一种高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油及其制备方法与流程

本发明属于高分子及其应用领域，涉及一种高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油，还涉及该石墨烯润滑油的制备方法。

背景技术：

近年来，石墨烯优异的摩擦性能已引起了人们越来越多的关注，其片层滑动、摩擦磨损机理及在摩擦领域的应用已有诸多研究和报道。随着科学技术的发展，尤其是近年来石墨烯技术的提升，石墨烯添加剂技术已经进入到润滑油领域。石墨烯作为抗磨剂的应用，可以使低粘度机油更加普及，从而帮助汽车更加节能、环保。然而，石墨烯化学稳定性高，与其他介质相互作用较弱，且层间存在很大的范德华引力，虽然能够一定程度提高润滑油的润滑性能，但是提高制得的润滑油稳定性差，久置后会形成团聚物使润滑油的润滑性能降低，给石墨烯的进一步应用造成了极大的困难，因此，亟待解决的问题是如何实现石墨烯均匀稳定地分散在油品里，从而获得一种稳定性、减磨性和机械保护性能好的石墨烯润滑油。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油以及提供该石墨烯润滑油的制备方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油，按重量份计包括如下组分：去价电子改性石墨烯0.3～1.5份、分散剂0.05～0.5份、亲和剂0.05～1份和基础油100份。

进一步，所述去价电子改性石墨烯为氟化石墨烯、氮化石墨烯、硫化石墨烯、硼化石墨烯、磷化石墨烯、硅化石墨烯中的一种。

进一步，所述分散剂为硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、脂肪酸甘油酯和季铵化物中的一种或多种，所述亲和剂为含铝酸锆的低分子量的无机聚合物以及不饱和有机酸与三价铬离子形成的金属铬络合物中的一种。

优选的，对所述去价电子改性石墨烯加入Bi₂O₃或Sb₂O₃进行掺杂。

更优选的，所述Bi₂O₃或Sb₂O₃的添加量0.03-0.15份。

进一步，所述基础油为矿物基础油、合成基础油和植物油基础油中的一种或多种。

2、一种高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油的制备方法，包括如下步骤：

(1)将去价电子改性石墨烯、分散剂、降凝剂按配比分步加入基础油中，超声震荡，得混合物；

(2)将亲和剂按配比加入到步骤(1)所得混合物中，进行微波处理，得到高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油的润滑油。

进一步，步骤(1)之前将Bi₂O₃或Sb₂O₃加入去价电子改性石墨烯进行掺杂。

进一步，步骤(1)中所述超声频率为20kHz～1MHz，功率为30W～15kW，搅拌至少1h；步骤(2)中所述微波处理温度50℃～95℃，微波辐射的单位体积功率为200W/L～6000W/L，处理时间1h～4h。

本发明的有益效果在于：本发明公开了一种高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油，通过在基础油中加入去价电子改性石墨烯，由于去价电子后的石墨烯降低了石墨烯层间的分子间作用力，降低了片层的堆叠，改变了石墨烯相互吸引的特性，有效地解决石墨烯团聚的问题，有利于石墨烯在润滑油中的分散，因此制成润滑油后具有很好的稳定性。

由于石墨烯分散性问题得到解决，制得的润滑油在润滑性能得到提升，抗磨性能优异，同时由于还添加了两亲性亲和剂，一端与金属吸附，另一端与石墨烯吸附，在机械运动中润滑油会快速在机械表面形成一层在石墨烯油膜，不产生直接摩擦，从而对运动机械部件起到保护作用，延长机械部件的使用寿命，实现节省燃油，降低排放，更加环保。

使用Bi₂O₃或Sb₂O₃具有高电子亲合性的金属氧化物来掺杂石墨烯，电子从石墨烯层转移到金属氧化物膜，石墨烯和金属氧化物之间的界面电荷转移导致了石墨烯中的不成对电子的形成，在石墨烯层中形成空穴累积层。更加破环了石墨烯片层之间的吸引作用，进一步降低了石墨烯片层间的堆叠，并且使用Bi₂O₃或Sb₂O₃来掺杂具有过量空穴的石墨是保持石墨烯特性的幼小的、非破坏性的手段，金属氧化物在空气和溶液中具有极好的热稳定性和化学稳定性，因此包含Bi₂O₃或Sb₂O₃的石墨烯适合于在润滑油在严苛环境中的应用。

本发明还公开了高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油的制备方法，本发明的方法先通过超声的机械作用促进石墨烯和助剂的均匀分散，而后再进行微波处理加强润滑油各组分中的内部原子运动，实现内部偶极分子高频往复运动，进一步提高改性石墨烯润滑油的分散性能，该制备方法简单，适用于工业化生产。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为温度对比波形图；

图2为摩擦系数对比波形图；

图3为摩擦阻力波形图；

图4为润滑油挥发波形图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

一种高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油，按重量份计包括如下组分：氟化石墨烯0.3份、硬脂酸0.05份、TL-1铝锆偶联剂0.05份和基础油100份。

一种分散性能好的改性石墨烯润滑油的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氟化石墨烯和分散剂按配比分步加入基础油中，超声震荡，得混合物。超声频率为1MHz，功率为30W，搅拌1h。

(2)将TL-1铝锆偶联剂加入到步骤(1)所得混合物中，进行微波处理，得到分散性能好的改性石墨烯润滑油的润滑油。微波处理温度95℃，微波辐射的单位体积功率为200W/L，处理时间4h。

实施例2

一种高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油，按重量份计包括如下组分：氮化石墨烯1份、脂肪酸甘油酯0.3份、TL-2铝锆偶联剂0.15份和基础油100份。

一种分散性能好的改性石墨烯润滑油的制备方法，包括如下步骤：

(1)先将0.1份Sb₂O₃加入氮化石墨烯中进行掺杂。

(2)将步骤1得到的去价电子石墨烯和分散剂按配比分步加入基础油中，超声震荡，得混合物。超声频率为20kHz，功率为15kW，搅拌1.2h。

(3)将TL-2铝锆偶联剂加入到步骤(2)所得混合物中，进行微波处理，得到分散性能好的改性石墨烯润滑油的润滑油。微波处理温度50℃，微波辐射的单位体积功率为6000W/L，处理时间1h。

实施例3

一种高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油，按重量份计包括如下组分：硫化石墨烯1.5份、脂肪酸甘油酯0.2份、聚丙烯酸酯0.2份、TL-3铝锆偶联剂0.5份和基础油100份。

一种分散性能好的改性石墨烯润滑油的制备方法，包括如下步骤：

(1)先将0.15份Bi₂O₃加入硫化石墨烯中进行掺杂。

(2)将步骤1得到的去价电子石墨烯、分散剂按配比分步加入基础油中，超声震荡，得混合物。超声频率为20kHz，功率为15kW，搅拌1.2h。

(3)将TL-3铝锆偶联剂加入到步骤(2)所得混合物中，进行微波处理，得到分散性能好的改性石墨烯润滑油的润滑油。微波处理温度50℃，微波辐射的单位体积功率为6000W/L，处理时间1h。

实施例4

一种高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油，按重量份计包括如下组分：硼化石墨烯1份、硬十二烷基苯磺酸钠0.4份、烷基萘0.5份、甲基丙烯酸氯化铬络合物0.3份和基础油100份。

一种分散性能好的改性石墨烯润滑油的制备方法，包括如下步骤：

(1)先将0.1份Bi₂O₃加入硼化石墨烯中进行掺杂。

(2)将步骤1得到的去价电子石墨烯、分散剂按配比分步加入基础油中，超声震荡，得混合物。超声频率为20kHz，功率为15kW，搅拌1.2h。

(3)将甲基丙烯酸氯化铬络合物加入到步骤(2)所得混合物中，进行微波处理，得到分散性能好的改性石墨烯润滑油的润滑油。微波处理温度75℃，微波辐射的单位体积功率为4500W/L，处理时间1h。

实施例5

一种高分散性和高亲和性的改性石墨烯润滑油，按重量份计包括如下组分：磷化石墨烯0.5份、硬脂酸0.1份、长链烷基酚0.6份、甲基丙烯酸氯化铬络合物0.1份和基础油100份。

一种分散性能好的改性石墨烯润滑油的制备方法，包括如下步骤：

(1)先将0.05份Bi₂O₃加入磷化石墨烯中进行掺杂。

(2)将步骤1得到的去价电子石墨烯、分散剂按配比分步加入基础油中，超声震荡，得混合物。超声频率为500kHz，功率为5kW，搅拌1.5h。

(3)将甲基丙烯酸氯化铬络合物加入到步骤(2)所得混合物中，进行微波处理，得到分散性能好的改性石墨烯润滑油的润滑油。微波处理温度90℃，微波辐射的单位体积功率为3500W/L，处理时间1.1h。

将实施例1～5和传统石墨烯润滑油(下称传统润滑油)的性能进行比较。结果如图1-4所示。

结果分析：图1温度对比图是体现每个时间阶段的温度，在检测过程中摩擦系数越大，产生的温度越高，摩擦系数越小，产生的温度越低，由图1可以看出，传统润滑油13分钟就达到150度的高温，而实施例1-5的高分散性能的改性石墨烯润滑油在20分钟最低能达到103度，最高达113.5度，由此可见，改性石墨烯润滑油的润滑性能远高于传统润滑油。

图2摩擦系数对比波形图是体现每个时间阶段的摩擦系数，由图2可知，传统润滑油的摩擦系数远高于实施例1-5的高分散性能的改性石墨烯润滑油，不管发动机冷启动及正常运行中，实施例1-5的高分散性能的改性石墨烯润滑油都远优于传统润滑油，摩擦系数越大，发动机的磨损越大，使用寿命越短，反之摩擦系数越小，使用寿命越长，由此可见，本发明的改性石墨烯润滑油的摩擦性能远高于传统润滑油，能显著延长发动机的使用寿命。

图3摩擦阻力波形图是直观体现每个时间阶段的运行阻力系数，润滑油的润滑性能越好，其阻力越小，发动机升功率就越强，反之，阻力越大，升功率就会降低，动力就会减小，油耗就会增大。由图3中可以看出，实施例1-5的高分散性能的改性石墨烯润滑油机械运动阻力极小，其节能性优势明显。

图4润滑油挥发波形图是直观体现每个时间阶段的润滑油挥发值，由图4可以看出，传统润滑油的挥发值远高于实施例1-5的高分散性能的改性石墨烯润滑油，润滑油的挥发值越高，发动机内部产生的泥积碳就会越多，润滑油的消耗就会越多。由此可见，本发明的高分散性能的改性石墨烯润滑油挥发值低，泥积碳少，其节能性优势明显。

由图1-4还可以看出，采用Bi₂O₃或Sb₂O₃具有高电子亲合性的金属氧化物来掺杂的石墨烯(实施例2-5)制得的润滑性能优于未掺杂的石墨烯制得的润滑油(实施例1)。

由上述结果可以看出，本发明实施例1～5制得的高分散性能的改性石墨烯润滑油的润滑性能远高于传统润滑油，并且摩擦系数更低，能延长发动机寿命，机械阻力小，其节能性优势明显。

然后根据ASTM D92-12b GB/T 3536-2008测试实施例1～5和传统润石墨烯滑油的闪点，根据ASTM D97-15测试倾点，结果见表1：

表1、倾点、闪点统计表

由表1可知，实施例1～5制得的润滑油倾点均低于传统润滑油倾点，表明使用改性石墨烯制得的润滑油在相对低温下具有较好的流动性，能够适用于更低的温度使用。从闪点检测结果来看，实施例1～5制得的润滑油闪点高于传统润滑油闪点，表明使用改性石墨烯制得的润滑油适用于更高的温度。因此，采用本发明的方法制得的改性石墨烯润滑油适用温度范围更广。

然后再测试实施例1～5和传统润滑油的Zeta电位值，结果见表2：

表2、Zeta电位值统计表

由表2可知，实施例1～5制得润滑油的Zeta电位值均高于传统润滑油的Zeta电位值，由于Zeta电位值是对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量，在Zeta电位绝对值在10～30mV下体系不稳定，绝对值高于30mV后，随着绝对值升高体系越稳定。因此，上述结果表明本发明实施例1～5制得的润滑油体系越稳定性好，即改性石墨烯的分散性能好。

接着检测实施例1～5制得润滑油的粒径，结果显示本发明实施例1～5制得润滑油粒径为60.55～101.2nm。同时以未经过超声和/或微波处理的润滑油作为对照，结果显示，不采用超声和微波制得的润滑油粒径为776.5～776.6nm，经超声处理后润滑油粒径为448.7～461.2nm，经微波处理后润滑油粒径为402.6～418.5nm。可以看出，使用本发明方法制得的润滑油由于粒径在稳定胶体范围内，因此稳定性更好。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。