润滑油用石墨烯添加剂的设计与合成

发布时间：2020-07-26 21:56

【摘要】：摩擦和磨损在日常生活和自然界中广泛存在,因而造成能源消耗、机械损耗等问题日益突出。润滑油的使用可以有效降低摩擦磨损,而合适的减磨、抗磨添加剂是提高润滑油润滑性能的重要成分。因此探索和开发新型环保润滑油添加剂逐渐成为摩擦领域研究人员研究的重要研究方向。石墨烯是迄今为止已知的最薄的人造材料,它由碳原子组成,厚度只有0.335 nm。氧化石墨烯(GO)作为石墨烯重要的衍生物依靠其优异的力学、热学性能、超薄层状结构以及巨大的表面积等优势能够大幅降低摩擦和磨损。然而,GO表面大量的含氧官能团使其具有亲水性难以稳定分散至润滑油中,因而,对GO进行合理的结构设计或者组成修饰以促使其在润滑油中的稳定分散成为石墨烯基润滑油添加剂的研究关键。本论文采用绿色环保、简便高效的制备步骤利用粒度小型化、表面接枝和化学还原的方式制备了具有高分散能力和优异摩擦学性能的两种新型长链烷基官能化且超细的石墨烯润滑油减磨、抗磨添加剂,即:十八醇接枝还原氧化石墨烯(RGO-g-OA)和十八溴接枝还原氧化石墨烯(RGO-g-BO)。分别通过X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、透射电子显微镜(TEM)、热失重分析(TGA)等多种现表征测试对两种产物进行了结构和形貌表征。结构和形貌研究表明亲油性长链烷基官能团通过反应过程成功接枝到GO表面。将制备的RGO-g-OA以及RGO-g-BO添加剂在润滑油中在静置两周以上后没有沉淀现象产生,说明添加剂在润滑油具有优异的分散稳定性。最后,利用微动摩擦磨损试验机和三维轮廓仪对两种产物作为润滑油添加剂的摩擦学性能进行全面考察,并且利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、拉曼光谱仪(Raman)对磨斑的形貌和磨斑表面的元素和成分进行分析,探究了添加剂的摩擦学机理。摩擦性能研究显示添加剂的最优添加比例为0.005 wt%,在此极低的添加量条件下,相比于没有添加剂的润滑油,RGO-g-OA作为润滑油添加剂时的润滑油摩擦系数从0.072降低到0.065,润滑油磨损体积从18354μm~3降低到10316μm~3,RGO-g-BO作为添加剂时的润滑油摩擦系数从0.173降低到0.141,润滑油磨损体积从52151μm~3降低到24391μm~3。摩擦学机理研究表明:在润滑油中添加了石墨烯添加剂后,在摩擦副表面确实存在摩擦过程中形成的润滑油膜,油膜中存在着石墨烯成分。摩擦副表面沟壑和梨沟少而浅,这可能是由于石墨烯添加剂在摩擦副表面形成化学沉积膜,使得摩擦副不能直接接触,并依靠自身小尺寸效应在摩擦过程中填补凹坑,从而降低了摩擦和磨损。
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE624.82
【图文】：

粘度指数,改性剂,分子式

青岛科技大学研究生学位论文腐剂、降凝剂、油性剂、极压抗磨添加剂、防锈剂、抗泡剂等[12]。现对各种常见润滑油添加剂进行一一介绍。一、粘度指数改性剂。润滑油的粘度随温度的升高而迅速降低。润滑油在使用过程中通常会经历一系列的温度从而造成润滑油粘度下降的严重问题。如果在高温下，润滑剂的粘度太低，润滑油可能不再能够提供有效的负载支持，导致表面接触。加入粘度指数改性剂的目的是增加低温启动性同时保持高温条件下的有效粘度。粘度指数改性剂现在有许多不同的添加剂化学和结构可用，并通过不同的机制影响溶液粘度。例如常见的粘度指数改性剂有氢化苯乙烯双烯共聚物（HSD）、聚甲基丙烯酸酯（PMA）、乙烯丙烯共聚物（OCP）、聚异丁烯（PIB）等[13-16]。一些常见粘度指数改性剂如图 1-1 所示。

清净分散剂,机理,润滑油,漆膜形成

润滑油用石墨烯添加剂的设计与合成区别在抵抗高、低温沉积物和漆膜形成的性能上，也可以说表现在润滑油内清净分散剂的性能及加入量上，可见清净分散剂对润滑油质量具有重要影响。清净分散剂的典型代表有石油磺酸盐、烷基酚盐、水杨酸盐、丁二酰亚胺、丁二酸酯和聚合物等[17,18]。

抗氧剂,作用机理,降凝剂

图 1-3 抗氧剂作用机理Fig. 1-3 Mechanism of antioxidants四、降凝剂。原油低温石蜡沉积是石油工业长期存在的严重问题之一。添加降凝剂（PPD）是抑制蜡沉积的有效途径。而润滑油产品一般常在低温下使用，因而使用的润滑油需要有良好的耐低温性能，这样可以保证汽车的正常运行，而加入 PPD 成为解决此问题的有效方式。降凝剂是一种化学合成的聚合物或缩合物，在其分子中一般含有极性基团和与石蜡烃结构类似的烷基链。降凝剂不能阻止石蜡在低温下结晶析出，即油品的浊点不变，它是通过在蜡结晶表面的吸附或与蜡共晶来改变蜡晶的形状和尺寸，防止蜡形成三维网状结构，使之仍然保持油在低温下的流动能力。降凝剂作用机理如图 1-4 所示，一般常见的为定向吸附、晶体中心以及共晶析出。要强调的是，降凝剂只在含有少量蜡的油品中才能起降凝作用，油品中不含蜡或含蜡太多都无降凝效果[22, 23]。润滑油中常用的品种有烷基萘、聚甲基丙烯酸酯、聚α-烯烃等。

【参考文献】