聚合物改性膨脹石墨的制備及摩擦學性能研究

劉艷麗,黃先威

(湖南工程學院化學化工學院,湘潭411104)

石墨具有耐高溫、抗腐蝕及自潤滑等特性,作為固體潤滑劑及潤滑油添加劑已廣泛應用于機械設備以及機械加工的潤滑,起到了節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率和延長機械部件使用壽命的作用.膨脹石墨除保留石墨原有的潤滑性質外還由于層間距離的拉大等因素,從而提高其潤滑性.將膨脹石墨加入潤滑脂中,可使其剪切度、粘度和膠狀體穩(wěn)定性得到改善[1].石墨還具有無化學污染和經(jīng)濟低廉等特性,其多種衍生物,如氟化石墨、金屬化合物插層石墨和硼化石墨等在潤滑領域獲獲得了良好應用[2].據(jù)報道,膨脹石墨是優(yōu)良納米級固體潤滑劑,可以制備出高性能自潤滑聚合物/石墨納米減摩復合材料.該材料可以降低了石墨用量,提高減摩、耐磨性能和復合材料的力學強度.如石墨的質量分數(shù)為8%時,尼龍66/石墨復合材料的耐磨性能最好[3-4].

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器設備

膨脹石墨,丙烯酸乙酯,過硫酸鉀,十二烷基磺酸鈉,氯化鈉,90%乙醇等均為市售分析純試劑,液體石蠟為化學純試劑;美國 Nicolet 510P型FTIR紅外光譜儀,MRS-10P四球摩擦磨損試驗機.

1.2 膨脹石墨潤滑油添加劑的制備

將可膨脹石墨置于900℃高溫爐中膨化,得到蠕蟲石墨.然后將蠕蟲石墨以質量比M石墨:M溶劑=1∶150分散在90%的乙醇中,用超聲波處理10 h,過濾真空干燥后即得到黑色的粉末狀膨脹石墨,它是蠕蟲石墨和納米石墨薄片的混合體.

1.3 膨脹石墨/聚合物復合添加劑的制備

向裝有機械攪拌器、回流冷凝管和溫度計的三口瓶中加入0.5 g的膨脹石墨.將1.0 g十二烷基磺酸鈉溶于80 ml蒸餾水中,并倒入上述三口瓶中,超聲數(shù)分鐘使石墨分散均勻,通氮15 min后加入3.5 g丙烯酸乙酯,適當提高攪拌速度使單體乳化.將0.15 g過硫酸鉀溶解于10 ml的蒸餾水中,待反應混合液升溫至70℃時,在攪拌下將引發(fā)劑加入,反應3 h結束.將聚合物乳液破乳,用布氏漏斗過濾,干燥.

1.4 油溶性實驗

潤滑油是由基礎油和少許添加劑組成,潤滑油添加劑在基礎油中的溶解性對其性能影響很大,因此考察添加劑在基礎油中的溶解性很有必要.所合成的潤滑油添加劑能夠溶解于多種有機溶劑,而不溶于水,屬于油溶性的潤滑油添加劑,因此我們可以選擇液體石蠟作基礎油.

1.5 摩擦性能測試

將改性的膨脹石墨按不同的質量分數(shù)分散在基礎油中,采用濟南試驗機廠生產(chǎn)的MRS-10P型四球摩擦試驗機考察添加劑的極壓抗磨性能.試驗條件:轉速為1450 r/min,室溫,實驗時間為10 s,長磨時間為30 min;鋼球為GCr15標準鋼球,硬度為64～66HRC,表面粗糙度為 Ra0.012 mm.參照GB3142-82測定潤滑劑的承載能力及抗磨性能.

1.6 熱穩(wěn)定性分析

由于工業(yè)生產(chǎn)的需要,許多添加劑必須在高溫下作業(yè),研究添加劑的熱穩(wěn)定性具有很重要的意義.熱穩(wěn)定性能在WRT-3P型熱分析儀(上海)上采用熱重分析(TGA)評價的,大氣氣氛,升溫速度20℃?min-1.

2 結果與討論

2.1 紅外光譜分析

圖1 膨脹石墨改性前后的紅外光譜圖

圖1 表示膨脹石墨添加劑改性前后的紅外光譜圖,從圖中可以看出在1732.06,1194.12,1129.80 cm-1處的吸收峰為聚丙烯酸乙酯的特征峰;2924.74,2857.57 cm-1處的吸收峰是由C-H伸縮振動和彎曲振動引起的;3442.15 cm-1處的吸收峰為水峰;總之改性后的紅外特征吸收峰均向低波數(shù)端偏移,這與改性材料中石墨層間的屏蔽作用有關.

2.2 油溶性

表1 列出了聚丙烯酸乙酯改性前后的膨脹石墨的油溶性.試驗結果表明,改性后的膨脹石墨的油溶性效果常溫下質量分數(shù)為1.0%,比未改性的膨脹石墨的油溶性有所改善,這可能是聚合物改善了膨脹石墨的分散性的原因.

表1 不同質量分數(shù)的添加劑在液體石蠟中的溶解狀態(tài)

2.3 熱穩(wěn)定性分析

圖2 改性石墨的TGA曲線

從圖2可以看出,添加劑在100℃之前的分解可能是樣品中水分的揮發(fā),起始分解溫度從100℃之后開始,說明其熱穩(wěn)定性較好,可滿足潤滑油添加劑的工況使用要求.石墨的熔點相對較高,不易分解,其中分解的部分為聚丙烯酸乙酯.

2.4 摩擦磨損實驗

2.4.1 添加劑的極壓性能

最大無卡咬負荷(PB)是潤滑油承載能力的體現(xiàn),表2列出了液體石蠟和含0.5%(質量分數(shù),下同)改性及未改性膨脹石墨和ZDDP的基礎油的PB值.

表2 含不同添加劑的液體石蠟的PB值

從表2可以看出,加入添加劑后,潤滑劑的PB值有較明顯的增大,改性后膨脹石墨的PB值相對比其它兩種油樣的PB值都大,跟ZDDP的相當,說明改性后的膨脹石墨添加劑承載能力有所改善.

2.4.2 抗磨性能

圖3 示出了LP及含0.5%的添加劑的LP潤滑下的鋼球磨斑直徑隨載荷變化的關系曲線.可以看出,隨著載荷的增加,磨斑直徑都趨于變大.加了添加劑后基礎油的抗磨能力明顯提高,鋼球表面磨斑直徑的增幅也相應變小.圖4為不同載荷下兩種潤滑油的磨斑直徑,顯然添加了改性石墨后的液體石蠟油的抗磨性好.隨著載荷的增加,未添加改性石墨的潤滑油其磨斑直徑明顯大于添加改性石墨的潤 滑油的磨斑直徑.

圖3 添加劑濃度對抗磨性能的影響

圖4 不同載荷對抗磨性能的影響

3 結 論

(1)由紅外光譜表征得知采用乳液聚合的方法對膨脹石墨表面改性,成功地合成了膨脹石墨/聚丙烯酸乙酯復合添加劑.

(2)由熱穩(wěn)定性分析得添加劑的熱穩(wěn)定性良好.

(3)聚丙烯酸乙酯改性后的膨脹石墨添加劑承載能力比基礎油有較大改善.

(4)聚丙烯酸乙酯改性后的膨脹石墨添加劑抗磨性能比基礎油有較大改善.

[1]李春風,羅新民,候 濱.膨脹石墨的表面改性及作為潤滑油添加劑的摩擦學性能[J].潤滑與密封,2007,32(7).

[2]黃海棟,涂江平,干路平,等.片狀納米石墨的制備及其作為潤滑油添加劑的摩擦磨損性[J].摩擦學學報,2005,25(4):312-316.

[3]石 玉,王東紅.石墨改性尼龍 66復合材料的摩擦磨損性能研究[J].化工新型材料,2007,35(6).

[4]楊建國,牛文新,李建設,等.聚苯乙烯/氧化石墨納米復合材料的制備與性能[J].高分子材料科學與工程,2005,21(5):55-58.