超聲震蕩膨脹石墨制備納米石墨片的減摩性能

王 華，岳學(xué)慶

（秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 秦皇島 066100）

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超聲震蕩膨脹石墨制備納米石墨片的減摩性能

王 華，岳學(xué)慶

（秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 秦皇島 066100）

摘要：通過在液體介質(zhì)中對(duì)膨脹石墨超聲波震蕩制備納米石墨片。使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察產(chǎn)物形貌，并且研究它作為潤(rùn)滑油添加劑的減摩性能。減摩效果的影響因素包括：納米石墨片和基礎(chǔ)油的質(zhì)量比、超聲波震蕩介質(zhì)和震蕩時(shí)間。結(jié)果顯示，在優(yōu)化的工藝條件下，納米石墨片具有良好的減摩效果。

關(guān)鍵詞：納米石墨片；超聲震蕩；減摩

由于石墨具有獨(dú)特的性能，如自潤(rùn)滑、耐高溫和耐腐蝕等，它作為固體潤(rùn)滑劑已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。近期，納米石墨片在潤(rùn)滑系統(tǒng)中的應(yīng)用引起了人們關(guān)注。目前，納米石墨片的主要制備方法包括爆炸法、球磨法、電化學(xué)法、脈沖激光沉積等，這些方法使用的原料通常是天然石墨[1]。膨脹石墨（EG）是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的新型碳材料，它通常是通過在高溫下快速加熱可膨脹石墨制備[2]。2004年，廈門大學(xué)陳國(guó)華[3]報(bào)道了通過在液體介質(zhì)中對(duì)膨脹石墨超聲波震蕩制備納米石墨片。由于這種方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，迅速引起了人們的關(guān)注。

推斷認(rèn)為，這種方法制備的納米石墨片作為潤(rùn)滑油添加劑應(yīng)該具有減摩作用。然而，目前為止關(guān)于這方面系統(tǒng)的研究還較少。

本文通過在液體介質(zhì)中對(duì)膨脹石墨超聲波震蕩制備納米石墨片，并研究了它作為基礎(chǔ)潤(rùn)滑油添加劑的減摩性能。本文重點(diǎn)了研究減摩效果的影響因素，包括納米石墨片在基礎(chǔ)油中的添加量、超聲波震蕩介質(zhì)和震蕩時(shí)間。

1 試驗(yàn)部分

將6g天然石墨（35目，純度99%，青島天和石墨有限公司提供）、10 mL 濃H2SO4 (98%) 和1.5 mL H2O2 (30%) 攪拌混合均勻。混合物反應(yīng)90分鐘后，水洗至pH=5-7，80以下干燥24 h，得到可膨脹石墨。將可膨脹石墨放到馬弗爐中分別在800 ℃下加熱15～35 s，得到膨脹石墨。

將一定量的膨脹石墨粉末加入到酒精水溶液（膨脹石墨與酒精溶液的質(zhì)量比為1: 400，水和酒精的體積比為65: 35）或純酒精中放置12 h，然后使用超聲波（KQ-3200B，超聲功率150 W）對(duì)懸浮液進(jìn)行振蕩，震蕩時(shí)間分別選取4、8和12 h。結(jié)果，膨脹石墨粉末被有效地粉碎成剝離狀石墨。將剝離狀石墨懸浮液進(jìn)行過濾，并在空氣中干燥以去除殘夜，得到納米石墨片。使用掃描電子顯微鏡SEM觀察納米石墨片的形貌（SEM，KY2500）。

減摩試驗(yàn)是在濟(jì)南益華摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的MMU-5G型屏顯式高溫端面摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。測(cè)試時(shí)間為1 h，溫度為室溫，載荷為200 N，轉(zhuǎn)速為300 rpm，摩擦系數(shù)由聯(lián)機(jī)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。上試樣摩擦面為一環(huán)面，材料為滾動(dòng)軸承鋼GCr15，內(nèi)徑φ20 mm，外徑φ26 mm，平均摩擦半徑為φ23 mm。下試樣為45#鋼的圓盤，半徑為φ50 mm。

基礎(chǔ)油選用中國(guó)石油天然氣股份有限公司提供的SJ 15W-40型汽油機(jī)油。將作為潤(rùn)滑油添加劑的納米石墨片置于瑪瑙研缽中研磨，再分別以質(zhì)量百分比為1.0、0.5、0.2、0.1和0.05%加入到基礎(chǔ)油中。在每次實(shí)驗(yàn)前，將配好的潤(rùn)滑劑先攪拌5 min，并超聲波震蕩10 min，使加入的粉末添加劑在油中充分分散，然后將大約40 μL潤(rùn)滑劑涂抹到接觸面上。

2 結(jié)果與討論

圖1 膨脹石墨（a）和納米石墨片（b）的SEM圖像

圖1顯示了膨脹石墨（a）和納米石墨片（b）的SEM圖像。從圖1（a）中可觀察到膨脹石墨的高度多孔結(jié)構(gòu)。經(jīng)過超聲波震蕩，膨脹石墨被撕裂成剝離態(tài)的片層，即納米石墨片，如圖1（b）所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，納米石墨片的平均厚度為20 nm，平均粒徑為45μm。

圖2 納米石墨片添加量對(duì)減摩效果的影響（超聲波震蕩介質(zhì)為酒精水溶液，超聲波震蕩時(shí)間為8h）

圖2顯示了納米石墨片添加量在基礎(chǔ)油中的添加量對(duì)減摩效果的影響?？梢钥闯?，基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)最高，約0.07，說明減摩效果最差。隨著納米石墨片的添加，摩擦系數(shù)降低，說明減摩能力提高。比較而言，當(dāng)納米石墨片的添加量為0.1%時(shí)，摩擦系數(shù)最低，約0.02。這說明納米石墨片作為潤(rùn)滑油添加劑具有明顯的減摩效果。納米石墨片的最佳添加量為0.1%，因此，在以下的試驗(yàn)中使用這個(gè)添加量。

圖3 震蕩介質(zhì)對(duì)減摩效果的影響（超聲震蕩時(shí)間為8 h，納米石墨片添加量為0.1%）

圖3 顯示了震蕩介質(zhì)對(duì)減摩效果的影響?？梢钥闯觯c使用純酒精作為震蕩介質(zhì)制備的納米石墨片相比，使用酒精水溶液為介質(zhì)制備的納米石墨片具有較好的減摩作用。因此，在以下的試驗(yàn)中使用酒精水溶液為震蕩介質(zhì)。

圖4 震蕩時(shí)間對(duì)減摩效果的影響（震蕩介質(zhì)為酒精水溶液，納米石墨片添加量為0.1%）

圖4 顯示了震蕩時(shí)間對(duì)減摩效果的影響?？梢钥闯觯啾日鹗?和12h，超聲震蕩8h制備的納米石墨片具有最優(yōu)的減摩效果。因此，最佳震蕩時(shí)間為8h。

3 結(jié)論

通過在液體介質(zhì)中超聲波震蕩膨脹石墨，我們成功地制備了平均厚度為20nm，平均粒徑為45μm的納米石墨片。這種納米石墨片作為潤(rùn)滑油添加劑具有明顯的減摩效果，且這種效果與試驗(yàn)條件有關(guān)。最佳試驗(yàn)條件為：納米石墨片添加量為0.1%，震蕩介質(zhì)為酒精水溶液，震蕩時(shí)間為8h。在最優(yōu)試驗(yàn)條件下，潤(rùn)滑劑的摩擦系數(shù)可降至約0.02，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基礎(chǔ)油的約0.07。

[參考文獻(xiàn)]

[1]H.D. Huang, J. P. Tu, L. P. Gan. An investigation on tribological properties of graphite nanosheets as oil additive[J]. Wear,261(2006)140-144.

[2]A.Celzard,J.F.Mareche,G.Furdin,Modeling of exfoliated graphite.Progress Mater.Sci.50(2005)93-197.

[3]G.Chen,W.Weng,D.Wu,C.Wu,J.Lu,P.Wang.Preparation and characterization of graphite nanosheets from ultrasonic powdering technique.Carbon,42(2004)753-739.

Anti Friction Properties of Nano Graphite Sheets Prepared by Ultrasonic Vibration Expanded Graphite

Wang Hua,Yue Xueqing
(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Qinhuangdao Institute of Technology, Qinhuangdao 066100,China)

Abstract:The nano graphite sheet was prepared by ultrasonic wave oscillation of expanded graphite in liquid medium. Scanning electron microscopy (SEM) was used to observe the morphology of the products, and to study the friction reducing properties of the lubricating oil additives. The influence factors of the friction reducing effect include: the mass ratio of the nano graphite sheet and the base oil, the ultrasonic wave oscillation medium and the oscillation time. The results show that the nano graphite sheet has excellent anti friction effect under the optimized conditions.

Key words:nano graphite sheet; ultrasonic vibration; friction reduction

作者簡(jiǎn)介：王華（1977-），女，秦皇島人，漢族，碩士，講師，研究方向：石墨基功能材料。