[发明专利]一种原位制备石墨烯水基润滑剂的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种原位制备石墨烯水基润滑剂的方法，具体是一种在表面改性剂水溶液中原位制备石墨烯并用作润滑剂的技术。属于石墨烯用作纳米润滑添加剂的应技术领域。

背景技术：

在金属材料加工工业领域，为提高效率及加工精度、改善产品质量、减少磨损、降低摩擦，要选用适当的润滑剂，具体分为油基型与水基型两种。两者相比，水基润滑剂因其冷却性好、适合高速加工条件、加工表面光洁度好、环境兼容性好等优点而被广泛应用。但同时由于其自身润滑性及抗磨性较差，所以只能适用于轻加工负荷的场合。目前，水基润滑剂润滑及抗磨性能的提高主要依赖于增加其中乳化油的含量，形成乳化液，从而提高润滑薄膜的强度，而这必然会导致水基润滑剂各项优势性能的降低。因此，有必要开发出新型的水基润滑添加剂，使能够在保证水基润滑剂独特性能的同时，提高其润滑及抗磨性能，拓宽其应用范围。

一种新型纳米材料——石墨烯，自2004年被发现以来，以其独特优异的电学、热学、力学等性能，在材料、能源及电子器件等领域受到了广泛关注。值得注意的是，石墨烯作为传统润滑材料——石墨的组成单元，其本身拥有优秀的润滑特性。石墨烯在厚度取向上的纳米级尺寸使其容易在摩擦过程中进入摩擦副间，而独特的层状结构又使其易于沉积在摩擦副表面，因此阻止摩擦件表面的直接接触，使摩擦转而发生在沉积于表面的石墨烯之间，从而达到降低摩擦、减小磨损的效果。目前，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯由于表面存在大量含氧官能团，使其具有易改性以及亲水的特点，因而受到研究人员的青睐。已经有一些科技工作者成功对氧化还原法制备的石墨烯进行表面改性，并作为纳米添加剂加入润滑基础油中，在一定程度上增强了润滑油的抗磨减摩性能(J.Phys.D Appl.Phys.,2011,44,205303)。另一方面，也有研究人员基于氧化石墨烯的亲水性能直接将其应用于水基润滑剂中(Carbon,2013,59,167–175)，并取得了一定的研究成果。但是，氧化石墨烯与本征石墨烯由于结构的差异，性质颇有不同。在作为水基润滑添加剂应用方面，氧化石墨烯与本征石墨烯相比，存在以下不足：1、氧化石墨烯表面存在大量含氧官能团并且呈现褶皱的形貌，从而使其表面的光滑性大大降低，增加了层间的摩擦系数。与之相对，本征石墨烯表面基本无官能团，缺陷程度低，且平整无褶皱，利于层间滑动。摩擦力显微镜研究表明，氧化石墨烯表面的摩擦系数达到本征石墨烯的7倍之多(Tribol.Lett.,2013,50,137–144)。2、氧化石墨烯溶于水会形成胶体溶液，使润滑剂的粘度大幅上升，从而会降低其在喷雾润滑等应用场合的可操作性(J.Phys.Chem.,2011,115,3410–3415)。而本征石墨烯能够以极少的添加量取得优异的润滑效果，基本不影响水基润滑剂的粘度。3、氧化石墨烯或还原氧化石墨烯的制备工艺相对复杂、制备成本较高、所用化学试剂大多对环境有危害，难以满足低成本绿色制备及应用的需要。相比之下，本征石墨烯现在已经可以利用液相直接剥离方法进行宏量制备，同时兼有高效率、低成本、简易绿色、易规模化的优势，这为本征石墨烯在润滑领域的应用提供了有力的技术支持。鉴于以上论述，很有必要开展本征石墨烯添加于水基润滑剂的应用研究，是一种简易高效、绿色环保的纳米润滑添加剂。

发明内容：

1、目的：本发明的目的在于提供一种原位制备石墨烯水基润滑剂的方法，所述润滑剂以原位制备的石墨烯作为润滑添加剂，分散稳定性好，具有很好的抗磨减摩性能，而且制备方法简单，环境友好，无污染。

2、技术方案：上述发明目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种原位制备石墨烯水基润滑剂的方法，所述润滑剂由石墨烯、表面改性剂和纯水组成，其中，石墨烯占润滑剂总质量的0.001％～1％。

本发明所述一种原位制备石墨烯水基润滑剂的方法，具体步骤如下：

步骤一：将表面改性剂以预定比例添加至去离子水中，并强力搅拌2-24小时，使表面改性剂充分溶于水中，得到用于制备水基润滑剂的溶液；

步骤二：将石墨粉以预定比例添加至步骤一制备的溶液中，搅拌至其分散均匀，得到石墨分散液；

步骤三：将步骤二中得到的石墨分散液在超声空化发生装置中处理2-48小时；

步骤四：将步骤三中超声空化处理后的溶液静置12-48小时，之后取上层溶液；

步骤五：将步骤四中取得的上层溶液分装入离心管中，进行离心分离处理，离心转速为500转/分至5000转/分(离心加速度35g至3555g)；离心处理时间为30分钟至180分钟。