含有奈米石墨片的润滑油的制作方法
【专利摘要】一种含有奈米石墨片的润滑油，包含润滑油脂以及多个奈米石墨片，奈米石墨片充分分散于润滑油脂中，占整体重量比为0.0001wt%至10wt%，奈米石墨片的长度或宽度在1um至100um、厚度在10nm至100nm，奈米石墨片包含N个相互堆叠的石墨烯层以及至少一表面改质层，其中N为30至300，利用物理性质介于单层石墨烯与天然石墨之间的奈米石墨片，添加于润滑油脂中，由于奈米石墨片经由表面改质，且其本身的聚集效应也不像石墨烯容易聚集，避免了凡德瓦尔力的影响，而能使得奈米石墨片能充分分散于润滑油脂中，同时藉由类似石墨烯的奈米特性，达到良好的导热效果。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种润滑油，尤其藉由其所含有的奈米石墨片而达到良好导热效果。 含有奈米石墨片的润滑油
【背景技术】
[0002] 单层石墨，又称为石墨烯（graphene)，是一种由单层碳原子以石墨键（sp2)紧密 堆积成二维蜂窝状的晶格结构，因此仅有一个碳原子的厚度，石墨键为共价键与金属键的 复合键，可说是绝缘体与导电体的天作之合。2004年英国曼彻斯特大学Andre Geim与 Konstantin Novoselov成功利用胶带剥离石墨的方式，证实可得到单层的石墨烯，并获得 2010年的诺贝尔物理奖。石墨烯是目前世界上最薄也是最坚硬的材料，导热系数高于奈米 碳管与金刚石，常温下其电子迁移率亦比奈米碳管或硅晶体高，电阻率比铜或银更低，为目 前世界上电阻率最小的材料。
[0003] 石墨烯的制备方法可分为剥离石墨法、直接生长法与奈米碳管转换法三大类，其 中剥离石墨法可制得石墨烯粉体，而这类方法当中最适合应用于量产制程的主要为氧化还 原法，此方法的原理是先将石墨材料氧化，形成石墨氧化物，再进行包括了分离与还原的处 理，以得到石墨烯。
[0004] 美国专利案20050271574即揭露一种石墨烯的制备方法，是将天然石墨经由强酸 插层之后，瞬间接触高温热源使天然石墨剥离，最后再以高能球磨的方式完全剥离天然石 墨以得到石墨烯粉体。不论以何种方式制备石墨烯粉体，由于石墨烯的先天奈米结构，不仅 制备方式复杂、污染严重，且奈米材料的堆积密度甚低，以石墨烯而言，其堆积密度远小于 O.Olg/cm3,亦即体积庞大，且容易因凡德瓦尔力产生大量团聚，即便具有非常优异的各项 物理特性，对于量产乃至于工业应用而言，都是非常棘手的难题，不仅难以发挥其特性，甚 至造成衍生产品的负面效果。
[0005] 美国专利案US8222190揭露一种添加石墨烯的润滑油，依据实施例所述，将润滑 油当中添加5wt%的石墨烯，相对于添加相同量的奈米石墨颗粒或奈米碳管，可使润滑油的 磨擦系数下降一半以上。然而，正因为石墨烯易于团聚，因此该方法需添加至5wt%才能够 显现效果。
【发明内容】
[0006] 本发明的主要目的是提供一种含有奈米石墨片的润滑油。本发明含有奈米石墨 片的润滑油包含润滑油脂以及多个奈米石墨片，该奈米石墨片充分分散于润滑油脂中，占 整体重量比为0· OOOlwt%至10wt%，且其中各该奈米石墨片的长度或宽度在lum至100um， 而其厚度在l〇nm至100nm。奈米石墨片包含N个相互堆叠的石墨烯层以及至少一表面改 质层，表面改质层设置于该相互堆叠的石墨烯层的最上及/或最下的表面，其中N为30至 300,而使得奈米石墨片的平面横向尺寸与厚度的比值在10至10000的区间。
[0007] 表面改质层至少包含表面改质剂，表面改质剂可以为偶合剂、脂肪酸及树脂的至 少其中之一。表面改质剂的化学特征是包括至少二官能基，分别位于表面改质剂的二端，该 至少二官能基的一官能基与奈米石墨片表面残余的有机官能基产生化学键结，该至少二官 能基的另一官能基形成奈米石墨片的表面特性，从而改变奈米石墨片的表面特性，使奈米 石墨片于润滑油脂中均匀分散。
[0008] 本发明利用物理性质介于单层石墨烯与天然石墨之间的奈米石墨片，添加于润滑 油脂中，由于奈米石墨片经由表面改质，且其本身的聚集效应也不像石墨烯容易聚集，避免 了凡德瓦尔力的影响，而能使得奈米石墨片能充分分散于润滑油脂中，同时藉由类似石墨 烯的奈米特性，达到良好的导热效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1是本发明含有奈米石墨片的润滑油的示意图；
[0010] 图2是图1中奈米石墨片的放大侧视图；
[0011] 图3(a)为显示实例制程的中间产物奈米石墨片结构的SEM照片；
[0012] 图3(b)为显示天然石墨片结构的SEM照片；
[0013] 图4为实例制程的中间产物奈米石墨片结构的TEM照片；
[0014] 图5为显示实例制程的中间产物奈米石墨片结构与天然石墨的X射线绕射分析对 照结果；
[0015] 图6为本发明奈米石墨片的红外线吸收图谱。
[0016] 其中，附图标记说明如下：
[0017] 1奈米石墨片的润滑油
[0018] 10润滑油脂
[0019] 20奈米石墨片
[0020] 21石墨烯层
[0021] 23表面改质层
【具体实施方式】
[0022] 以下配合图式及组件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，以使熟悉本领域 的技术人员在研读本说明书后能据以实施。
[0023] 参考图1，为本发明含有奈米石墨片的润滑油的示意图。如图1所示，本发明含有 奈米石墨片的润滑油1包含润滑油脂10以及多个奈米石墨片20,该奈米石墨片20充分分 散于润滑油脂10中，占整体重量比为〇. 〇〇〇lwt%至10wt%，且其中各该奈米石墨片20的长 度或宽度在lum至lOOum，而其厚度在10nm至100nm。
[0024] 进一步地，本发明含有奈米石墨片的润滑油1还进一步包含分散剂及/或表面亲 合剂，以增加润滑油脂10与所述奈米石墨片20的分散/亲合效果。分散剂具有二端，该二 端的其中之一端具有一长碳链及一苯基的至少其中之一，该二端的其中之另一端具有一磺 酸根官能基、一胆酸根官能基及一羧基的至少其中之一。经实际测试，本发明含有奈米石墨 片的润滑油的热传导系数大于〇. 2W/mK。
[0025] 参考图2,为图1中奈米石墨片20的放大侧视图。如图2所示，奈米石墨片20包 含N个相互堆叠的石墨烯层21以及至少一表面改质层23,表面改质层23设置于该相互堆 叠的石墨烯层21的最上及/或最下的表面。N为30至300,而使得奈米石墨片20的平面 横向尺寸与厚度的比值（L/T)在10至10000的区间。
[0026] 表面改质层23至少包含表面改质剂，表面改质剂包括至少二官能基，分别位于表 面改质剂的-端，该至少-官能基的一官能基与石墨稀层21表面残余的有机官能基广生 化学键结，该至少二官能基的另一官能基形成奈米石墨片20的表面特性。如此，该奈米石 墨片20的表面特性即被改变，因而得以使奈米石墨片20于润滑油脂10中均匀分散，表面 改质层23为占奈米石墨片20重量的重量百分比0. 02至20. 0%之间，较佳为0. 1-10. 0%之 间。
[0027] 表面改质剂包含偶合剂、脂肪酸及树脂的至少其中之一。偶合剂一般由二部分组 成，其中包含一亲无机基团及一亲有机基团，亲无机基团用以与无机填充物接合，而亲有机 基团可与有机树脂作用，常见的偶合剂有硅烷类、钛酸酯类、锆酸酯类、铝锆酸酯类、铝酸酯 类、铬酸酯类，其中以硅烷类最为常见。进一步地，以化学式来表明，偶合剂的结构为M X(R) y(R'）z，其中Μ为一金属元素，R为一亲水性官能基，R'为一亲油性官能基，其中0 = X = 6， 1兰y兰20,且1兰z兰20。偶合剂的R的一端与Μ键结，而R可水解产生另一端对应的亲 水性官能基，使其与奈米石墨片20的表面产生化学键结。R'的一端与Μ键结，另一端透过 上述不同性质的官能基团，即可使奈米石墨片20的表面产生不同于天然石墨或是石墨烯 粉体的特性，尤其易分散于有机载体中或与有机高分子反应。
[0028] 又，其中R为选自烷氧基、羰基、羧基、酰氧基、酰氨基、伸烷氧基及伸烷氧羧基的 其中之一。Μ为选自铝、钛、锆及硅的其中之一。R'为选自乙烯基、脂肪环氧烷基、苯乙烯 基、甲基丙烯酰氧基、丙烯酰氧基、脂肪基胺基、氯丙烷基、脂肪基氢硫基、脂肪基硫离子基、 异氰酸基、脂肪基尿素基、脂肪基羧基、脂肪基羟基、环己烷基、苯基、脂肪基甲酰基、乙酰基 及苯甲酰基的其中之一。
[0029] 表面改质剂也可选用1?碳数的脂肪酸，其亦具备有相对-端的-官能基，一官能 基可与石墨烯粉体表面进行反应，同时另一官能基形成不同于纯石墨烯粉体的表面特性， 该高碳数脂肪酸为选自硬脂酸及油酸的其中之一。此外，表面改质剂可选用树脂，由于树脂 具备多样官能基，因此可提供与纯石墨烯粉体表面不同的表面特性，该树脂为选自环氧树 月旨、聚氨基甲酸乙酯树脂、硅树脂、酚树脂及聚酯树脂的其中之一。
[0030] 下面以实际实例说明本发明的奈米石墨片20的制作。
[0031] 首先是取5克天然石墨混入去离子水中，再加入1mm的氧化锆研磨球，以行星式球 磨机研磨6小时，再改以0. 1mm的氧化锆研磨球继续研磨12小时，干燥之后即可得到一奈 米石墨片结构，该奈米石墨片结构的振实密度为0.07g/cm 3。图3 (a)为显示奈米石墨片结 构的SEM照片，而图3(b)为显示天然石墨片结构的SEM照片，经比较可知，两者的厚度有极 大的差异，奈米石墨片结构的厚度降为80nm左右，而平面横向的尺寸约为lOum，因此平面 横向尺寸与厚度的比值约为125。图4为奈米石墨片结构的TEM照片，显示其为一可透光 的薄片。使用氮氧分析仪可测得该奈米石墨片结构1的氧含量约为2. 5wt%，将此奈米石墨 片结构利用BET法测定其比表面积为23m2/g。图5为显示奈米石墨片结构与天然石墨的X 射线绕射分析对照结果，可看到有石墨特征峰，而（002)晶面的特征峰半高宽为0.296,天 然石墨则为0. 182,显示奈米石墨片结构具有偏向奈米材料的结构特性。
[0032] 将上述奈米石墨片结构添加十二烷基苯磺酸盐作为表面改质剂，静置后在奈米石 墨片结构的表面上形成表面改质层23,而完成本发明的奈米石墨片20。
[0033] 图6为本发明奈米石墨片的红外线吸收图谱，显示在添加表面改质剂后，红外线 吸收图谱中可看到长碳链的吸收位置，显示奈米石墨片的表面存在有一含有长碳链的官能 基。
[0034] 再将本发明的奈米石墨片20充分分散于润滑油脂10中，进一步添加分散剂及/ 或表面亲合剂，而能得到本发明含有奈米石墨片的润滑油1。
[0035] 实例1-5为本发明含有奈米石墨片的润滑油的实例，以不同分散剂的成分，来评 估添加分散剂于含有奈米石墨片的润滑油中的性能表现，其中该分散剂为选用油酸，制作 方法为将表面改质的奈米石墨片依不同比例分别加入润滑油中，经由机械物理混合，如均 质机、搅拌机、超音波震荡机处理后使奈米石墨片均匀分散于润滑油，再由四球试验机测量 摩擦系数。其中，不同奈米石墨片的含量对润滑油的摩擦系数影响整理于表1。由摩擦系数 比较得知，仅需添加〇. 〇〇〇6wt%的奈米石墨片即可大幅提升润滑油的润滑性，过多的奈米 石墨片添加于润滑油将反而导致摩擦系数上升，添加奈米石墨片同时有助于减少摩擦热的 生成，可有效降低工件操作时的温度，延长工件的寿命。因此添加奈米石墨片粉体于润滑油 不仅有助于提升其性能，更由于添加量仅小于〇. OOlwt%即可产生明显效果，对整体成本影 响有限。
[0036] [表 1]
[0037]
【权利要求】
1. 一种含有奈米石墨片的润滑油，其特征在于，该润滑油包含： 一润滑油脂；以及 多个奈米石墨片，充分分散于润滑油脂中，占整体重量比为0. OOOlwt%至10wt%，各该 奈米石墨片的长度或宽度在lum至lOOum，而其厚度在10nm至lOOnm，各该奈米石墨片包含 N个相互堆叠的石墨烯层以及至少一表面改质层，该至少一表面改质层设置于所述相互堆 叠的石墨烯层的最上及/或最下的表面， 其中，N为30至300,该至少一表面改质层包括一表面改质剂，包括至少二官能基，分别 位于该表面改质剂的-端，该至少-官能基的一官能基与所述石墨稀层表面的有机官能基 产生化学键结，该至少二官能基的另一官能基形成该奈米石墨片的表面特性。
2. 如权利要求1所述的含有奈米石墨片的润滑油，其特征在于，该表面改质剂为包含 偶合剂、脂肪酸及树脂的至少其中之一。
3. 如权利要求2所述的含有奈米石墨片的润滑油，其特征在于，该偶合剂的结构 SMx(R)y(R'）z，其中Μ为一金属元素，R为一亲水性官能基，R'为一亲油性官能基，其中 〇刍X刍6,1刍y刍20,且1刍ζ刍20。
4. 如权利要求3所述的含有奈米石墨片的润滑油，其特征在于，Μ为选自铝、钛、锆及硅 的其中之一，R为选自烷氧基、羰基、羧基、酰氧基、酰氨基、伸烷氧基及伸烷氧羧基的其中之 一，而R'为选自乙烯基、脂肪环氧烷基、苯乙烯基、甲基丙烯酰氧基、丙烯酰氧基、脂肪基胺 基、氣丙烧基、脂肪基氢!硫基、脂肪基硫尚子基、异氛酸基、脂肪基尿素基、脂肪基竣基、脂肪 基羟基、环己烷基、苯基、脂肪基甲酰基、乙酰基及苯甲酰基的其中之一。
5. 如权利要求2所述的含有奈米石墨片的润滑油，其特征在于，该脂肪酸为选自硬脂 酸及油酸的其中之一。
6. 如权利要求2所述的含有奈米石墨片的润滑油，其特征在于，该树脂为选自环氧树 月旨、聚氨基甲酸乙酯树脂、硅树脂、酚树脂及聚酯树脂的其中之一。
7. 如权利要求1所述的含有奈米石墨片的润滑油，其特征在于，该表面改质剂为占各 该奈米石墨片重量的重量百分比〇. 1-10. 〇wt%之间。
8. 如权利要求1所述的含有奈米石墨片的润滑油，其特征在于，进一步包含至少一分 散剂及/或一表面亲合剂。
9. 如权利要求8所述的含有奈米石墨片的润滑油，其特征在于，该分散剂具有二端，该 二端的其中之一端具有一长碳链及一苯基的至少其中之一，该二端的其中之另一端具有一 磺酸根官能基、一胆酸根官能基及一羧基的至少其中之一。
10. 如权利要求1所述的含有奈米石墨片的润滑油，其特征在于，含有奈米石墨片的润 滑油的热传导系数大于0. 2W/mK。
【文档编号】C10M177/00GK104109569SQ201310140429
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月22日 优先权日:2013年4月22日
【发明者】吴以舜, 谢承祐, 林君孟, 余陈欣 申请人:安炬科技股份有限公司