原位聚合法制備石墨烯/聚合物復(fù)合材料作為潤(rùn)滑添加劑的摩擦學(xué)研究

0引言

在摩擦學(xué)領(lǐng)域'摩擦力是影響機(jī)械設(shè)備性能和耐久性的關(guān)鍵因素。隨著電氣化工程技術(shù)的發(fā)展,載流摩擦—一種在電流作用下發(fā)生的特殊摩擦現(xiàn)象,成為新的研究焦點(diǎn)。載流摩擦不僅影響機(jī)械設(shè)備的效能,還牽涉到電氣性能的穩(wěn)定,尤其是在接觸點(diǎn)的可靠性。因此,開發(fā)能同時(shí)改善摩擦學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性能的材料和潤(rùn)滑技術(shù),對(duì)于提升電氣機(jī)械設(shè)備的性能至關(guān)重要^[1]。已有實(shí)驗(yàn)表明,采用潤(rùn)滑劑可以有效降低載流摩擦所帶來(lái)的不利影響。導(dǎo)電潤(rùn)滑劑一般具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能和導(dǎo)電性能,應(yīng)用于載流摩擦工況時(shí),能降低摩擦磨損和接觸電阻,從而達(dá)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(guò)機(jī)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(dǎo)性以及層間低剪切阻力而備受關(guān)注,其優(yōu)異的摩擦學(xué)性能在摩擦學(xué)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力,也成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。盡管石墨烯展現(xiàn)了出色的減摩和抗磨損能力,但其團(tuán)聚和缺陷可能導(dǎo)致其摩擦性能不穩(wěn)定^[3]。為解決這一問(wèn)題,可通過(guò)添加適量分散劑或?qū)κ┻M(jìn)行化學(xué)修飾以提高其在潤(rùn)滑劑中的分散性。已有學(xué)者通過(guò)離子液體的非共價(jià)改性,制得具有良好界面吸附能力的石墨烯/離子液體復(fù)合材料,并且將其作為導(dǎo)電潤(rùn)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(dǎo)電性能^[4]。但同時(shí)離子液體腐蝕性、粘度大、設(shè)計(jì)成本高和對(duì)環(huán)境不友好等缺點(diǎn)限制了其在摩擦領(lǐng)域的應(yīng)用,因此選擇合適的材料去改善石墨烯的性能也成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

近年來(lái),高性能聚合物基納米復(fù)合材料的研究吸引了眾多研究者的關(guān)注,聚合物化合物作為新型導(dǎo)電材料具有成本低、可加工性好、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)^[5]。但石墨烯增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料在增強(qiáng)體的分散以及石墨烯納米片與聚合物基體之間的界面結(jié)合方面面臨一些挑戰(zhàn)^[6],由此聚合物與石墨烯復(fù)合材料的制備工藝成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn),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(fù)合材料,從而應(yīng)用于不同領(lǐng)域^[7]。同時(shí),聚合物基納米復(fù)合材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域也有不少研究^[8—10],有研究表明,通過(guò)在聚合物基質(zhì)中引入石墨烯,可以獲得石墨烯/聚合物復(fù)合材料,在油潤(rùn)滑條件下,聚合物中的納米顆粒能促進(jìn)轉(zhuǎn)移膜的形成,可以改善摩擦系統(tǒng)的邊界潤(rùn)滑條件,使復(fù)合材料具有良好的耐磨性^[11]。聚合物材料中一些含氮雜環(huán)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(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性和性能可設(shè)計(jì)性,而且含氮雜環(huán)化合物用作潤(rùn)滑添加劑由來(lái)已久,電負(fù)性高,原子半徑小,分子結(jié)構(gòu)緊湊,分子之間易形成氫鍵,能增強(qiáng)橫向引力,提高油膜強(qiáng)度^[12-13]。

目前,獲得石墨烯/聚合物復(fù)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(zhì)中,以石墨烯片之間的內(nèi)聚相互作用為代價(jià)形成強(qiáng)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(guò)原位聚合的方法制備的聚合物/石墨烯復(fù)合材料,石墨烯與聚合物單體或低聚物以共價(jià)鍵的方式鏈接,石墨烯與高分子聚合物通過(guò)化學(xué)鍵與片層之間發(fā)生連接,相比于非共價(jià)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(jià)改性中形成的化學(xué)鍵更穩(wěn)定,不易被破壞,與聚合物形成單位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其作用力更強(qiáng),石墨烯在聚合物中的分散性更好[15]。本文選擇了單環(huán)的吡咯和多環(huán)多氮原子的苯并咪唑兩種材料,分別與石墨烯進(jìn)行原位聚合反應(yīng),共價(jià)改性石墨烯,制備出聚吡咯/石墨烯、聚苯并咪唑/石墨烯復(fù)合材料,并測(cè)試了兩種復(fù)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料制備

聚吡咯/石墨烯復(fù)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(jìn)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(zhì)量比為3:5),整個(gè)溶液進(jìn)一步超聲處理1 h,之后加入100 mL含有2 g過(guò)硫酸銨(APS)的蒸餾水,然后繼續(xù)超聲30 min。超聲處理后,將反應(yīng)容器放置于1~5℃的環(huán)境中繼續(xù)進(jìn)行聚合反應(yīng)24 h。將得到的黑色沉淀過(guò)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(fù)合材料(G/PPy)。

聚苯并咪唑/石墨烯復(fù)合材料的制備:先用甲烷磺酸與五氧化二磷按質(zhì)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2g的4,4,-二羧基二苯醚(DCDPE),通入氮?dú)?以保持氮?dú)猸h(huán)境,將三頸燒瓶置于油浴鍋中,升溫至100℃反應(yīng)24 h,之后再加入0.5 g的 DCDPE 和 2.07 g的 3,3,-四 氨 基 聯(lián) 苯 胺(DABz),并升溫至140℃反應(yīng)40 min。反應(yīng)結(jié)束后將產(chǎn)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(jìn)行清洗,再使用二甲基甲酰胺(DMF)進(jìn)一步清洗,并置于離心機(jī)中進(jìn)行離心處理,轉(zhuǎn)速為11000 r/min,重復(fù)洗滌至上層清液為澄清透明無(wú)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(fù)合材料(G/PBI)。

1.2 潤(rùn)滑脂的制備

潤(rùn)滑脂的制備工藝:首先將0.3wt%G、G/PPy和G/PBI復(fù)合材料添加進(jìn)PAO40基礎(chǔ)油中,先后經(jīng)過(guò)磁力攪拌0.5 h和超聲分散2 h使添加劑在PAO40基礎(chǔ)油中均勻分散;隨后將占總質(zhì)量70%的PAO40基礎(chǔ)油和占總質(zhì)量30%的聚四氟乙烯混合放入容器,先通過(guò)電力攪拌器以500 r/min轉(zhuǎn)速攪拌5 min,之后往容器中加入少量無(wú)水乙醇,并通過(guò)電力攪拌器以1 500 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌40 min;攪拌完畢將混合物加熱至90℃,維持30min以去除無(wú)水乙醇;最后將混合物冷卻至室溫,并通過(guò)三輥研磨機(jī)研磨/均質(zhì)三次,得到含有添加劑的潤(rùn)滑脂,記為PAO40基礎(chǔ)脂、PAO40+G、PAO40+G/PPY和PAO40+G/PBI。

2 載流摩擦實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

使用BrukerUMT-TriboLab多功能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)和鋼球-鋼板摩擦系統(tǒng)研究載流條件下G、G/PPy 和G/PBI復(fù)合材料作為PAO40基礎(chǔ)脂添加劑的減摩導(dǎo)電性能。實(shí)驗(yàn)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(jīng)過(guò)機(jī)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(shí)驗(yàn)中用到的潤(rùn)滑脂為以PAO40為基礎(chǔ)油制備的PAO40基礎(chǔ)脂,以及G、G/PPY和G/PBI復(fù)合材料為添加劑制備的潤(rùn)滑脂,添加劑的量均為0.3wt%。實(shí)驗(yàn)開始前將大約1 g潤(rùn)滑脂填充到摩擦接觸區(qū)域,直至摩擦接觸區(qū)域

充滿潤(rùn)滑劑。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:載荷30 N,行程3.0 mm,頻率5 Hz,持續(xù)時(shí)間20 min。每個(gè)樣品至少進(jìn)行3次摩擦學(xué)測(cè)試,以確保可靠性。摩擦實(shí)驗(yàn)前,用石油醚在超聲波清洗機(jī)中清洗鋼球和鋼板10 min。此外,所有的摩擦實(shí)驗(yàn)都在大氣環(huán)境中進(jìn)行,環(huán)境相對(duì)濕度為(45± 10)%,溫度為(25±1)℃。摩擦系數(shù)由UMT-TriboLab摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄,施加0.5 A大小的電流,接觸電阻由萬(wàn)用表測(cè)試電壓值計(jì)算得到。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,分別用石油醚在超聲波清洗機(jī)中清洗鋼球和鋼板10min,再用無(wú)水乙醇擦拭去除磨痕上殘留的潤(rùn)滑。

載流條件下的摩擦系數(shù)實(shí)時(shí)曲線、接觸電阻實(shí)時(shí)曲線如圖1所示,四種潤(rùn)滑脂的摩擦系數(shù)都是先升高之后處于穩(wěn)定狀態(tài),PAO40基礎(chǔ)脂在穩(wěn)定后摩擦系數(shù)基本保持不變,而PAO40+G潤(rùn)滑脂在后期出現(xiàn)了摩擦系數(shù)上升的現(xiàn)象,PAO40+G/PPY和PAO40+G/PBI潤(rùn)滑脂出現(xiàn)了逐漸下降的趨勢(shì)。四種潤(rùn)滑脂在前600 s處于磨合狀態(tài),接觸電阻并沒(méi)有呈現(xiàn)出規(guī)律性,而在剩下的實(shí)驗(yàn)中,潤(rùn)滑脂處于穩(wěn)定摩擦狀態(tài),接觸電阻處于穩(wěn)定狀態(tài),PAO40+G/PPY和PAO40+G/PBI潤(rùn)滑脂在穩(wěn)定后的接觸電阻明顯低于PAO40基礎(chǔ)脂和PAO40+G潤(rùn)滑脂,其中PAO40基礎(chǔ)脂的接觸電阻最高。

四種潤(rùn)滑脂的平均摩擦系數(shù)和平均接觸電阻如圖2所示,其中PAO40基礎(chǔ)脂潤(rùn)滑下的平均摩擦系數(shù)最高為0.09213,而另外PAO40+G、PAO40+G/PPY和 PAO40+G/PBI三種潤(rùn)滑脂的平均摩擦系數(shù)分別為0.09072、0.08911、0.08891,相比PAO40基礎(chǔ)脂均有所降低,分別降低了1.53%、3.28%和3.5%。從四種潤(rùn)滑脂的平均接觸電阻上看,PAO40基礎(chǔ)脂的平均接觸電阻最高,為0.260 2 Ω,其他三種潤(rùn)滑脂的平均接觸電阻分別為0.2107、0.1938、0.1965 Ω,與PAO40基礎(chǔ)脂相比分別降低了19%、25.5%和24.5%。總的來(lái)看,在基礎(chǔ)脂中加入石墨烯和聚吡咯/石墨烯復(fù)合材料、聚苯并咪唑/石墨烯復(fù)合材料,達(dá)到了降低基礎(chǔ)脂摩擦系數(shù)和接觸電阻的效果。

使用微機(jī)控制電液伺服四球摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)(型號(hào)為MRS-10D)研 究PAO40基礎(chǔ)脂和 以G、G/PPy、G/PBI復(fù)合材料為添加劑制備的潤(rùn)滑脂的極壓抗磨性能。在GB/T3142—2019《潤(rùn)滑劑承載能力的測(cè)定四球法》標(biāo)準(zhǔn)下,測(cè)定了四種潤(rùn)滑脂的最大無(wú)卡咬負(fù)荷PB和燒結(jié)負(fù)荷P_D。最大無(wú)卡咬負(fù)荷P_B,又稱油膜強(qiáng)度,是在實(shí)驗(yàn)條件下不發(fā)生卡咬的最高負(fù)荷,它代表油膜強(qiáng)度;燒結(jié)負(fù)荷PD為在實(shí)驗(yàn)條件下使鋼球發(fā)生燒結(jié)的最低負(fù)荷,它代表潤(rùn)滑劑的極限工作能力。如圖3所示,PAO40基礎(chǔ)脂的最大無(wú)卡咬負(fù)荷最小為981 N,而另外三種潤(rùn)滑脂最大無(wú)卡咬負(fù)荷得到了提升,分別為1020、1050、1050 N,其中PAO40+G/PPY和PAO40+G/PBI 兩 種 潤(rùn) 滑脂 的 提 升 效 果更好; PAO40基礎(chǔ)脂燒結(jié)負(fù)荷PD最大為3924 N,其他三種潤(rùn)滑脂的燒結(jié)負(fù)荷均為3 090 N。

3討論

載流摩擦工況下,在基礎(chǔ)潤(rùn)滑脂中加入石墨烯,石墨烯在摩擦過(guò)程中可以附著在磨痕表面形成保護(hù)膜,并且石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能,因此這層由石墨烯組成的保護(hù)膜,不僅可以保護(hù)摩擦表面,還可以增加接觸界面之間的電流傳導(dǎo)通路,就像一層具有優(yōu)異導(dǎo)電性能的鍍層一樣。因此,相比PAO40基礎(chǔ)脂,PAO40+G潤(rùn)滑脂具有更穩(wěn)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(guò)程中被堆積在磨痕底部,惡化界面狀態(tài),增加界面的粗糙度,因此實(shí)驗(yàn)中PAO40+G潤(rùn)滑脂降低接觸電阻的效果不算優(yōu)異;而通過(guò)原位聚合的方法制備的聚合物/石墨烯復(fù)合材料,石墨烯與聚合物單體或低聚物以共價(jià)鍵的方式鏈接,石墨烯與高分子聚合物通過(guò)化學(xué)鍵與片層之間發(fā)生連接,形成了穩(wěn)定的化學(xué)鍵,不易被破壞,與聚合物形成單位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其作用力更強(qiáng),提高了石墨烯/聚合物材料在潤(rùn)滑脂中的分散性,且含氮雜環(huán)的聚合物本身具有良好的機(jī)械性能和導(dǎo)電性,兩者在潤(rùn)滑脂中可以產(chǎn)生協(xié)同作用,使石墨烯/氮雜環(huán)聚合物材料作為潤(rùn)滑添加劑對(duì)潤(rùn)滑脂有更好的降低摩擦系數(shù)和接觸電阻的效果。通過(guò)四球摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)探究了四種潤(rùn)滑脂在極壓情況下的抗磨性能,與基礎(chǔ)脂相比,石墨烯和石墨烯/聚合物復(fù)合材料作為潤(rùn)滑添加劑提高了潤(rùn)滑脂在極壓工況下的油膜強(qiáng)度以及潤(rùn)滑脂的抗磨性能。綜上所述,通過(guò)設(shè)計(jì)使石墨烯與聚合物材料進(jìn)行復(fù)合制備出的復(fù)合材料達(dá)到了減摩抗磨的效果,證明了石墨烯/聚合物材料在潤(rùn)滑領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

石墨烯增強(qiáng)高分子聚合物的摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵在于石墨烯在基體中的分散性和它們之間的界面強(qiáng)度,以及適當(dāng)選擇材料進(jìn)行多元添加,以產(chǎn)生材料之間的協(xié)同作用。深入的研究和開發(fā)顯示,含氮雜環(huán)聚合物在潤(rùn)滑和導(dǎo)電領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本研究選擇了單環(huán)的吡咯和多環(huán)含氮的苯并咪唑兩種材料,通過(guò)與石墨烯進(jìn)行原位聚合反應(yīng),共價(jià)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(fù)合材料,對(duì)這兩種復(fù)合材料在載流條件下的摩擦性能和抗磨性能進(jìn)行了測(cè)試。此項(xiàng)研究的成果不僅揭示了石墨烯基潤(rùn)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(shè)備性能方面的潛力。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的復(fù)合材料,可以優(yōu)化電氣機(jī)械設(shè)備的性能,降低能耗,延長(zhǎng)使用壽命。這些發(fā)現(xiàn)為電氣化工程領(lǐng)域提供了新的材料選擇,有助于推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。隨著進(jìn)一步的研究和開發(fā),這些復(fù)合材料有望在未來(lái)的工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用,尤其是在那些需要高效潤(rùn)滑和良好導(dǎo)電性能的場(chǎng)合。

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2024年第11期第9篇