功能化氧化石墨烯在水基潤滑體系的摩擦學行為

楊紅梅，李久盛，曾祥瓊

(1.中國科學院上海高等研究院先進潤滑材料實驗室，上海 200120； 2.中國科學院上海有機化學研究所金屬有機化學國家重點實驗室，上海 200030)

0 引言

水作為潤滑劑時具有成本低、環(huán)境友好、導熱系數(shù)高等優(yōu)點。然而，水由于較低的黏度和黏壓系數(shù)使其難以在金屬表面建立有效的流體潤滑膜，故并非常用機械元件鋼鐵及相關材料的優(yōu)選潤滑劑[1]。因此，開發(fā)適用于金屬加工的高性能的水基潤滑劑是十分有必要的。近年來，石墨烯因其優(yōu)異的電學和力學特性而備受關注，研究表明其作為潤滑添加劑時亦表現(xiàn)出良好的減摩抗磨性能[2-3]。而氧化石墨烯(GO)，作為大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的前驅(qū)體，不僅保留石墨烯的碳骨架結(jié)構(gòu)，還擁有大量的含氧官能團，便于功能化修飾[4]。本研究通過可控功能化修飾GO，合成了三種功能化GO(FGOs)。同時，構(gòu)建FGOs的Pickering乳液，研究其作為水基潤滑劑的摩擦學行為。

1 實驗方法

1.1 制備

以片狀石墨為原料，采用改進的Hummer法制備了GO(1)[5]，一方面直接與正辛胺反應得到基面功能化的氧化石墨烯C8H18NGO(1)，或者由SOCl2活化得到GOCl(1)粉體，再與正辛醇或正辛胺連續(xù)反應得到邊緣功能化的Oct-N-GO(1)和Oct-O-GO(1)。

將GO(1)和FGOs分別加入500 mL燒杯中，在水中加入TR-1，并在60 ℃下攪拌10 min，然后將油相(PAO8和TW20)在600 r/min攪拌下滴入水相中30 min，然后將NaOH水溶液(10%)加入乳狀液中，調(diào)節(jié)pH值至7，并攪拌冷卻至室溫。9000 r/min下均質(zhì)2 min，以獲得最終的O/W型Pickering乳液。

1.2 表征

采用元素分析、紅外光譜、Raman光譜、X射線衍射、熱重分析和SEM等對功能化產(chǎn)物進行分析；分別用美國Brookfield公司的DV2T黏度計和上海蔡康的CK-330C光學顯微鏡對乳狀液的黏度和乳液粒徑進行監(jiān)測。

1.3 摩擦學測試

采用美國Bruker公司的摩擦磨損試驗機UMT-Tribolab的往復模塊在5 Hz頻率和30 N載荷下(約220 MPa)進行行程為18000 mm的摩擦磨損測試。

1.4 表面分析

采用非接觸式白光干涉儀、XPS和XANES對摩

擦磨損測試后的鋼板表面形貌和磨損量進行了測量。

2 結(jié)果和討論

元素分析表明，F(xiàn)GOs由于烷基鏈取代了含氧官能團，改性后O元素含量降低，C元素含量增加(如圖1(a)所示)。從FT-IR可以看出，烷基在2853 cm-1和2924 cm-1處有明顯-CH2-的對稱和不對稱伸縮振動吸收峰(圖1(b))。C8H18GO(1)、Oct-N-GO(1)和Oct-O-GO(1)的Raman光譜(圖1(c)顯示)，ID/IG比從1.358、1.673增加到2.386，這表明平面內(nèi)sp2域的尺寸減小，并且含有Oct-N-GO(1)和Oct-O-GO(1)中各種缺陷的晶界數(shù)量密度增加。由XRD(圖1(d))可知，F(xiàn)GOs的2θ峰比GO的2θ峰寬且弱。利用布拉格定律nλ=2 d sinθ可知，其層間距小于GO。GO(1)和FGOs的熱穩(wěn)定性結(jié)果如圖1(e)所示，結(jié)果表明FGOs在高溫下更穩(wěn)定。

圖1 FGOs的結(jié)構(gòu)表征

圖2給出了GO和FGOs的SEM圖, 可以明顯觀察到GO(1)中的褶皺片層形貌，這也是Hummer方法所制備GO的形貌特征。經(jīng)功能化后，F(xiàn)GOs的微觀結(jié)構(gòu)仍為片層，但由于基底和邊緣接枝烷基鏈后，褶皺趨于平緩。

圖2 FGOs的SEM形貌

從界面張力結(jié)果(圖3)可以看出，正辛胺改性的GO，無論基面還是邊緣修飾，均可以降低正己烷-水和乙酸乙酯-水的界面張力，而溫度并不是影響其界面張力的關鍵因素。FGOs乳液的黏度和粒徑隨時間變化不大(圖4)，表明其穩(wěn)定性良好。

圖3 FGOs在(a)不同油水界面

圖4 乳液(a)黏度和(b)粒徑隨時間的變化

由摩擦學性能評價結(jié)果(圖5和圖6)可知，正辛醇邊改性氧化石墨烯具有最佳的減摩和耐磨性能。經(jīng)XPS和XANES分析發(fā)現(xiàn)，Oct-O-GO(1)乳液潤滑的表面C-OH/O-H鍵最多，表明其潤滑膜的吸附更強，故可同時展現(xiàn)出良好的減摩抗磨性能。

圖5 FGOs乳液潤滑下的

圖6 板上磨痕處的三維形貌

3 結(jié)論

本研究采用不同活性基團和不同改性方法對氧化石墨烯(GO)進行可控功能化修飾，獲得了三種不同的功能化氧化石墨烯(FGOs)。研究結(jié)果表明，F(xiàn)GOs的摩擦學性能存在較大差異：與空白乳液相比，三種FGOs的Pickering乳液均表現(xiàn)出良好的減摩效果，但僅Oct-O-GO(1)乳液同時展現(xiàn)出良好的抗磨性能。