碳作為自然界最常見的元素廣泛存在于我們身邊，其對于現有已知的所有生命系統都是不可或缺的?？梢哉f沒有碳，生命將不可能存在。 

　　碳作為最常見的元素具有多種同素異形體，例如：金剛石、石墨、足球烯、石墨烯等等。 
 

碳同素異形體

　　今天這期《科技成果推介》要和大家分享的科技成果就與其中一種碳同素異形體相關，那就是由我院潤滑技術研究所（以下簡稱“潤滑所”）研發制備的碳基潤滑材料-油溶性石墨烯。
 

科技研發

　　我們先來了解下石墨烯，看看TA都有哪些特點吧~
　　石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道構成六邊形晶格的二維材料，單層石墨烯的厚度僅0.34nm（一個碳原子厚度），二維石墨烯結構可以看做是形成所有sp2雜化碳質材料的基本組成單元，如石墨可以看做是多層石墨烯組成，碳納米管是卷成圓筒狀的石墨烯。
 

　　石墨烯具有優異的力學、熱學、電學、光學、摩擦學性能，被廣泛應用于材料科學、生物醫學、電池、復合材料和減摩潤滑等領域。石墨烯材料本身很高的機械強度，極低的層間滑動摩擦力和良好的化學穩定性決定了其可以作為一種極具潛力的潤滑材料。它既可以作為固體潤滑材料降低材料的磨損量也可以作為液體潤滑劑的添加劑提升潤滑劑的減摩抗磨性能。
　　在固體潤滑材料中石墨烯在摩擦表面形成潤滑膜后，原子級光滑的表面和較低的層間剪切強度使得石墨烯潤滑膜可以有效的降低表面間的摩擦力。
　　然而，石墨烯片層間較強的π-π鍵使其易團聚、分層，所以石墨烯在液體潤滑劑中的分散性限制了石墨烯進一步發展。
　　為了解決這一問題，我們用化學方法對石墨烯進行了改性，使其具有一定的油溶性，制備出油溶性石墨烯產品。

油溶性石墨烯制備

步驟一
　　首先制備氧化石墨烯。得到的產物示意圖如下：
 

 
氧化石墨烯結構示意圖
 

步驟二
　　通過化學反應改性氧化石墨烯，使其由水溶性變為油溶性，反應完畢后，經過后處理得到黑色固體－油溶性石墨烯（MG）。
　　分析表明制備的氧化石墨烯(GO)及油溶性石墨烯(MG)的二維尺寸為2-5 μm，厚度分別為2.6和3.1 nm。MG的FTIR光譜中，在2914和2846 cm-1處可以觀察到C-H的典型峰，在1457和1368 cm-1處出現的峰代表CH3，在710 cm-1處是(CH2)n的典型峰，這些結果證實了石墨烯上存在著典型的油溶性基團。
 

 
氧化石墨烯及油溶性石墨烯AFM及FTIR光譜圖

 

科技創新

　　在得到油溶性石墨烯后，潤滑所的小伙伴們并未停下探索的步伐，而是進行了一系列的實驗，最終得出油溶性石墨烯更好的使用方法——油溶性石墨烯/分散劑。
　　油溶性石墨烯/分散劑是指我們在使用油溶性石墨烯的同時復配分散劑，以達到更好的使用效果。具體情況就請跟隨我們的實驗結果了解下吧~
　　在基礎油（PAO6）中分別添加油溶性石墨烯、油溶性石墨烯/分散劑通過機械攪拌加超聲處理的方法使之穩定分散，結果表明油溶性石墨烯和油溶性石墨烯/分散劑在基礎油（PAO6）中的穩定分散時間分別為30天和120天。 
 

 
油溶性石墨烯及油溶性石墨烯/分散劑穩定性
 

　　當基礎油（PAO6）中油溶性石墨烯添加量為0.5 wt%時，最低摩擦系數約為0.12，與純基礎油（PAO6）（約0.18）相比，產生約33.3%的降低。添加油溶性石墨烯/分散劑的PAO6的摩擦系數約為0.10，比添加油溶性石墨烯（~0.12）的基礎油（PAO6）的摩擦系數低16.7%。這些結果表明，分散在基礎油（PAO6）中的油溶性石墨烯具有優異的減摩性能。
 

潤滑油及加入添加劑后摩擦系數變化圖
 

　　含油溶性石墨烯的基礎油（PAO6）和含油溶性石墨烯/分散劑的基礎油（PAO6）的磨損深度分別為47 nm和21 nm，分別比純基礎油（PAO6）（221 nm）低79%和90%。在基礎油（PAO6）中使用油溶性石墨烯和油溶性石墨烯/分散劑可以防止滑動過程中摩擦表面的嚴重磨損。
 

摩擦表面形貌圖
 

　　添加分散劑的油溶性石墨烯還可以改善商品油的摩擦學性能。10W-40油中添加油溶性石墨烯/分散劑后摩擦系數約為0.10，比純10W-40油的摩擦系數低9.1%。含改性油溶性石墨烯/分散劑的10W-40油的磨損痕跡深度約為39 nm比純10W-40油低32.8%
 

10W-40加入添加劑前后摩擦學數據
 

油溶性石墨烯優勢

01更好的分散穩定性
　　在制備過程中，通過使用化學合成方法對氧化石墨烯進行改性處理，可使最終得到的油溶性石墨烯具備良好的分散穩定性。同時，選用高分子無灰分散劑與之復配，進一步延長油溶性石墨烯的穩定分散時間。同類商品采用高分子穩定劑（如PVP、PSS、PDDA）分散石墨烯，但存在分散劑用量大、效果不明顯等問題，石墨烯穩定分散時間很難超過30天。
02較好的減摩抗磨損作用
　　通過化學合成方法進行改性處理的另一個優勢就是：可賦予油溶性石墨烯較好的減摩抗磨損作用。與同類產品相比，將潤滑所制備的油溶性石墨烯以相同劑量加入到基礎油（PAO6）中，磨損深度僅為同類產品的80%。
03更短的制備時間
　　制備工藝更加簡單，可大幅縮短制備時間。與其他工藝相比有效地降低了反應溫度，縮短了反應時間，有利于產品的工業化生產。

 

應用價值

　　油溶性石墨烯應用于磁流變液中，具有較好減摩抗磨效果，可有效提升磁流變液的性能表現。鑒于磁流變液廣泛應用于機械、交通 、艦船、航天、車輛、機器人、橋梁、建筑等領域的磁流變阻尼器（減振作用），其性能的提升將積極促進相關行業發展。 
 

 
磁流變液對比試驗 
 

　　除此以外，潤滑所研發制備的油溶性石墨烯可應用于潤滑脂及相關潤滑產品之中，可進一步提升其在減摩抗磨方面的性能表現。
 

潤滑技術研究所
　　潤滑所是以高端金屬加工液、潤滑油及核心功能添加劑研發及其產業化為主要目標之一的研究開發機構。以雒建斌院士為領頭人，研究團隊由清華大學摩擦學國家重點實驗室和天津高端裝備研究院兩大部分組成，長期從事納米潤滑理論、水基潤滑研究和超精密金屬表面加工潤滑液的應用技術開發，在納米潤滑成膜及納米級超精表面加工的研發領域處于國內領先水平。
　　在良好的平臺基礎和研發實力下，團隊秉承“創新引領，品質卓越，客戶至上，誠信服務”的原則，不斷研發新技術、新工藝，提高產品科技含量，逐步比肩世界先進水平；同時，深入挖掘產品應用空間，擴大應用領域，為客戶提供更優的產品和服務。

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來源|潤滑技術研究所
編輯|張澍
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