一种基于二维材料纳米片/碳量子点的水基润滑液及其制备方法与流程

本发明属于纳米润滑材料制备技术领域，涉及一种基于二维材料纳米片/碳量子点的水基润滑液及其制备方法，特别是一种采用超声空穴法制备基于二维材料纳米片/碳量子点的高分散稳定性水基润滑液的方法，制备的纳米水基润滑液具有摩擦系数超低，且制备过程环境友好、成本低廉等优点。

背景技术：
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据统计，全球每年约三分之一到二分之一的能源被消耗于各种形式的摩擦磨损过程中，润滑技术是解决这一问题的最有效方法之一。目前，常用的液体润滑剂可分为油基润滑剂和水基润滑剂，两者相比，油基润滑剂的可生物降解性差，并且容易长期在环境中存留并逐渐富集，不利于可持续发展。水基润滑剂具有成本低廉、加工表面光洁度好、导热系数高、环境兼容性好等优点，被广泛应用于精密抛光、切削和冷轧等领域，但水基润滑剂存在抗磨损性较差及腐蚀性等缺点。通过在水中加入各种功能性添加剂，可以在保证水基润滑剂独特性能的同时，避免其腐蚀性并提高其润滑及抗磨性能。

随着近几年石墨烯研究热潮的掀起，其他类石墨烯结构的二维材料也开始引起研究者的广泛关注。比如，六方氮化硼(h-BN)、层状双氢氧化物(layered double hydroxide,LDH)、过渡金属化合物(二硫化钼(MoS₂)、二硫化钨(WS₂)、二硒化钼(MoSe₂))等都是典型的无机层状材料。将这些二维材料作为润滑添加剂加入到各种油脂中，可以增加油脂的润滑性。同时，当把二维材料剥离到纳米级厚度时，这些纳米片很容易伴随摩擦过程而进入到摩擦副间，独特的层状结构又使其极易黏附在摩擦副表面，在摩擦副表面形成一层保护膜，使摩擦转而发生在黏附于摩擦副表面的二维材料薄膜之间，避免了摩擦副的直接碰撞接触，达到降低摩擦、减小磨损的效果。然而，这些二维材料固有的疏水性能，目前鲜有关于作为他们水基润滑添加剂的报道。

量子点作为零维的纳米材料，具有独特的表面效应、尺寸效应、量子限域效应等优点，还保留了原材料的性能。比如，碳量子点具有量子点的光学及电学性能，还很好的保留了碳材料的特性。同时，纳米尺寸的碳量子点在水中分散稳定性极好，相比于传统的纳米碳材料润滑添加剂，碳量子点在水基润滑添加剂领域具有更广阔的应用前景。因此，我们报道了这种能同时结合二维材料和碳量子点的优势，采用碳量子点作为表面活性剂和分散稳定剂，利用超声空穴法制备基于二维材料纳米片/碳量子点水基润滑剂的方法。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种具有超低摩擦系数且绿色环保的水基润滑液及其制备方法，采用碳量子点作为表面活性剂和分散稳定剂，利用超声空穴法制备基于二维材料纳米片/碳量子点水基润滑液。

为了实现上述目的，本发明所述基于二维材料纳米片/碳量子点的水基润滑液包括超纯水、碳量子点和二维材料纳米片，其中碳量子点占水基润滑液总质量的0.01～1.5％,二维材料纳米片占水基润滑液总质量的0.001～0.1％，其余为超纯水。

本发明制备基于二维材料纳米片/碳量子点的水基润滑液的具体过程为：

(1)以柠檬酸和尿素为原料，加入超纯水，依次搅拌、超声后得到澄清溶液，其中柠檬酸：尿素：超纯水的质量比为5～10:10:30～60，搅拌速度为100～500转/分，超声功率为20～80瓦，温度为50～95摄氏度，超声时间为50～100小时；

(2)将澄清溶液置于微波炉中反应5～10分钟，得到黑色固体反应物，加入超纯水后进行细胞粉碎30～60分钟得到碳量子点水溶液；

(3)将制备的碳量子点水溶液进行抽滤、透析后，冷冻干燥12～60小时得到碳量子点粉末；

(4)将制备的碳量子点加入到超纯水中，超声10分钟得到碳量子点水溶液；

(5)将二维材料纳米片加入到步骤(4)制备的碳量子点水溶液中，在50～95摄氏度下超声50～100小时，制备得到基于二维材料纳米片/碳量子点的水基润滑液。

本发明所述二维材料纳米片包括石墨烯、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨和二硒化钼。

本发明与现有技术相比，其制备工艺简单可控，成本低，环境友好，清洁无毒并且易于大规模生产，所制备的水基润滑摩擦系数极低，对摩擦副的适应性很好，对普通碳钢不产生腐蚀。

附图说明：

图1为本发明实施例1制备的碳量子点的高分辨透射图(a)和剪切粘度图(b)。

图2为本发明实施例1制备的石墨烯纳米片/碳量子点的高分辨透射图。

图3为本发明实施例1制备的石墨烯纳米片/碳量子点水溶液的摩擦系数图。

图4为本发明实施例2制备的二硫化钼纳米片/碳量子点水溶液的摩擦系数图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图做进一步说明。

实施例1：

本实施例以石墨﹑柠檬酸﹑尿素为原料制备石墨烯纳米片/碳量子点水基润滑液，其具体制备过程为：

(1)用现有的微波法制备碳量子点；

(2)将300mg碳量子点分散到200mL超纯水中，超声10分钟，制备出分散均匀浓度为1.5g/L的碳量子点水溶液；

(3)称取50mg石墨粉加入到步骤(2)制备的碳量子点水溶液中，超声10分钟得到分散液；

(4)将步骤(3)得到的分散液倒入250毫升的玻璃瓶中，进行超声，超声功率为80瓦，超声温度为60度，超声时间为60小时，得到石墨烯纳米片/碳量子点水基润滑液；

(5)将步骤(4)得到的石墨烯纳米片/碳量子点水基润滑液进行润滑性能测试，结果如图3所示。

实施例2：

本实施例以二硫化钼﹑柠檬酸﹑尿素为原料制备二硫化钼/碳量子点水基润滑液，其具体制备过程为：

(1)用现有的微波法制备碳量子点；

(2)将300mg碳量子点置于200mL超纯水中，超声10分钟，得出分散均匀、浓度为1.5g/L的碳量子点水溶液；

(3)称取50mg二硫化钼粉末加入到碳量子点水溶液中，超声10分钟得到分散液；

(4)将步骤(3)得到的分散液倒入250毫升的玻璃瓶中，进行超声，超声功率为80瓦，超声温度为60度，超声为时间60小时，得到水相分散液，即为二硫化钼/碳量子点水基润滑液；

(5)测试步骤(4)得到的二硫化钼/碳量子点水基润滑液的润滑性能，结果如图4所示。