石墨烯在潤(rùn)滑油(脂)中的應(yīng)用

宋應(yīng)金，劉 蕊，于 寧，宋克涵

(1. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 石油商品研究所，哈爾濱 150076；2. 哈爾濱學(xué)院 化學(xué)系，哈爾濱 150076)

石墨烯在潤(rùn)滑油(脂)中的應(yīng)用

宋應(yīng)金1，劉 蕊1，于 寧1，宋克涵2

(1. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 石油商品研究所，哈爾濱 150076；2. 哈爾濱學(xué)院 化學(xué)系，哈爾濱 150076)

通過(guò)對(duì)石墨烯在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油、液壓導(dǎo)軌油以及潤(rùn)滑脂中的應(yīng)用分析，找出了影響石墨烯應(yīng)用的影響因素，并找出了可行的解決方法，為石墨烯在潤(rùn)滑油脂中的應(yīng)用解決的關(guān)鍵的技術(shù)“瓶徑”.

石墨烯；潤(rùn)滑油(脂)；氧化；防銹

石墨烯作為新興的材料，在潤(rùn)滑油(脂)中的應(yīng)用方興未艾，此前的超細(xì)石墨粉(或二硫化目粉、聚四氟乙烯粉等)作為填料常出現(xiàn)在潤(rùn)滑脂中用于改善潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑性能，而石墨烯作為新材料想要在傳統(tǒng)的潤(rùn)滑劑的四大功能中所能起到特殊功效的，只能在潤(rùn)滑和防銹兩個(gè)方面有所突破[1-2].

潤(rùn)滑的目的無(wú)非就是控制摩擦減少磨損.減少摩擦功的損失即是節(jié)能；使摩擦發(fā)生在填料(或稱添加劑)層，則能有效減少磨損，防止材料的損失以保證零件的正常工作.而石墨烯能夠控制摩擦減少磨損是毋庸置疑的，其關(guān)鍵的問(wèn)題是：一要解決石墨烯與潤(rùn)滑油(脂)的組成中的基礎(chǔ)油、添加劑之間的復(fù)合效應(yīng)的問(wèn)題；二是要解決潤(rùn)滑油脂在使用過(guò)程中是不斷氧化衰變的，其產(chǎn)生的過(guò)氧化物和氧化縮合物對(duì)石墨烯的對(duì)抗效應(yīng)；三是要解決石墨烯經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑系統(tǒng)的過(guò)濾之后的有效濃度的問(wèn)題[3-4]；此外最為關(guān)鍵的問(wèn)題是解決石墨烯在潤(rùn)滑油脂中的均勻分散的問(wèn)題以及現(xiàn)有分散劑與基礎(chǔ)油和添加劑之間的相容性[5].

防銹的目的是隔絕空氣和水與金屬表面的接觸防止介質(zhì)對(duì)金屬表面及基體產(chǎn)生腐蝕和銹蝕[6]，保護(hù)金屬表面及基體材料不損失.而石墨烯的高比表面能使其具有極強(qiáng)的吸附性和附著性，顯然是優(yōu)質(zhì)的防銹材料之一.

目前的研究者把關(guān)注都集中在如何把石墨烯添加并均勻分散到油(脂)中，并對(duì)比其添加前后的性能比較，嚴(yán)重忽視了油品在設(shè)備使用中的各種影響因素，導(dǎo)致油品的新油評(píng)定良好而使用時(shí)卻感受不到其優(yōu)越性能.

1 石墨烯的潤(rùn)滑、防銹性能分析

1.1石墨烯在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中的應(yīng)用

1.1.1 試驗(yàn)材料

CF-4 5W/40柴油發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油，相關(guān)助劑.

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)：B6V150ZAL-1柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(裝甲局提供)，鐵譜分析儀，原子發(fā)射光譜儀，紅外光譜儀.

1.1.3 試驗(yàn)程序

模擬駕駛程序由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速900～2 200 r/min之間；標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)扭矩294 N·m至1 796 N·m之間；標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)功率35 ～435 kW之間；各轉(zhuǎn)速時(shí)間按每個(gè)轉(zhuǎn)速檔保持25 min后增至高一檔速并循環(huán)500 h止；在用潤(rùn)滑油每50 h取樣一次進(jìn)行光譜、鐵譜分析.

1.1.4 直讀鐵譜

見表1.圖1.

表1直讀鐵譜數(shù)據(jù)

測(cè)定項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)程序時(shí)間/h50100200300400500ABABABABABAB大磨粒讀數(shù)Dl7.306.908.907.709.309.1011.1011.0012.3012.3112.912.83小磨粒讀數(shù)Ds0000000.500.470.700.690.800.79總磨損水平Dl+Ds7.306.908.907.709.309.1011.6011.4713.013.0013.7013.62

注：A為空白樣品；B為加有石墨烯的樣品

圖1 直讀鐵譜數(shù)據(jù)變化圖

1.1.5 發(fā)射光譜

見表2.圖2、3.

表2原子發(fā)射光譜分析結(jié)果

元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/×10-5t/h50100200300400500ABABABABABABFe6.506.447.407.318.908.6011.5011.4912.4012.4013.1013.10Cu0.350.330.370.360.400.370.500.490.550.550.580.58Al0.310.300.320.320.360.340.400.400.420.420.430.43Pb0.430.420.430.420.470.450.500.490.530.530.550.55

圖2 Fe光譜元素變化曲線圖

圖3 Cu、Al、Pb光譜元素變化曲線圖

1.1.6 紅外光譜分析

紅外光譜分析的特征吸收峰如下：

1 590 cm-1為歸屬為皂化物，初始氧化生成物；

1 720 cm-1為歸屬為羰基化合物，油泥母體，中間氧化產(chǎn)物；

1 870 cm-1為歸屬為煙炱特征吸收峰；

我們根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的氧化衰變規(guī)律，確定1 590～1 720確定為抑氧水平，1 870～1 720 cm-1確定為抑碳水平. 見表3.圖4、5.

表3紅外光譜分析結(jié)果

測(cè)定項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)程序時(shí)間/h50100200300400500抑氧水平4.715.076.135.114.223.60抑碳水平8.107.877.9213.9517.4524.33

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：石墨烯的減磨效果是確定的，在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的新油評(píng)定中優(yōu)勢(shì)明顯，但是，在發(fā)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)使用過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的綜合氧化物以及煙炱對(duì)其的對(duì)抗效應(yīng)也十分顯著，200 h附近的“拐點(diǎn)”是明確的.

圖4 抑氧水平圖

圖5 抑碳水平圖

因此，為了保障石墨烯在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中的有效應(yīng)用，研制一種有效的抑制氧化物對(duì)石墨烯的對(duì)抗效應(yīng)的制劑就顯得非常重要了.

1.2石墨烯在液壓導(dǎo)軌潤(rùn)滑油(HG)中的應(yīng)用

1.2.1 試驗(yàn)材料

HG-46液壓導(dǎo)軌油，相關(guān)助劑.

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

BRIO MILLER8數(shù)控機(jī)床(沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán))，原子發(fā)射光譜儀，紅外光譜儀，鐵譜分析儀，四球式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī).

1.2.3 試驗(yàn)方法

對(duì)比試驗(yàn)，HG-46液壓導(dǎo)軌油一組為空白，一組添加石墨烯，在相同工況下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間為9 000 h，每1 500 h取樣1次，進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分析及光譜分析.

1.2.4 含石墨烯的HG-46與不含石墨烯的HG-46的性能分析

見表4.

表4含石墨烯與不含石墨烯的液壓導(dǎo)軌油關(guān)鍵性能對(duì)比

項(xiàng)目HG-46石墨烯HG-46抗磨性(四球試驗(yàn)):PB/ND392N60min/mmf靜—f動(dòng)9500.340.00759500.290.0004氧化安定性(125℃,8h,空氣)氧化油酸值/mgKOH/g氧化油沉淀物/%0.010無(wú)0.010無(wú)防銹性(B法)無(wú)銹無(wú)銹相容性(170℃,12h):色度/號(hào)沉淀物,%5無(wú)沉淀6無(wú)沉淀

注：A樣品為HG-46液壓導(dǎo)軌油；B樣品為含石墨烯的HG-46液壓導(dǎo)軌油

上述測(cè)試結(jié)果表明：含有石墨烯的HG-46液壓導(dǎo)軌油的相容性良好，但在抗磨性能上則有顯著提高，特別是磨痕直徑和靜、動(dòng)摩擦系數(shù)差值都有明顯下降，非常有利于設(shè)備的抗疲勞性，能大大延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命.

1.2.5 含石墨烯的HG-46與不含石墨烯的HG-46的9 000 h使用試驗(yàn)

見表5、6.

表5直讀鐵譜數(shù)據(jù)

測(cè)定項(xiàng)目設(shè)備運(yùn)行時(shí)間/h150030004500600075009000ABABABABABAB總磨損水平Dl+Ds4.102.904.903.715.324.907.607.418.308.298.708.68

注：A樣品為HG-46液壓導(dǎo)軌油；B樣品為含石墨烯的HG-46液壓導(dǎo)軌油

表6紅外光譜分析結(jié)果(羰基峰)

測(cè)定項(xiàng)目設(shè)備運(yùn)行時(shí)間/h1500300045006000750090001590cm-11.792.373.114.945.726.601710cm-11.573.875.126.958.449.73

1.2.6 含石墨烯的HG-46液壓導(dǎo)軌油在使用設(shè)備中的使用監(jiān)測(cè)

9 000 h的動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：氧化物的產(chǎn)生仍然是影響石墨烯使用效果的重要因素，新生的氧化物能迅速與高比表面能的石墨烯結(jié)合，再經(jīng)氧化縮合后，被潤(rùn)滑系統(tǒng)中的過(guò)濾器濾掉，導(dǎo)致石墨烯在油中的效能流失，因此有效控制油品的氧化仍然是保障石墨烯應(yīng)用效果的技術(shù)關(guān)鍵.見表7.

表7原子發(fā)射光譜分析結(jié)果

元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/×10-5設(shè)備運(yùn)行時(shí)間/h150030004500600075009000ABABABABABABFe3.702.444.404.316.775.608.108.109.429.409.759.75

注：A樣品為HG-46液壓導(dǎo)軌油；B樣品為含石墨烯的HG-46液壓導(dǎo)軌油.

1.3石墨烯在通用鋰基潤(rùn)滑脂中的應(yīng)用

1.3.1 試驗(yàn)材料

2號(hào)通用鋰基潤(rùn)滑脂，相關(guān)助劑.

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)備

錐入度測(cè)定儀，蠟及潤(rùn)滑脂滴點(diǎn)測(cè)定儀，潤(rùn)滑脂鋼網(wǎng)分油測(cè)定儀，防銹油脂腐蝕性測(cè)定儀，防銹性能測(cè)定儀，Timken摩擦試驗(yàn)機(jī)，四球式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)；

1.3.3 試驗(yàn)方法

對(duì)比試驗(yàn)法，測(cè)試通用鋰基潤(rùn)滑脂以及含有石墨烯的通用鋰基潤(rùn)滑脂的理化指標(biāo)、防銹性、抗磨性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，并且運(yùn)行300 h后取樣重復(fù)對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果見表8、9.

表8含石墨烯鋰基脂與鋰基脂關(guān)鍵性能對(duì)比

項(xiàng)目AB試驗(yàn)方法工作錐入度/(0.1mm)288286GB/T269滴點(diǎn)/℃194197GB/T4929鋼網(wǎng)分油(100℃,24h)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%0.920.89SH/T0324水淋流失量(38℃,1h)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%1.301.17SH/T0109腐蝕性(質(zhì)量變化)/mg/cm2鋼黃銅鋁鎂-0.045+0.040+0.057-0.101-0.009+0.006+0.005-0.010SH/T0080防銹性濕熱(A級(jí)),h鹽霧(A級(jí)),h21537972161GB/T2361SH/T0081極壓、抗磨性能:(Timken)OK值/N最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB值)/ND392N60min/mm127646.80.43175803.60.29SH/T0203GB/T3142SH/T0189

注：A樣品為2號(hào)通用鋰基潤(rùn)滑脂；B樣品為含石墨烯的2號(hào)通用鋰基潤(rùn)滑脂.

表9運(yùn)行3000h后的關(guān)鍵性能對(duì)比

項(xiàng)目AB試驗(yàn)方法工作錐入度/(0.1mm)279280GB/T269滴點(diǎn)/℃193197GB/T4929鋼網(wǎng)分油(100℃,24h)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%0.980.91SH/T0324水淋流失量(38℃,1h)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%1.301.17SH/T0109腐蝕性(質(zhì)量變化)/mg/cm2鋼黃銅鋁鎂-0.075+0.090+0.076-0.170-0.010+0.006+0.007-0.015SH/T0080防銹性濕熱(A級(jí))/h鹽霧(A級(jí))/h19737950161GB/T2361SH/T0081極壓、抗磨性能:(Timken)OK值/N最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB值)/ND392N60min/mm127646.80.44175803.60.29SH/T0203GB/T3142SH/T0189

注：A樣品為2號(hào)通用鋰基潤(rùn)滑脂；B樣品為含石墨烯的2號(hào)通用鋰基潤(rùn)滑脂.

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：石墨烯在潤(rùn)滑脂中的應(yīng)用效果顯著，尤其在抗磨性能和防銹性能上表現(xiàn)優(yōu)異，運(yùn)行3 000 h之后的性能仍然保持優(yōu)異，也是由于潤(rùn)滑脂特殊的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)(直接附著潤(rùn)滑，潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)化)所決定的；尤其其防銹性能，基本接近專業(yè)的防銹油脂的水平.

2 綜合分析

流體動(dòng)壓潤(rùn)滑、流體靜壓潤(rùn)滑和彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖6.

圖6 潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

綜合上述的試驗(yàn)結(jié)果及圖6可知：

1)潤(rùn)滑油的氧化衰變是影響石墨烯在潤(rùn)滑油中使用效果的關(guān)鍵因素之一；潤(rùn)滑油在氧化衰變過(guò)程中產(chǎn)生的氧化物經(jīng)氧化縮合后形成大分子顆粒，同時(shí)會(huì)與高比表面能的石墨烯附著結(jié)合，最后被潤(rùn)滑系統(tǒng)的過(guò)濾器過(guò)濾掉，最終使其性能逐漸流失.

2) 發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油中的氧化物、膠質(zhì)、積碳、煙炱都是影響石墨烯的使用效果的因素，而膠質(zhì)、積碳都是由氧化物不斷縮合而成，良好的抗氧劑和優(yōu)質(zhì)的分散劑能有效抑制其對(duì)石墨烯性能的影響.

3)建議進(jìn)行針對(duì)石墨烯與潤(rùn)滑油(脂)復(fù)合后的抗氧化劑的專題研究.

[1] 張 偉, 朱宏偉. 石墨烯改性潤(rùn)滑油[J]. 自然雜志, 2016, 38(2): 94-96.

[2] 傅 強(qiáng), 包信和. 石墨烯的化學(xué)研究進(jìn)展[J]. 科學(xué)通報(bào), 2009, 54(18): 2657-2666.

[3] 范亦工, 胡 華. 潤(rùn)滑油硫、磷及灰分含量要求的發(fā)展[C]//2004年潤(rùn)滑油科技情報(bào)站年會(huì), 2004. 90-93.

[4] 吳其偉,呂 林,鎖國(guó)濤. 城市公交發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工況的試驗(yàn)研究與建立[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2006, 27(3): 73-76.

[5] 陳化飛, 許玲玲, 劉 蕊, 等. 噻二唑衍生物與氨基甲酸酯復(fù)合效應(yīng)機(jī)理研究[J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2014, 3(3): 312-314.

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Applicationofgrapheneinlubricatingoils

SONG Ying-jin1, LIU Rui1, YU Ning1, SONG Ke-han2

(1. Institute of Petroleum Products, Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China; 2. Department of Chemistry, Harbin University, Harbin 150076, China)

Graphene used in engine lubricating oil, hydraulic rail oil and grease were analyzed in this paper. The influencing factors of the application of graphene and the feasible solutions were found out. It is key technology bottlenecks for the application in graphene in lubricating oils.

grapheme; lubricating oil (grease); oxidation; rust protection

2017-01-16.

宋應(yīng)金(1966-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：石油商品學(xué).

TE666

A

1672-0946(2017)05-0593-06