系数较为稳定;当质量分数为0.005%,添加石墨烯的润滑油的摩擦系数变得很不稳定。其主要原因是石墨烯容易附着于摩擦副表面,形成一层低剪切力的薄膜,但当石墨烯的质量分数超过某一临界值时,基础油在摩擦副表面生成的油膜破损快于形成,导致摩擦系数不稳定。


Varrl 等研究了添加超薄石墨烯(集中太阳能放射技术制备)的润滑油的摩擦学性能,发现当石墨烯浓度为0.025 mg/mL时,其承载能力达到最高值,约为935N,摩擦系数和磨痕直径分别减小了80%和33%。


Zhang等研究了油酸改性石墨烯调配的聚α-烯烃润滑油的摩擦学性能,发现改性石墨烯质量分数为0.02%时,摩擦系数减小17%;而质量分数为0.06%时,磨斑直径减小14%。


Choudhary等制备了烷基胺共价改性氧化石墨烯,这种氧化石墨烯极易分散在非极性有机溶剂(尤其是脂肪烃类溶剂)中,其中对添加硬脂胺改性的石墨烯配制的正十六烷润滑油的摩擦学性能研究发现,当添加浓度为0.06mg/mL,正十六烷润滑剂的摩擦系数和磨斑直径分别减小26% 和9%。


Senatore等研究了氧化石墨烯纳米片在矿物润滑油中(质量百分数为0.1%),在不同赫兹接触应力、不同温度和速率下的摩擦磨损变化情况,发现在所有润滑域(边界润滑,混合润滑到弹流润滑域)氧化石墨烯均能使基础润滑油的摩擦系数降低(平均降低20%),同时使摩擦副从边界润滑,混合润滑到弹流润,其磨斑直径分别减小12%、27%和30%。



Lin等利用油酸和硬脂酸的回流反应对石墨烯片进行了改性修饰,改性修饰后的石墨烯可以均匀且稳定地分散在润滑油中,四球摩擦磨损试验发现其磨损速率和平均摩擦系数随着试验时间的延长而平稳增大,且均低于同等条件下添加天然鳞片石墨的润滑油和基础润滑油的磨损速率和平均摩擦系数,如图2所示,进一步的研究还发现当改性石墨烯质量分数为0.075%时,其无卡咬负荷PB最高,为627.2N。


尽管石墨烯和氧化石墨烯作为润滑添加剂能显著改善基础也的摩擦学性能,但有时存在易团聚的缺点。在石墨烯表面负载纳米粒子不仅可以有效抑制(氧化)石墨烯团聚,而且纳米粒子修饰的石墨烯既能保持石墨烯和纳米粒子的原有性能,又能产

生良好的协同效应。


Song等利用简单水解和高温煅烧,使α-Fe2O3表面的羧基与Fe形成单配位或双配位络合物,该络合物再与GO表面的羧基发生配位反应,从而制备了GO/α-Fe2O3复合纳米润滑添加剂,研究发现α-Fe2O3在GO表面的均匀沉积,抑制了氧化石墨烯的二次团聚。当GO/Fe2O3复合纳米润滑添加剂添加到液体石蜡基础油中,相较于α-Fe2O3、氧化石墨烯及其物理混合物,GO/α-Fe2O3复合纳米润滑添加剂不仅在摩擦表面形成润滑膜,而且GO表面负载的α-Fe2O3纳米粒子能够引起两接触面的滚动效应,将滑动摩擦变为滚动摩擦,提高了其承载能力,降低了其摩擦磨损。



其中,复合纳米润滑添加剂质量百分数为0.5%时,其减摩抗磨性能最优,如图3所示。李雪珊通过还原法制备了Cu/石墨烯复合纳米润滑添加剂,相较于纳米铜粉、石墨烯及石墨烯与纳米铜粉物理混合物,Cu-GN复合纳米润滑添加剂具有更好的抗磨性能。当Cu-GN复合纳米润滑添加剂和span-80(山梨醇脂肪酸酯)按1∶10的比例分散在10号航空液压油中,发现Cu-GN复合纳米润滑添加剂质量百分数为0.005%~0.03%时,其最大无卡咬负荷PB与基础油相比提高50%。其主要原因是石墨烯可以进入和沉积在摩擦接触表面,并在摩擦剪切力的作用下,石墨烯层与层之间发生分离,并形成一层薄薄的固体物理吸附膜,避免了两个摩擦副的直接接触,而石墨烯片层表面负载大量的均匀分散的球形纳米铜粒子,可以填充工作表面的微坑和损坏部位,起到修复作用。


2、水基润滑添加剂

Song等采用改进的Hummers方法制备了氧化石墨烯纳米片,这种氧化石墨烯纳米片不需任何分散剂或改性剂,就能在水中稳定分散。摩擦学性能试验发现这种氧化石墨烯添加剂能明显提高水的减摩抗磨性能,且性能优于氧化碳纳米管,如在60N的高载下,0.1%的氧化石墨烯水溶液的摩擦系数和磨痕宽度仅为0.5%氧化碳纳米管水溶液的67%和55%,如图4所示。


Liu等对比研究了氧化石墨烯和改性纳米金刚石颗粒作为水润滑添加剂的摩擦学性能,发现由于氧化石墨烯的层状结构和适当尺寸,其作为纯水添加剂时,使Si3N4/Al2O3陶瓷摩擦副的摩擦跑合期由纯水润滑时的2000s缩短到250s。与改性纳米金刚石颗粒比较,氧化石墨烯使Si3N4/Al2O3陶瓷摩擦副的摩擦系数显著降低,摩擦磨损试验初始跑合阶段的平均摩擦系数由0.6降低至0.1,当进入到稳态磨损阶段,其摩擦系数进一步减小至0.01,如图5所示。


王立平团队对类金刚石/离子液体/石墨烯复合空间润滑材料的摩擦学性能研究发现,当石墨烯浓度为0.075mg/mL时,复合空间润滑材料的磨损率为6.61×10-9mm3/ (N·m),摩擦系数为0.037,其中磨损率较类金刚石/离子液体降低一个数量级,摩擦系数约降低50%。


崔庆生研究了在不同载荷作用下,石墨烯和氧化石墨烯水分散体系的减摩抗磨性能,发现在试验范围内,石墨烯和氧化石墨烯水分散体系的减摩抗磨性能均有明显改善。如载荷15N时,石墨烯水分散体系的摩擦系数和磨损体积与纯水相比,分别降低22%和21.3%,氧化石墨烯水分散体系的摩擦系数和磨损体积分别降低45%和23.7%。


3、总结和展望

石墨烯以其独特的晶体结构和丰富而新奇的性能,以及广泛的应用前景,成为备受关注和瞩目的研究前沿和热点。石墨烯优异的导热性能和减摩抗磨性能以及化学惰性,使其非常适合作为高效、绿色的润滑添加剂,赋予润滑剂优异的摩擦学性能,石墨烯已成为潜在的高性能纳米润滑材料。


但石墨烯难以稳定分散于润滑剂中的特性,使其应用受限。因此,必须对石墨烯进行功能化修饰,研究人员也在这方面开展了积极而有效的工作。但石墨烯的功能化修饰方面的研究还不成熟,对各种功能化的方法和效果还缺乏系统的认识,如何根据实际需求对石墨烯进行预期和可控的功能化修饰,以及功能化修饰与其摩擦学性能的内在联系,需要在以下几个方面开展深入的研究工作。


(1)石墨烯的可控功能化修饰与分散稳定调控机理,以及功能化修饰与其摩擦学性能的内在联系。 

(2)不同层数石墨烯润滑添加剂的摩擦学性能,与润滑剂之间的摩擦化学反应机理,以及在摩擦副表面上形成摩擦化学反应膜和转移膜的物理化学变化。

(3)石墨烯负载纳米粒子功能化的结构设计、途径控制以及负载反应机理,石墨烯与负载纳米粒子协同润滑作用机理。

转自石墨烯资讯


微信扫一扫
即可在线咨询

立享在线注册,在线下单等便捷服务