碳作为自然界最常见的元素广泛存在于我们身边，其对于现有已知的所有生命系统都是不可或缺的。可以说没有碳，生命将不可能存在。 

　　碳作为最常见的元素具有多种同素异形体，例如：金刚石、石墨、足球烯、石墨烯等等。 
 

碳同素异形体

　　今天这期《科技成果推介》要和大家分享的科技成果就与其中一种碳同素异形体相关，那就是由我院润滑技术研究所（以下简称“润滑所”）研发制备的碳基润滑材料-油溶性石墨烯。
 

科技研发

　　我们先来了解下石墨烯，看看TA都有哪些特点吧~
　　石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道构成六边形晶格的二维材料，单层石墨烯的厚度仅0.34nm（一个碳原子厚度），二维石墨烯结构可以看做是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元，如石墨可以看做是多层石墨烯组成，碳纳米管是卷成圆筒状的石墨烯。
 

　　石墨烯具有优异的力学、热学、电学、光学、摩擦学性能，被广泛应用于材料科学、生物医学、电池、复合材料和减摩润滑等领域。石墨烯材料本身很高的机械强度，极低的层间滑动摩擦力和良好的化学稳定性决定了其可以作为一种极具潜力的润滑材料。它既可以作为固体润滑材料降低材料的磨损量也可以作为液体润滑剂的添加剂提升润滑剂的减摩抗磨性能。
　　在固体润滑材料中石墨烯在摩擦表面形成润滑膜后，原子级光滑的表面和较低的层间剪切强度使得石墨烯润滑膜可以有效的降低表面间的摩擦力。
　　然而，石墨烯片层间较强的π-π键使其易团聚、分层，所以石墨烯在液体润滑剂中的分散性限制了石墨烯进一步发展。
　　为了解决这一问题，我们用化学方法对石墨烯进行了改性，使其具有一定的油溶性，制备出油溶性石墨烯产品。

油溶性石墨烯制备

步骤一
　　首先制备氧化石墨烯。得到的产物示意图如下：
 

 
氧化石墨烯结构示意图
 

步骤二
　　通过化学反应改性氧化石墨烯，使其由水溶性变为油溶性，反应完毕后，经过后处理得到黑色固体－油溶性石墨烯（MG）。
　　分析表明制备的氧化石墨烯(GO)及油溶性石墨烯(MG)的二维尺寸为2-5 μm，厚度分别为2.6和3.1 nm。MG的FTIR光谱中，在2914和2846 cm-1处可以观察到C-H的典型峰，在1457和1368 cm-1处出现的峰代表CH3，在710 cm-1处是(CH2)n的典型峰，这些结果证实了石墨烯上存在着典型的油溶性基团。
 

 
氧化石墨烯及油溶性石墨烯AFM及FTIR光谱图

 

科技创新

　　在得到油溶性石墨烯后，润滑所的小伙伴们并未停下探索的步伐，而是进行了一系列的实验，最终得出油溶性石墨烯更好的使用方法——油溶性石墨烯/分散剂。
　　油溶性石墨烯/分散剂是指我们在使用油溶性石墨烯的同时复配分散剂，以达到更好的使用效果。具体情况就请跟随我们的实验结果了解下吧~
　　在基础油（PAO6）中分别添加油溶性石墨烯、油溶性石墨烯/分散剂通过机械搅拌加超声处理的方法使之稳定分散，结果表明油溶性石墨烯和油溶性石墨烯/分散剂在基础油（PAO6）中的稳定分散时间分别为30天和120天。 
 

 
油溶性石墨烯及油溶性石墨烯/分散剂稳定性
 

　　当基础油（PAO6）中油溶性石墨烯添加量为0.5 wt%时，最低摩擦系数约为0.12，与纯基础油（PAO6）（约0.18）相比，产生约33.3%的降低。添加油溶性石墨烯/分散剂的PAO6的摩擦系数约为0.10，比添加油溶性石墨烯（~0.12）的基础油（PAO6）的摩擦系数低16.7%。这些结果表明，分散在基础油（PAO6）中的油溶性石墨烯具有优异的减摩性能。
 

润滑油及加入添加剂后摩擦系数变化图
 

　　含油溶性石墨烯的基础油（PAO6）和含油溶性石墨烯/分散剂的基础油（PAO6）的磨损深度分别为47 nm和21 nm，分别比纯基础油（PAO6）（221 nm）低79%和90%。在基础油（PAO6）中使用油溶性石墨烯和油溶性石墨烯/分散剂可以防止滑动过程中摩擦表面的严重磨损。
 

摩擦表面形貌图
 

　　添加分散剂的油溶性石墨烯还可以改善商品油的摩擦学性能。10W-40油中添加油溶性石墨烯/分散剂后摩擦系数约为0.10，比纯10W-40油的摩擦系数低9.1%。含改性油溶性石墨烯/分散剂的10W-40油的磨损痕迹深度约为39 nm比纯10W-40油低32.8%
 

10W-40加入添加剂前后摩擦学数据
 

油溶性石墨烯优势

01更好的分散稳定性
　　在制备过程中，通过使用化学合成方法对氧化石墨烯进行改性处理，可使最终得到的油溶性石墨烯具备良好的分散稳定性。同时，选用高分子无灰分散剂与之复配，进一步延长油溶性石墨烯的稳定分散时间。同类商品采用高分子稳定剂（如PVP、PSS、PDDA）分散石墨烯，但存在分散剂用量大、效果不明显等问题，石墨烯稳定分散时间很难超过30天。
02较好的减摩抗磨损作用
　　通过化学合成方法进行改性处理的另一个优势就是：可赋予油溶性石墨烯较好的减摩抗磨损作用。与同类产品相比，将润滑所制备的油溶性石墨烯以相同剂量加入到基础油（PAO6）中，磨损深度仅为同类产品的80%。
03更短的制备时间
　　制备工艺更加简单，可大幅缩短制备时间。与其他工艺相比有效地降低了反应温度，缩短了反应时间，有利于产品的工业化生产。

 

应用价值

　　油溶性石墨烯应用于磁流变液中，具有较好减摩抗磨效果，可有效提升磁流变液的性能表现。鉴于磁流变液广泛应用于机械、交通 、舰船、航天、车辆、机器人、桥梁、建筑等领域的磁流变阻尼器（减振作用），其性能的提升将积极促进相关行业发展。 
 

 
磁流变液对比试验 
 

　　除此以外，润滑所研发制备的油溶性石墨烯可应用于润滑脂及相关润滑产品之中，可进一步提升其在减摩抗磨方面的性能表现。
 

润滑技术研究所
　　润滑所是以高端金属加工液、润滑油及核心功能添加剂研发及其产业化为主要目标之一的研究开发机构。以雒建斌院士为领头人，研究团队由清华大学摩擦学国家重点实验室和天津高端装备研究院两大部分组成，长期从事纳米润滑理论、水基润滑研究和超精密金属表面加工润滑液的应用技术开发，在纳米润滑成膜及纳米级超精表面加工的研发领域处于国内领先水平。
　　在良好的平台基础和研发实力下，团队秉承“创新引领，品质卓越，客户至上，诚信服务”的原则，不断研发新技术、新工艺，提高产品科技含量，逐步比肩世界先进水平；同时，深入挖掘产品应用空间，扩大应用领域，为客户提供更优的产品和服务。

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来源|润滑技术研究所
编辑|张澍
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