改性氧化石墨烯對不同種類潤滑油的性能影響

閆龍龍，厲曉英，高洪強

(1.環球石墨烯(青島)有限公司，山東 青島 266000；2.山東豪邁化工技術有限公司，山東 青島 266031)

0 引言

隨著工業設備與車輛液壓系統、發動機系統、傳動系統等逐步向小型化、高負荷、低噪音、大功率、高效率和長壽命趨勢發展，設備的升級換代必然對配套的潤滑劑提出更高要求。另外，從環境和資源角度還要求潤滑劑環保、節能，所以其發展趨勢不僅需滿足日益苛刻的工況性能要求，還需滿足節能、環保和經濟性要求。

碳納米顆粒作為潤滑添加劑具有優良的抗磨減摩性能和承載能力[1-4]。石墨烯作為一種先進碳納米材料在固液摩擦潤滑領域受到廣泛重視，被作為一種功能補強劑來深入研究，改善潤滑劑的性能，很多學者采用多種修飾手段對石墨烯材料進行功能化改性，以提高石墨烯類物質在潤滑劑中的分散穩定性[5-11]。

由于各種類型潤滑劑的基礎油與添加劑成分及其比例各異，為了解石墨烯類物質在不同潤滑劑中的性能表現，本研究對氧化石墨烯材料使用十六烷胺共價鍵功能化改性后，采用不同添加比例分散于市售液壓油、發動機油、齒輪油、液力傳動油中，分析其在不同油品中的分散狀態及性能效果，進而研究其對不同油品的性能增益水平區別。

1 實驗部分

1.1 原料和儀器

十六烷胺、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，北京百靈威科技有限公司；無水乙醇、石油醚，均為分析純，滬試；氧化石墨烯(片徑5 μm，厚度1.0～1.2 nm，氧化度40%)，環球石墨烯(青島)有限公司。

實驗級超聲化學設備，杭州成功超聲設備有限公司；DZF-6053真空干燥箱，上海圣試電子科技有限公司；H205OR離心機，長沙湘儀離心機儀器有限公司；MRS-1J微機控制四球長時抗磨損試驗機、MRS-10D微機控制電液伺服四球摩擦試驗機、梯姆肯極壓試驗機，濟南舜茂試驗儀器有限公司。

Shell RIMULA 15W-40柴機油、Shell Helix ULTRA 5W-40汽機油、Shell OMALA S4 GX 460齒輪油、長城8號液力傳動油、昆侖天工HM46液壓油(上述油品均采購自官方品牌供應商，以下簡稱柴機油、汽機油、齒輪油、傳動油和液壓油)。

1.2 十六烷胺改性氧化石墨烯制備

1 g十六烷胺溶于50 mL DMF中，磁攪拌下加熱溶解。0.5 g氧化石墨烯超聲分散于100 mL DMF，將十六烷胺的DMF溶液逐滴加入氧化石墨烯溶液中，超聲15 min。然后在氮氣氛圍下80 ℃磁攪拌反應6 h。抽濾溶液，依次用DMF、乙醇、石油醚清洗濾膜上的產物，60 ℃真空干燥12 h，得到改性氧化石墨烯粉體。

1.3 改性氧化石墨烯在潤滑油中的分散

將改性氧化石墨烯分別以0.005%(質量分數，下同)和0.01%(質量分數，下同)濃度添加于柴機油、汽機油、齒輪油、傳動油和液壓油五種潤滑油中，超聲混合均勻。油品外觀見圖1。

圖1 添加改性氧化石墨烯前后油品外觀

1.4 改性氧化石墨烯潤滑油性能測試

分別使用四球摩擦試驗機對上述改性氧化石墨烯潤滑油測試磨斑直徑(SH/T 0189-B)、平均摩擦系數(SH/T 0762)，最大無卡咬負荷PB和燒結負荷PD(GB/T 3142)。對齒輪油使用梯姆肯極壓試驗機測試OK值與擦傷值(GB/T 11144)。

對添加0.01%改性氧化石墨烯的五種潤滑油分別使用10 μm濾膜進行抽濾試驗，測試濾膜對改性氧化石墨烯的阻隔程度。

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對添加0.01%改性氧化石墨烯的五種潤滑油分別使用離心機進行4000 r/min、4500 r/min、5000 r/min，15 min離心試驗，測試改性氧化石墨烯在油中的分散穩定性和均勻性。

對添加0.01%改性氧化石墨烯的汽機油和液壓油留樣進行長期儲存，定時觀察氧化石墨烯在油中的沉積情況。

對添加0.01%改性氧化石墨烯的五種潤滑油分別在120 ℃、160 ℃和180 ℃下進行恒溫久置試驗，觀察氧化石墨烯在不同油品中的耐溫性能。

2 結果與討論

2.1 摩擦磨損性能分析

采用四球機對五種市售潤滑油和分別添加0.005%、0.01%改性氧化石墨烯后的油品進行摩擦磨損性能測試，考察改性氧化石墨烯對不同成品潤滑油的性能影響。市售油品數據見表1。

表1 市售五種潤滑油摩擦磨損性能

添加0.005%、0.01%改性氧化石墨烯后平均摩擦系數降低率見圖2，磨斑直徑減小率見圖3。加入0.005%濃度改性氧化石墨烯，液壓油和液力傳動油摩擦系數分別降低15.5%和8.5%，磨斑直徑降低9.8%和8.36%；0.01%添加比例下摩擦系數分別降低25.4%和30%，磨斑直徑降低17.65%和18.36%。而對柴機油、汽機油和齒輪油來說，兩種添加比例下，摩擦系數和磨斑直徑降低率明顯低于液壓油和液力傳動油。這是因為添加劑幾乎都是極性物質，抗磨劑、防銹劑等通過極性端吸附在金屬摩擦副表面，從而發揮作用，所以潤滑油中不同極性添加劑之間存在競爭吸附效應。液壓油和液力傳動油添加劑含量相對較低，改性氧化石墨烯也具有一定程度的極性，在試驗中能較大幾率吸附在摩擦副表面形成保護膜，在合適濃度下能大幅提高油品的抗磨減摩性能。而在柴機油、汽機油和齒輪油中，油品本身含有較大量的清凈分散劑或極壓抗磨劑，加入小比例的改性氧化石墨烯在對摩擦副的競爭吸附上不占優勢，所以改性氧化石墨烯的抗磨減摩性能發揮不充分。

對于所有油品，0.01%的添加比例明顯優于0.005%的添加比例下的油品性能。

圖2 添加改性氧化石墨烯后摩擦系數變化率

圖3 添加改性氧化石墨烯后磨斑直徑變化率

2.2 承載能力分析

圖4和圖5分別為五種潤滑油和分別添加0.01%改性氧化石墨烯后的PB和PD對比。可以看到添加改性氧化石墨烯后，各種潤滑油的PB有小幅改善，而PD僅有液壓油、傳動油和汽機油有小幅改善，另外兩種潤滑油添加石墨烯前后PD沒有變化。說明在高負荷臨界燒結狀態下，低濃度的改性氧化石墨烯對油品起的作用不明顯。

圖4 添加改性氧化石墨烯前后PB變化

圖5 添加改性氧化石墨烯前后PD變化

采用環塊磨損試驗機對齒輪油和添加0.01%改性氧化石墨烯的齒輪油進行極壓承載性能測試，結果見圖6。數據表明，環、塊線接觸工況下，2000 N負荷左右，加入改性氧化石墨烯后OK值與刮傷值性能提升率接近10%。結合圖2～圖6，可推斷改性氧化石墨烯在這五種潤滑油中四球點接觸和環-塊線面接觸的工況下發揮作用的的負荷上限為2500 N。改性氧化石墨烯對潤滑油的補強優勢在中低負荷下更為顯著，油品添加劑的類型及含量與石墨烯的協同作用也是影響因素。

圖6 齒輪油添加石墨烯前后性能對比

2.3 抽濾、離心和長期儲存結果分析

對添加了0.01%改性氧化石墨烯的五種潤滑油各500 mL進行10 μm濾膜抽濾實驗，均可快速抽濾，濾完后濾膜外觀見圖7。可見添加的改性氧化石墨烯沒有被截留，可順利穿過濾膜，說明改性氧化石墨烯具有良好的油溶性和分散性。

圖7 抽濾后濾膜外觀

對添加0.01%改性氧化石墨烯的五種潤滑油各取30 g加入透明離心管，分別在4000 r/min，4500 r/min，5000 r/min下進行15 min離心，離心結果見表2。三個梯度的離心轉速下油品均保持了良好的穩定性。說明改性氧化石墨烯在接枝了十六烷胺鏈后在潤滑油中能保持良好的溶解性和分散性。

表2 改性氧化石墨烯潤滑油離心狀態

對添加0.01%改性氧化石墨烯的汽機油和液壓油進行長期儲存試驗，結果見圖8。靜態放置兩年以上的添加0.01%改性氧化石墨烯的油品仍然可保持穩定分散，未見團聚和沉積發生。說明改性氧化石墨烯在接枝了十六烷胺鏈后在潤滑油中可以保持長期穩定。

圖8 靜態儲存28個月后狀態

2.4 耐溫性能分析

對添加0.01%含量改性氧化石墨烯的五種潤滑油分別在120 ℃、160 ℃和180 ℃下進行48 h連續硅油浴加熱，觀察石墨烯在油品中的耐熱穩定性。結果見表3。改性氧化石墨烯在五種潤滑油中的熱穩定性良好，180 ℃持續高溫下沒有出現團聚現象，潤滑油在設備中實際工況溫度一般低于此溫度，改性氧化石墨烯的加入對油品沒有帶來負面影響。

表3 改性氧化石墨烯潤滑油不同溫度下穩定性

3 結論

(1)利用十六烷胺改性氧化石墨烯，制得改性氧化石墨烯潤滑劑添加劑，加入成品液壓油、液力傳動油、汽機油、柴機油和齒輪油后，可明顯改善油品的抗磨減摩性能，對于添加劑含量少和礦物油型的更為顯著。

(2)改性氧化石墨烯在潤滑油中2500 N負荷下能發揮改善極壓承載性能作用。

(3)改性氧化石墨烯在各種潤滑油中具有良好的分散穩定性和熱穩定性。