本發(fā)明涉及一種固體潤(rùn)滑劑領(lǐng)域,尤其涉及一種石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑及其制備方法。
背景技術(shù):
摩擦與磨損是普遍存在的自然現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì),世界所使用的能源中大約有1/3-1/2的能源損耗于摩擦。如果能夠?qū)C(jī)械設(shè)備工作中的摩擦力減小,減少無(wú)用的摩擦損耗,那么必然可以實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)省。
二硫化鉬是一種具有典型三明治層狀結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬硫化物,其晶體結(jié)構(gòu)的層間作用力相對(duì)較弱,易發(fā)生滑動(dòng),且其露在外面的硫原子能夠與金屬形成較強(qiáng)的粘附作用,從而附著在金屬表面,減小摩擦磨損,從而起到潤(rùn)滑的作用。其缺點(diǎn)是導(dǎo)熱性差、摩擦系數(shù)還不夠低、容易析出產(chǎn)生沉淀。
近年來(lái),隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展,涌現(xiàn)出了不同圍觀形態(tài)結(jié)構(gòu)的二硫化鉬。不同微觀狀態(tài)的二硫化鉬,其性能相差較大。中國(guó)發(fā)明專利[公開(kāi)號(hào)CN100355870C]公開(kāi)了萃取溶劑熱法制取球形二硫化鉬減摩材料的方法,球狀類(lèi)富勒烯二硫化鉬可以起到“球軸承”滾動(dòng)摩擦的作用,但是二硫化鉬的球狀結(jié)構(gòu)在摩擦過(guò)程中與界面的接觸面較少,附著力較低,在機(jī)械排除作用下,很快從摩擦界面脫離,影響了其抗磨潤(rùn)滑的長(zhǎng)效性。
石墨烯納米片結(jié)構(gòu)同MoS2類(lèi)似,是摩擦系數(shù)最低和摩擦性能最高的材料,且具有高的機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率,而且不含其他腐蝕性和環(huán)境污染的元素,完全滿足潤(rùn)滑油對(duì)減摩添加劑的環(huán)保要求。將石墨烯添加到潤(rùn)滑油中,可發(fā)揮其納米材料特有的物化性能,在潤(rùn)滑油中起到承壓骨架的作用,可以顯著增強(qiáng)基體的耐磨性能,然而其減摩效果一般,而且石墨烯制備成本較高,添加量受到限制。
二硫化鉬和石墨烯具有獨(dú)特且類(lèi)似的二維層狀納米結(jié)構(gòu),兩者通過(guò)復(fù)合構(gòu)成新的異質(zhì)層間結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)存在新的相互作用,有助于獲得新的、更優(yōu)異的性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
發(fā)明要解決的問(wèn)題
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明提供了一種石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑的制備方法,制備的復(fù)合材料在具有優(yōu)異的減摩抗磨性能的同時(shí),還具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可控,制備方法簡(jiǎn)單。
用于解決問(wèn)題的方案
為實(shí)現(xiàn)以上目的,本發(fā)明提供了上述石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑的制備方法,包括以下步驟:
1)室溫下將氧化石墨烯溶液、鉬源和表面活性劑按照質(zhì)量比1:(10-20):(20-35)在溶劑中混合,然后加入硫源,攪拌均勻,得到前驅(qū)體溶液,且其中硫源和鉬源的摩爾比大于2:1;
2)將步驟1)中得到的前驅(qū)體溶液放入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中180℃-240℃,優(yōu)選為210-240℃;反應(yīng)12-36h,優(yōu)選為24-36h;
3)將步驟2)得到的懸濁液,過(guò)濾物用去離子水和無(wú)水乙醇各清洗3次,放置60℃真空烘箱中干燥12h;
4)將步驟3)中制備的產(chǎn)物放置石英舟中在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行熱處理,熱處理溫度為700-900℃,優(yōu)選為800℃;熱處理時(shí)間為1-3h,優(yōu)選為2h。
進(jìn)一步地,所述步驟1)溶劑為去離子水或乙二醇中的一種或兩種。
進(jìn)一步地,所述步驟1)中所述硫源為硫脲、硫化鈉、硫代硫酸鈉或硫化胺中的一種或任意兩種以上的組合;所述鉬源為二水合鉬酸鈉或鉬酸銨中的一種或兩種。
進(jìn)一步地,所述步驟1)表面活性劑為聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基苯磺酸鈉、聚乙烯醇中的一種或兩種以上的組合,優(yōu)選為十六烷基三甲基溴化銨或聚乙烯吡咯烷酮中的一種或兩種。
進(jìn)一步地,所述步驟3)中惰性氣體為氮?dú)?、氬氣或氮?dú)馀c氬氣的混合體。
發(fā)明的有益效果
眾所周知,石墨烯是由碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳材料,具有非常薄的納米層結(jié)構(gòu),且具有高的機(jī)械強(qiáng)度、熱導(dǎo)率以及優(yōu)異的導(dǎo)熱性。所述石墨烯的優(yōu)質(zhì)特性恰好彌補(bǔ)了二硫化鉬導(dǎo)熱性差、摩擦系數(shù)還不夠低的不足。本發(fā)明有效地將二硫化鉬與石墨烯復(fù)合,具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)本發(fā)明利用在石墨烯表面原位生成二硫化鉬,有效保證二硫化鉬在石墨烯表面或缺陷間隙的分散性以及兩者之間的粘結(jié)牢固性,由于納米薄片具有大的比表面積,進(jìn)而對(duì)摩擦界面具有良好的吸附功能,在金屬表面形成一層潤(rùn)滑膜,保障了潤(rùn)滑抗磨的長(zhǎng)效性,阻礙了摩擦副金屬間的直接接觸,同時(shí)降低了粘著磨損的可能性;(2)具有較高的導(dǎo)熱系數(shù),可將摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的熱量及時(shí)移走;(3)制備工藝簡(jiǎn)單,產(chǎn)率高,重現(xiàn)性好,且各組分之間具有優(yōu)異的分散性和穩(wěn)定性,為開(kāi)發(fā)高質(zhì)量潤(rùn)滑劑奠定基礎(chǔ)。
本發(fā)明使用Rigaku D/Max 2500X射線衍射分析儀(用Cu K靶激發(fā)(40kV,20mA)掃描范圍為10-80°,掃描速率為5°min-1)和場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡(Field-emission scanning electron microscope,FESEM)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明,以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
附圖說(shuō)明
圖1是實(shí)施例1制備的石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑的掃描電鏡圖;
圖2是實(shí)施例2制備的石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑的掃描電鏡圖;
圖3是實(shí)施例3制備的石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑的掃描電鏡圖;
圖4是實(shí)施例4制備的石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑的掃描電鏡圖;
圖5是實(shí)施例1-4制備的石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑的XRD圖;
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)描述,但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解,下列實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明,而不應(yīng)視為限定本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中未注明具體條件者,按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進(jìn)行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者,均為可以通過(guò)市購(gòu)獲得的常規(guī)產(chǎn)品。
實(shí)施例1
一種石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑,通過(guò)包括如下步驟的方法制備而成:
(1)氧化石墨烯溶液的制備
在1L干燥的燒杯中加入已稱量的5g磷片狀石墨(Sigma-Aldrich公司,下同)和3.75gNaNO3(上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,下同),強(qiáng)力機(jī)械攪拌10min。然后,將150mL98%的濃H2SO4(上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,下同)緩慢倒入上述燒杯中,繼續(xù)攪拌30min。再緩慢加入20gKMnO4(上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,下同),30min加完,攪拌20h后,體系呈現(xiàn)夾雜少量亮片(石墨)的紫紅色。放置5d后,依次加入500mL水和30mLH2O2(上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,下同),最后將反應(yīng)產(chǎn)物離心透析得到氧化石墨烯溶液。
(2)石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑的制備
1)取上述步驟(1)中1mg/mL的氧化石墨烯溶液15mg,并將其分散在80mL去離子水中,然后在其中加入300mg鉬酸鈉(上海晶純生化科技股份有限公司,下同)、800mg硫脲(上海晶純生化科技股份有限公司,下同)和525mg十六烷基三甲基溴化銨(上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,下同),室溫下攪拌均勻,得到前驅(qū)體溶液;
2)將步驟1)中得到的前驅(qū)體溶液放入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中240℃下反應(yīng)24小時(shí);
3)將步驟2)中得到的懸濁液,過(guò)濾物用去離子水和無(wú)水乙醇(上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,下同)各清洗3次,放置60℃真空烘箱中干燥12h;
4)將步驟3)中制備的產(chǎn)物放置石英舟中在氮?dú)獗Wo(hù)下進(jìn)行熱處理,熱處理溫度為800℃,熱處理時(shí)間為2h,即得到石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑A。
實(shí)施例2
制備方法基本與實(shí)施例1基本相同,不同之處在于所述步驟1)中溶劑為乙二醇(上海凌峰化學(xué)試劑有限公司,下同),表面活性劑為聚乙烯吡咯烷酮(阿拉丁試劑(上海)有限公司,下同),即得到石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑B。
實(shí)施例3
一種石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑,通過(guò)包括如下步驟的方法制備而成:
(1)氧化石墨烯溶液的制備同實(shí)施例1;
(2)石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑的制備
1)取上述步驟(1)中1mg/mL的氧化石墨烯溶液15mg,并將其分散在80mL去離子水中,然后在其中加入250mg鉬酸鈉、800mg硫脲和450mg聚乙烯吡咯烷酮,室溫下攪拌均勻,得到前驅(qū)體溶液;
2)將步驟1)中得到的前驅(qū)體溶液放入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中240℃下反應(yīng)24小時(shí);
3)將步驟2)中得到的懸濁液,過(guò)濾物用去離子水和無(wú)水乙醇各清洗3次,放置60℃真空烘箱中干燥12h;
4)將步驟3)中制備的產(chǎn)物放置石英舟中在氮?dú)獗Wo(hù)下進(jìn)行熱處理,熱處理溫度為800℃,熱處理時(shí)間為2h,即得到石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑C。
實(shí)施例4
一種石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑,通過(guò)包括如下步驟的方法制備而成:
(1)氧化石墨烯溶液的制備同實(shí)施例1;
(2)石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑的制備
1)取上述步驟(1)中1mg/mL的氧化石墨烯溶液30mg,并將其分散在80mL去離子水中,然后在其中加入300mg鉬酸鈉、800mg硫脲和600mg十六烷基三甲基溴化銨,室溫下攪拌均勻,得到前驅(qū)體溶液;
2)將步驟1)中得到的前驅(qū)體溶液放入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中240℃下反應(yīng)24小時(shí);
3)將步驟2)中得到的懸濁液,過(guò)濾物用去離子水和無(wú)水乙醇各清洗3次,放置60℃真空烘箱中干燥12h;
4)將步驟3)中制備的產(chǎn)物放置石英舟中在氮?dú)獗Wo(hù)下進(jìn)行熱處理,熱處理溫度為800℃,熱處理時(shí)間為2h,即得到石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑D。
對(duì)比例1
一種石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑,通過(guò)包括如下步驟的方法制備而成:
(1)氧化石墨烯溶液的制備同實(shí)施例1;
(2)石墨烯/二硫化鉬納米潤(rùn)滑劑的制備
1)取上述步驟(1)中1mg/mL的氧化石墨烯溶液15mg,并將其分散在80mL去離子水中,然后在其中加入300mg鉬酸鈉、800mg硫脲,室溫下攪拌均勻,得到前驅(qū)體溶液;
2)將步驟1)中得到的前驅(qū)體溶液放入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中240℃下反應(yīng)24小時(shí);
3)將步驟2)中得到的懸濁液,過(guò)濾物用去離子水和無(wú)水乙醇各清洗3次,放置60℃真空烘箱中干燥12h;
4)將步驟3)中制備的產(chǎn)物放置石英舟中在氮?dú)獗Wo(hù)下進(jìn)行熱處理,熱處理溫度為800℃,熱處理時(shí)間為2h,即得到石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑E。
對(duì)比例2
制備方法基本與實(shí)施例1基本相同,不同之處在于所述步驟2)中將前驅(qū)體溶液放入聚四氟乙烯反應(yīng)釜中,在100℃下反應(yīng)24小時(shí),即得到石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑F。
在60℃的溫度下,石墨烯/二硫化鉬復(fù)合潤(rùn)滑劑A-F按照重量比1.5%添加進(jìn)入礦物油150N中,連續(xù)攪拌1h,冷卻至室溫,得到組合物Ⅰ-Ⅵ。
本發(fā)明所制備的組合物Ⅰ-Ⅵ,經(jīng)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證見(jiàn)表1。
表1
如表1所示,由實(shí)施例1-4制備的二硫化鉬/石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑劑在四球極壓試驗(yàn)中,PB值和PD值較高,摩擦系數(shù)比較小,即表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨耐磨性能和抗重載荷性能。然而,由對(duì)比例1制備的組合物Ⅴ,相對(duì)于組合物Ⅰ-Ⅳ,其PB值和PD值減小,摩擦系數(shù)增大,這是因?yàn)樗疅徇^(guò)程中沒(méi)有表面活性劑作為軟模板,納米薄片易發(fā)生聚集,比表面積減小,附著力下降,進(jìn)而增加了粘著磨損的可能性。由對(duì)比例2制備的組合物Ⅵ,由于水熱溫度為100℃,水熱釜內(nèi)產(chǎn)生的氣體壓力較小,影響了表面活性劑對(duì)二硫化鉬/石墨烯復(fù)合潤(rùn)滑劑結(jié)構(gòu)的有效可控合成,進(jìn)而組合物的極壓潤(rùn)滑性能有所減弱。