原位聚合法制備石墨烯/聚合物復合材料作為潤滑添加劑的摩擦學研究

王建新 周銘

摘要：石墨烯具有優異的潤滑性能、導電性能以及保護摩擦界面的能力，被廣泛應用于摩擦學領域。聚合物復合材料具有優異的摩擦學性能和獨特的自潤滑能力，為聚合物與石墨烯復合材料在潤滑制備方面提供了可行性。石墨烯增強高分子聚合物的摩擦學性能關鍵在于石墨烯在基體中的分散性和它們之間的界面強度，以及選擇合適的材料進行多元添加產生多種材料之間的協同作用。鑒于此，在石墨烯復合材料作為潤滑添加劑的基礎上，采用原位聚合的方法合成了聚吡咯/石墨烯復合材料和聚苯并咪唑/石墨烯復合材料，得到均勻分散的復合材料，并且作為導電潤滑劑加入基礎脂，制備出導電潤滑脂，并通過載流摩擦試驗證明了石墨烯/聚合物復合材料作為潤滑添加劑達到了減摩抗磨的效果。

關鍵詞：石墨烯;聚合物;原位聚合;導電潤滑;減摩抗磨

中圖分類號：TH140.7? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）11-0035-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.009

0? ? 引言

在摩擦學領域，摩擦力是影響機械設備性能和耐久性的關鍵因素。隨著電氣化工程技術的發展，載流摩擦——一種在電流作用下發生的特殊摩擦現象，成為新的研究焦點。載流摩擦不僅影響機械設備的效能，還牽涉到電氣性能的穩定，尤其是在接觸點的可靠性。因此，開發能同時改善摩擦學性質和電學性能的材料和潤滑技術，對于提升電氣機械設備的性能至關重要[1]。已有實驗表明，采用潤滑劑可以有效降低載流摩擦所帶來的不利影響。導電潤滑劑一般具有優異的摩擦學性能和導電性能，應用于載流摩擦工況時，能降低摩擦磨損和接觸電阻，從而達到改善電接觸可靠性和提升使用壽命的效果[2]。

石墨烯是通過機械剝離的方法從石墨中剝離出的一種二維材料，因其高載流子遷移率、大的比表面積、出色的電熱傳導性以及層間低剪切阻力而備受關注，其優異的摩擦學性能在摩擦學領域具有很大的應用潛力，也成為該領域的研究熱點。盡管石墨烯展現了出色的減摩和抗磨損能力，但其團聚和缺陷可能導致其摩擦性能不穩定[3]。為解決這一問題，可通過添加適量分散劑或對石墨烯進行化學修飾以提高其在潤滑劑中的分散性。已有學者通過離子液體的非共價改性，制得具有良好界面吸附能力的石墨烯/離子液體復合材料，并且將其作為導電潤滑脂的添加劑，在載流摩擦條件下顯著降低了摩擦界面的粗糙度，并提升了界面的導電性能[4]。但同時離子液體腐蝕性、粘度大、設計成本高和對環境不友好等缺點限制了其在摩擦領域的應用，因此選擇合適的材料去改善石墨烯的性能也成為一個研究熱點。

近年來，高性能聚合物基納米復合材料的研究吸引了眾多研究者的關注，聚合物化合物作為新型導電材料具有成本低、可加工性好、化學穩定性高等優點[5]。但石墨烯增強聚合物復合材料在增強體的分散以及石墨烯納米片與聚合物基體之間的界面結合方面面臨一些挑戰[6]，由此聚合物與石墨烯復合材料的制備工藝成為當前的研究熱點與難點，不同的制備工藝和不同的聚合物基納米材料可得到性能不同的復合材料，從而應用于不同領域[7]。同時，聚合物基納米復合材料在摩擦學領域也有不少研究[8-10]，有研究表明，通過在聚合物基質中引入石墨烯，可以獲得石墨烯/聚合物復合材料，在油潤滑條件下，聚合物中的納米顆粒能促進轉移膜的形成，可以改善摩擦系統的邊界潤滑條件，使復合材料具有良好的耐磨性[11]。聚合物材料中一些含氮雜環的聚合物，例如聚吡咯、聚酰亞胺、聚苯并咪唑等材料，還具有導電性、高化學穩定性和性能可設計性，而且含氮雜環化合物用作潤滑添加劑由來已久，電負性高，原子半徑小，分子結構緊湊，分子之間易形成氫鍵，能增強橫向引力，提高油膜強度[12-13]。

目前，獲得石墨烯/聚合物復合材料的均勻分散的最有效方法之一是石墨烯引入聚合物基質中，以石墨烯片之間的內聚相互作用為代價形成強界面相互作用，主要有原位聚合法、熔融共混法和溶液共混法[14]。研究表明，通過原位聚合的方法制備的聚合物/石墨烯復合材料，石墨烯與聚合物單體或低聚物以共價鍵的方式鏈接，石墨烯與高分子聚合物通過化學鍵與片層之間發生連接，相比于非共價改性中的π-π共軛相互作用以及氫鍵作用等這些比較弱的相互作用力，共價改性中形成的化學鍵更穩定，不易被破壞，與聚合物形成單位網絡結構，其作用力更強，石墨烯在聚合物中的分散性更好[15]。本文選擇了單環的吡咯和多環多氮原子的苯并咪唑兩種材料，分別與石墨烯進行原位聚合反應，共價改性石墨烯，制備出聚吡咯/石墨烯、聚苯并咪唑/石墨烯復合材料，并測試了兩種復合材料在載流摩擦和四球極壓摩擦條件下的減摩抗磨性能。

1? ? 實驗部分

1.1? ? 材料制備

聚吡咯/石墨烯復合材料的制備：將1 g石墨烯（G）和1 g十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）加入到300 mL蒸餾水中并攪拌均勻，再進行1 h超聲處理，得到分散良好的溶液。然后在上述溶液中加入1.667 g吡咯（石墨烯與吡咯的質量比為3：5），整個溶液進一步超聲處理1 h，之后加入100 mL含有2 g過硫酸銨（APS）的蒸餾水，然后繼續超聲30 min。超聲處理后，將反應容器放置于1～5 ℃的環境中繼續進行聚合反應24 h。將得到的黑色沉淀過濾并用蒸餾水和乙醇洗滌多次，所得沉淀物在70 ℃干燥12 h得到聚吡咯/石墨烯復合材料（G/PPy）。

聚苯并咪唑/石墨烯復合材料的制備：先用甲烷磺酸與五氧化二磷按質量比10：1配置成60 mL溶液，再加入0.3 g石墨烯，超聲處理2 h。隨后，將混合溶液倒入三頸燒瓶中，加入2 g的4，4-二羧基二苯醚（DCDPE），通入氮氣，以保持氮氣環境，將三頸燒瓶置于油浴鍋中，升溫至100 ℃反應24 h，之后再加入0.5 g的DCDPE和2.07 g的3，3-四氨基聯苯胺（DABz），并升溫至140 ℃反應40 min。反應結束后將產物沉析于冰水混合物中，配制含量為5%的NaHCO3溶液，先用蒸餾水和NaHCO3溶液進行清洗，再使用二甲基甲酰胺（DMF）進一步清洗，并置于離心機中進行離心處理，轉速為11 000 r/min，重復洗滌至上層清液為澄清透明無色。最后于80 ℃真空烘箱中干燥處理24 h后得到聚苯并咪唑/石墨烯復合材料（G/PBI）。

1.2? ? 潤滑脂的制備

潤滑脂的制備工藝：首先將0.3wt% G、G/PPy和G/PBI復合材料添加進PAO40基礎油中，先后經過磁力攪拌0.5 h和超聲分散2 h使添加劑在PAO40基礎油中均勻分散;隨后將占總質量70%的PAO40基礎油和占總質量30%的聚四氟乙烯混合放入容器，先通過電力攪拌器以500 r/min轉速攪拌5 min，之后往容器中加入少量無水乙醇，并通過電力攪拌器以1 500 r/min轉速攪拌40 min;攪拌完畢將混合物加熱至90 ℃，維持30 min以去除無水乙醇;最后將混合物冷卻至室溫，并通過三輥研磨機研磨/均質三次，得到含有添加劑的潤滑脂，記為PAO40基礎脂、PAO40+G、PAO40+

G/PPy和PAO40+G/PBI。

2? ? 載流摩擦實驗及結果

使用Bruker UMT-TriboLab多功能摩擦磨損實驗機和鋼球-鋼板摩擦系統研究載流條件下G、G/PPy和G/PBI復合材料作為PAO40基礎脂添加劑的減摩導電性能。實驗中用到的鋼板（軸承鋼GCr15）硬度為HRC50，尺寸為40 mm×30 mm×5 mm，鋼板表面經過機械拋光以消除表面粗糙度的影響。鋼球（440-C不銹鋼）直徑為6.35 mm，硬度為HRC62。實驗中用到的潤滑脂為以PAO40為基礎油制備的PAO40基礎脂，以及G、G/PPy和G/PBI復合材料為添加劑制備的潤滑脂，添加劑的量均為0.3wt%。實驗開始前將大約1 g潤滑脂填充到摩擦接觸區域，直至摩擦接觸區域充滿潤滑劑。實驗參數為：載荷30 N，行程3.0 mm，頻率5 Hz，持續時間20 min。每個樣品至少進行3次摩擦學測試，以確保可靠性。摩擦實驗前，用石油醚在超聲波清洗機中清洗鋼球和鋼板10 min。此外，所有的摩擦實驗都在大氣環境中進行，環境相對濕度為（45±

10）%，溫度為（25±1）℃。摩擦系數由UMT-TriboLab摩擦磨損實驗機自動記錄，施加0.5 A大小的電流，接觸電阻由萬用表測試電壓值計算得到。實驗結束后，分別用石油醚在超聲波清洗機中清洗鋼球和鋼板10 min，再用無水乙醇擦拭去除磨痕上殘留的潤滑。

載流條件下的摩擦系數實時曲線、接觸電阻實時曲線如圖1所示，四種潤滑脂的摩擦系數都是先升高之后處于穩定狀態，PAO40基礎脂在穩定后摩擦系數基本保持不變，而PAO40+G潤滑脂在后期出現了摩擦系數上升的現象，PAO40+G/PPy和PAO40+

G/PBI潤滑脂出現了逐漸下降的趨勢。四種潤滑脂在前600 s處于磨合狀態，接觸電阻并沒有呈現出規律性，而在剩下的實驗中，潤滑脂處于穩定摩擦狀態，接觸電阻處于穩定狀態，PAO40+G/PPy和PAO40+

G/PBI潤滑脂在穩定后的接觸電阻明顯低于PAO40基礎脂和PAO40+G潤滑脂，其中PAO40基礎脂的接觸電阻最高。

四種潤滑脂的平均摩擦系數和平均接觸電阻如圖2所示，其中PAO40基礎脂潤滑下的平均摩擦系數最高為0.092 13，而另外PAO40+G、PAO40+G/PPy和PAO40+G/PBI三種潤滑脂的平均摩擦系數分別為0.090 72、0.089 11、0.088 91，相比PAO40基礎脂均有所降低，分別降低了1.53%、3.28%和3.5%。從四種潤滑脂的平均接觸電阻上看，PAO40基礎脂的平均接觸電阻最高，為0.260 2 Ω，其他三種潤滑脂的平均接觸電阻分別為0.210 7、0.193 8、0.196 5 Ω，與PAO40基礎脂相比分別降低了19%、25.5%和24.5%。總的來看，在基礎脂中加入石墨烯和聚吡咯/石墨烯復合材料、聚苯并咪唑/石墨烯復合材料，達到了降低基礎脂摩擦系數和接觸電阻的效果。

使用微機控制電液伺服四球摩擦實驗機（型號為MRS-10D）研究PAO40基礎脂和以G、G/PPy、G/PBI復合材料為添加劑制備的潤滑脂的極壓抗磨性能。在GB/T 3142—2019《潤滑劑承載能力的測定 四球法》標準下，測定了四種潤滑脂的最大無卡咬負荷PB和燒結負荷PD。最大無卡咬負荷PB，又稱油膜強度，是在實驗條件下不發生卡咬的最高負荷，它代表油膜強度;燒結負荷PD為在實驗條件下使鋼球發生燒結的最低負荷，它代表潤滑劑的極限工作能力。如圖3所示，PAO40基礎脂的最大無卡咬負荷最小為981 N，而另外三種潤滑脂最大無卡咬負荷得到了提升，分別為1 020、1 050、1 050 N，其中PAO40+G/PPy和PAO40+G/PBI兩種潤滑脂的提升效果更好;PAO40基礎脂燒結負荷PD最大為3 924 N，其他三種潤滑脂的燒結負荷均為3 090 N。

3? ? 討論

載流摩擦工況下，在基礎潤滑脂中加入石墨烯，石墨烯在摩擦過程中可以附著在磨痕表面形成保護膜，并且石墨烯具有優異的導電性能，因此這層由石墨烯組成的保護膜，不僅可以保護摩擦表面，還可以增加接觸界面之間的電流傳導通路，就像一層具有優異導電性能的鍍層一樣。因此，相比PAO40基礎脂，PAO40+G潤滑脂具有更穩定的接觸電阻，但是由于吸附性能不足，石墨烯容易在摩擦過程中被堆積在磨痕底部，惡化界面狀態，增加界面的粗糙度，因此實驗中PAO40+G潤滑脂降低接觸電阻的效果不算優異;而通過原位聚合的方法制備的聚合物/石墨烯復合材料，石墨烯與聚合物單體或低聚物以共價鍵的方式鏈接，石墨烯與高分子聚合物通過化學鍵與片層之間發生連接，形成了穩定的化學鍵，不易被破壞，與聚合物形成單位網絡結構，其作用力更強，提高了石墨烯/聚合物材料在潤滑脂中的分散性，且含氮雜環的聚合物本身具有良好的機械性能和導電性，兩者在潤滑脂中可以產生協同作用，使石墨烯/氮雜環聚合物材料作為潤滑添加劑對潤滑脂有更好的降低摩擦系數和接觸電阻的效果。通過四球摩擦實驗機探究了四種潤滑脂在極壓情況下的抗磨性能，與基礎脂相比，石墨烯和石墨烯/聚合物復合材料作為潤滑添加劑提高了潤滑脂在極壓工況下的油膜強度以及潤滑脂的抗磨性能。綜上所述，通過設計使石墨烯與聚合物材料進行復合制備出的復合材料達到了減摩抗磨的效果，證明了石墨烯/聚合物材料在潤滑領域具有廣闊的應用前景。

4? ? 結束語

石墨烯增強高分子聚合物的摩擦學性能的關鍵在于石墨烯在基體中的分散性和它們之間的界面強度，以及適當選擇材料進行多元添加，以產生材料之間的協同作用。深入的研究和開發顯示，含氮雜環聚合物在潤滑和導電領域具有廣泛的應用前景。本研究選擇了單環的吡咯和多環含氮的苯并咪唑兩種材料，通過與石墨烯進行原位聚合反應，共價改性石墨烯，制備出了聚吡咯/石墨烯和聚苯并咪唑/石墨烯復合材料，對這兩種復合材料在載流條件下的摩擦性能和抗磨性能進行了測試。此項研究的成果不僅揭示了石墨烯基潤滑劑在降低載流摩擦中的有效性，還展示了聚合物材料在改善電氣設備性能方面的潛力。通過精心設計的復合材料，可以優化電氣機械設備的性能，降低能耗，延長使用壽命。這些發現為電氣化工程領域提供了新的材料選擇，有助于推動技術的發展和應用。隨著進一步的研究和開發，這些復合材料有望在未來的工業應用中發揮重要作用，尤其是在那些需要高效潤滑和良好導電性能的場合。

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收稿日期：2024-03-01

作者簡介：王建新（1997—），男，河南人，碩士研究生，研究方向：潤滑脂添加劑減摩抗磨性能的應用。

通信作者：周銘（1985—），女，廣西人，教授，主要從事二維新材料的界面科學及技術和摩擦學方面的研究工作。

基金項目：廣西自然科學基金-杰出青年科學基金項目“基于二維新材料的機械載流摩擦表/界面行為調控與機理研究”（2022GXNSFFA035036）