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蘭州大學卜偉鋒/蘭州化物所蔡美榮、周峰 ACS Macro Lett.:含芘遙爪型聚合物穩定的石墨基油凝膠潤滑劑
2023-09-22  來源:高分子科技

  含有基礎油和添加劑的配方潤滑油能夠在摩擦副表面形成保護性摩擦膜,有效地減少機器零件的摩擦和磨損。然而,傳統含磷含硫的小分子添加劑本身具有一定的毒性,并且它們在化學、熱和/或機械方面表現出固有的不穩定性。這些都導致了嚴重的有害排放,從而引起了環境問題。近來,石墨烯、氧化石墨烯和還原氧化石墨烯等石墨衍生物已被廣泛用作綠色,環保型潤滑油納米添加劑,但它們的制備過程復雜,產率低,成本高,或者涉及使用高腐蝕性化學品,引起了嚴重的安全和環境問題。因此,直接使用原始石墨作為潤滑油添加劑對于實際摩擦學應用非常有意義。然而,由于石墨與潤滑基礎油完全不相容,實現這一綠色可持續的想法具有巨大的挑戰性。


  近日,蘭州大學卜偉鋒教授/蘭州化物所蔡美榮研究員、周峰研究員在《ACS Macro Letters上發表了題為Colloidally Stable Graphite Oleogels by Pyrene Functionalized Telechelic Polymers for Friction and Wear Reduction的論文。在溫和的條件下,芘功能化遙爪型聚合物(PmS2nPm, 2n = 30, 50, 70; m = 6)能輔助石墨以油凝膠的形式直接分散在基礎油PAO-10中。此類石墨基油凝膠不僅表現出超過一年的長期膠體穩定性,而且還展現了優異的減摩抗磨性能(圖1)。


1.aPmS2nPm的合成步驟,代表性超分子油凝膠bP6S50P6cGraphite@P6S50P6及其示意圖。


  在油凝膠中,石墨事實上已經通過與含芘的遙爪型聚合物之間的π?π相互作用被原位剝離成石墨烯。透射電子顯微鏡(TEM,圖2a)和原子力顯微鏡(AFM,圖2b)圖像顯示,石墨烯納米片形成于Graphite@PmS2nPm復合油凝膠中。AFM高度圖證明薄片厚度為2.16 ~ 2.81 nm,對應6 ~ 8層石墨烯。2c所示,復合油凝膠的偏光顯微鏡POM)圖像顯示出微弱但清晰的雙折射信號,說明由于芘基團與石墨/石墨烯之間的π?π相互作用而導致石墨在油凝膠中原位剝離成石墨烯。 


2. 從油凝膠Graphite@P6S50P6中原位剝離得到石墨烯的(aTEM圖和bAFM圖,cGraphite@P6S50P6POM顯微圖。


  摩擦學性能測試表明,基礎油PAO-10的摩擦曲線在滑動前170 s出現尖峰信號,此時的摩擦系數(COF)大于0.65。這是磨合過程中出現嚴重磨損的特征。相比之下,在聚合物油凝膠PmS2nPm作潤滑劑時,沒有出現類似的摩擦尖峰,相應的COF值在整個滑動時間范圍內PAO-10的低(圖3a)。并且,由其潤滑的鋼表面磨斑的磨損深度和磨損體積也比PAO-10的小(圖3bc),說明聚合物油凝膠PmS2nPm具有良好的減摩抗磨性能。當聚合物油凝膠PmS2nPm與石墨復合形成復合油凝膠Graphite@PmS2nPm后,磨斑的磨損深度和磨損體積都有進一步地減小(圖3bc)。相比于基礎油PAO-10和聚合物油凝膠PmS2nPm,復合油凝膠Graphite@PmS2nPm具有更為優異的潤滑性能,且其潤滑性能與石墨衍生物,例如石墨烯和氧化石墨烯的潤滑性能相當。以上結果表明,通過本文提出的方法,原始石墨可以長期穩定分散在基礎油中且可直接用作潤滑油添加劑,而無需進行任何預剝離。 


3.a油凝膠PmS2nPmGraphite@PmS2nPm的摩擦曲線,b由三維光學顯微圖像得到的磨損深度圖,c油凝膠PmS2nPmGraphite@PmS2nPm潤滑的鋼表面磨損體積。


4.a,bGraphite@P6S50P6復合油凝膠潤滑鋼表面橫截面的TEM圖,元素分布圖:(cPt,(dC,(e)O和(fFe。


  采用聚焦離子束和透射電子顯微鏡聯用技術(FIB-TEM)對Graphite@P6S50P6復合油凝膠潤滑的鋼表面進行分析以揭示潤滑機理:如圖4a所示,在鉑層和鋼塊襯底之間可以清晰地看到厚度為70 ~ 100 nm的灰色摩擦保護膜。圖4b中的高分辨TEM圖像顯示,在摩擦膜中形成了石墨烯納米片d = 0.36 nm)和氧化鐵納米顆粒(d = 0.26 nm)。此外,TEM-EDS元素分布顯示,COFe元素均勻分散在摩擦膜中(4c?f)這些結果表明,在磨損表面形成了摩擦保護膜,可將兩個摩擦接觸面隔離開,從而起到減摩抗磨作用。


  在這項工作中,石墨以油凝膠的形式直接用作綠色環保型潤滑油添加劑,而不涉及任何預先剝離,改變了我們傳統的觀點,即剝離的石墨烯是不可或缺的。考慮到大量可用的π共軛(大)分子,這一研究為制備高性能的石墨復合凝膠潤滑劑提供了一般性的方法。


  蘭州大學化學化工學院博士研究生梁逢春為論文第一作者,蘭州大學卜偉鋒教授和中科院蘭州化物所蔡美榮研究員為通訊作者。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.3c00457

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(責任編輯:xu)
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