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寧波材料所在石墨烯水潤滑添加劑領域取得進展
作者:,日期:2019-03-29

  摩擦磨損現象普遍存在于機械系統的運動部件中,其會導致巨大的能量消耗并引起機械部件的損壞,降低機械裝備運行的可靠性和安全性。水基潤滑劑具有成本低廉、安全可靠性高、冷卻性好、無毒性和不易燃等特點,是一種環境友好型潤滑劑,可應用到礦井等高溫、嚴禁明火的環境中。但是其實際應用卻因較低的運動粘度、有限的潤滑性能和易腐蝕性而具有一定的局限性。石墨烯是一種具有優異力學性能的二維碳基納米材料,且片層之間滑動為摩擦系數極低的超滑滑動,發展石墨烯基水潤滑添加劑有望突破現有水潤滑介質的性能極限,大幅提升先進水潤滑系統的壽命和可靠性。

  中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋功能材料團隊通過對石墨烯進行功能化修飾使其可穩定分散于水中,從而開發出了一種環境友好型的水基潤滑劑,可有效降低摩擦副的摩擦系數和磨損。通過甲苯二異氰酸酯作為橋聯劑制備出了單端帶有氨基的聚乙二醇衍生物(PEG),利用其上的氨基與羧基化石墨烯上的羧基發生酰胺化反應得到聚乙二醇共價鍵功能化修飾的石墨烯(PEG-G),修飾后的石墨烯在水中的溶解度提高了62%。PEG提高了石墨烯的水分散性和對摩擦副的潤濕性,使其在摩擦副表面形成潤滑保護膜,避免了摩擦副之間的直接接觸,從而降低了摩擦系數和磨損率,摩擦系數最大降低約39%,磨損率最大降低約81%。相關研究內容發表在Carbon,2018,137,41-48,并申請了國家發明專利(CN108130159A)。

  另外,該團隊利用具有吸附性的β-乳球蛋白(BLG)作為剝離劑和分散劑修飾還原氧化石墨烯(RGO),蛋白質可與RGO殘余的氧化基團產生氫鍵,其憎水基團可與RGO表面產生相互作用,親水基團朝向水相從而促使還原氧化石墨烯可在水中穩定分散達8個月。由于蛋白質在金屬表面固有的吸附性能,BLG-RGO可在摩擦副表面形成穩定的吸附層,在摩擦前期阻礙摩擦副的接觸并阻止水和水中溶解的氧氣對摩擦副的腐蝕。在摩擦過程中,石墨烯的片層結構使其具有較低的摩擦系數,并且吸附層嵌入磨痕中,形成摩擦膜,降低其磨損率。BLG-RGO作為水基潤滑添加劑具有優異的潤滑性能和緩蝕性能,其摩擦系數降低37%,磨損率降低45%,緩蝕效率達92%。相關工作發表在Tribology International, 2019, 135, 277-286,并申請了國家發明專利(CN 108517238A)。

  上述工作獲得了國家杰出青年科學基金(51825505)、江蘇省重點研究發展計劃(BE2016115)和寧波市工業重大科技項目(2017B1004)等的資助。

 

圖1 (a) PEG-G合成示意圖,(b) PEG-G作為水基潤滑添加劑的摩擦系數,(c) 潤滑機理圖

 

圖2 (a) GO、RGO和BLG-RGO分別靜置15天和8個月的數碼照片,(b) BLG-RGO作為水基潤滑添加劑的摩擦系數曲線,(c) BLG-RGO的平均摩擦系數和磨損率,(d) BLG-RGO作為水基潤滑添加劑的潤滑機理

  (表面事業部/中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室 胡藝紋)

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