石墨烯作為水基添加劑在電場條件下的摩擦性能研究

0引言

摩擦現(xiàn)象在人類的生產(chǎn)和生活中無處不在,它既帶來了便利,也會導(dǎo)致能量損耗和機(jī)械部件的失效。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,摩擦造成的能量損耗高達(dá)33%,而機(jī)械故障中有80%是由摩擦引起的^[1]。傳統(tǒng)的解決方案依賴于油基潤滑劑,這些潤滑劑來源于不可再生的礦石材料,隨之帶來的是成本的上升和環(huán)境污染問題的加劇。因此,尋找一種經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的潤滑方式成為迫切的需求。在這種背景下,水基潤滑因其環(huán)境友好性而受到了廣泛關(guān)注。然而,水基潤滑系統(tǒng)存在一定的局限性,例如它們通常不能承受較高的載荷且潤滑性能一般。為了解決這些問題,研究者提出了多種策略,其中向水中添加納米微粒被普遍認(rèn)為是一種有效的方法^[2-5]。

石墨烯作為近年來被廣泛報(bào)道的二維材料^[6],因其出色的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能,被認(rèn)為能夠顯著改善潤滑系統(tǒng)的性能,在油基潤滑系統(tǒng)中,石墨烯已經(jīng)證明了其優(yōu)異的潤滑效果。值得注意的是,在水基溶液中添加石墨烯也能起到顯著的潤滑效果,這為提高水基潤滑系統(tǒng)的性能提供了新的思路^[7-8]。

電控摩擦是一種利用電場來調(diào)控摩擦性質(zhì)的技術(shù),展現(xiàn)了在改善摩擦和提高機(jī)械性能方面的巨大潛力。C. Drummond通過應(yīng)用交變電場來調(diào)整聚電解質(zhì)涂層的局部分子構(gòu)象,從而實(shí)現(xiàn)對整體摩擦的精確、主動控制^[9]。蔣洪軍、孟永鋼等研究了邊界潤滑條 件下外電場對Al203/黃銅、Al203/不銹鋼和Al203/碳鋼摩擦副摩擦行為的影響,發(fā)現(xiàn)外部電場對各摩擦偶的摩擦系數(shù)有較大影響^[10]。外加電場可以控制液體中納米顆粒從而影響摩擦,電場可以誘導(dǎo)碳納米管在聚合物復(fù)合材料中的排列與分散^[11],因此,考慮到石墨烯在水基潤滑系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力,以及電控摩擦技術(shù)在調(diào)控摩擦性質(zhì)方面的優(yōu)勢,本文研究在帶電條件下石墨烯水基潤滑系統(tǒng)的摩擦學(xué)性質(zhì),不僅能夠?yàn)槔斫馐┑臐櫥瑱C(jī)制提供新的視角,也能為實(shí)現(xiàn)更高效、環(huán)保的潤滑系統(tǒng)開辟新的路徑。

1 材料制備

制備石墨烯的水基分散液,首先需要解決石墨烯納米片在水中傾向于相互團(tuán)聚的問題。為實(shí)現(xiàn)石墨烯的穩(wěn)定分散,向純水中添加了分散劑。這種分散劑能夠通過滲透石墨烯層間,形成分子間作用力,有效克服引起團(tuán)聚的范德華力,從而使得石墨烯能夠良好分散。選用的分散劑材料為陰離子分散劑:十二烷基磺酸鈉(SLS)。

將經(jīng)過24 h干燥處理的石墨烯與十二烷基磺酸鈉分散劑加入到100 mL的純水中,接著在60℃溫度下使用四聯(lián)磁力攪拌器攪拌2 h,以確保分散體系混合均勻,最后將混合分散體系在超聲中剝離1 h,以進(jìn)一步促進(jìn)石墨烯分散。在總的分散體系中,石墨烯的質(zhì)量占總體系質(zhì)量的0.2wt%,分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為總體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.5wt%。

2 實(shí)驗(yàn)過程

使用改裝過的往復(fù)式多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(BrukerUMT—TriboLab),如圖1所示,檢測在帶電界面石墨烯水基溶液的摩擦性能。它由一個(gè)直徑為9.525 mm的精密軸承鋼球和一個(gè)由鋼板制成的往復(fù)盤組成。鋼板(GCr15)的硬度為HRC50,尺寸規(guī)格為 40mm × 30mm × 5mm,鋼板的表面經(jīng)過機(jī)械拋光 以消除表面粗糙度的潛在影響,在鋼板表面附一層0.05 mm厚度的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜。使用精密程控電源來為潤滑劑施加電場(EF),直流(DC)電源的一個(gè)極與鋼球一端連接,另一個(gè)極固定在鋼板上。同時(shí)在電路中并聯(lián)布置一個(gè)高精度電流電壓表,以確保在整個(gè)測試過程中沒有電流通過摩擦對。實(shí)驗(yàn)采用了0~15 V的外部電壓來調(diào)節(jié)界面電場強(qiáng)度 (E0)。摩擦試驗(yàn)在2 Hz的往復(fù)頻率和3 mm的行程下進(jìn)行,施加到接觸點(diǎn)的法向載荷為5 N。在測試前對石墨烯的水基溶液進(jìn)行溫度測量,以確保在25℃條件下。每次實(shí)驗(yàn)取10μL溶液進(jìn)行測試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)開始前,對石墨烯水基溶液及其與十二烷基磺酸鈉(SLS)的水基溶液進(jìn)行了zeta電位和電導(dǎo)率的測定。結(jié)果(圖2)表明,含SLS的石墨烯水基溶液在zeta電位的絕對值和電導(dǎo)率方面均顯著高于純石墨烯水基溶液。特別是,含SLS溶液石墨烯水基溶液的zeta電位絕對值超過30mV,高zeta電位的絕對值表明了強(qiáng)烈的顆粒間電荷排斥作用,從而預(yù)示著較高的懸浮穩(wěn)定性,證明了SLS作為分散劑對于石墨烯的優(yōu)異分散效果。

在石墨烯水基潤滑劑的實(shí)驗(yàn)中,施加了15 V的電壓,結(jié)果顯示施加電壓后的摩擦系數(shù)初始為高于未施加電壓的情況,但隨摩擦進(jìn)行而下降(圖3)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20 min后,對測試潤滑劑進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)石墨烯在水中有明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。此外,當(dāng)提高石墨烯在溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí),雖然摩擦系數(shù)對電場的響應(yīng)速度加快,但摩擦系數(shù)的降低并不顯著。

在石墨烯與分散劑十二烷基磺酸鈉(SLS)的實(shí)驗(yàn)中,加載0~15 V電壓,當(dāng)加載10 V電壓時(shí),摩擦系數(shù)開始迅速上升,隨后穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),進(jìn)一步將電壓增加到15 V時(shí),摩擦系數(shù)的上升趨勢變得更加明顯(圖4)。

4討論

對于石墨烯水基潤滑劑,在未施加電場的情況下,隨著摩擦過程的進(jìn)行,摩擦系數(shù)會因水中石墨烯的逐漸團(tuán)聚和沉降而緩慢增加。施加電場后,石墨烯與水分子之間的相互作用受到電場的影響,導(dǎo)致它們在摩擦表面上定向排列,在初始狀態(tài)摩擦系數(shù)會上升,隨后下降并低于未加電時(shí)的摩擦系數(shù)。隨著電場強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)的增加,這種影響變得更加顯著^[12]。增加水中石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會進(jìn)一步影響其在水中的團(tuán)聚效應(yīng)。所以,相比而言,外加電場時(shí)石墨烯水基潤滑劑雖然初始摩擦系數(shù)高于未加電情況,但隨著摩擦的進(jìn)行,摩擦系數(shù)會逐漸降低。

在石墨烯與分散劑的水基潤滑劑中,陰離子分散劑SLS分子的疏水尾部傾向于通過范德華力吸附到石墨烯表面,而親水基團(tuán)(帶負(fù)電)則朝向溶液,減少了石墨烯片之間的直接接觸,降低了石墨烯的團(tuán)聚。在SLS分子吸附到石墨烯表面后,形成了緊密附著在石墨烯表面的固定電荷層,這層固定電荷吸引

著溶液中的正離子,在摩擦副表面形成雙電層。當(dāng)施加電場時(shí),電場的方向和強(qiáng)度會影響雙電層的分布和性質(zhì),引起雙電層內(nèi)電荷重新分布,此外,分散劑和石墨烯之間的結(jié)合也會受到電場的影響,從而導(dǎo)致整個(gè)潤滑劑的摩擦系數(shù)增加。

5結(jié)論

石墨烯作為水基潤滑添加劑,受電場作用在摩擦副的表面定向排列,隨著摩擦的進(jìn)行,摩擦系數(shù)會緩慢下降。當(dāng)石墨烯與分散劑結(jié)合時(shí)會受到電場作用使得摩擦系數(shù)顯著增大。同時(shí),對其施加更高電場時(shí),摩擦系數(shù)的響應(yīng)也會變快。本文探究了外加電場作用下石墨烯水基潤滑劑與石墨烯添加分散劑的水基潤滑劑相關(guān)的摩擦學(xué)性質(zhì),為在宏觀層面精準(zhǔn)調(diào)節(jié)水基潤滑劑摩擦系數(shù)提供了參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張嗣偉.綠色摩擦學(xué)的最新進(jìn)展[J].潤滑與密封,2016,41(9):1-9.

[2] KIN0SHITA H,NISHINA Y,ALIAS A A,et al.Tribological properties of monolayer graphene oxide sheets as water-based lubricant additives[J].Carbon:An International Journal Sponsored by the American Carbon Society,2014,66: 720-723.

[3] T0MALA A,KARPINSKA A,WERNERWSM,0LVERA,etal.TribologiCal properties of additives For water- based lubricants[J].Wear:an International Journal on the Science and Technology of Friction, Lubrication and Wear,2010,269(11/12):804-810.

[4] WANG W,XIE G X,LU0Jb.Black phosphorus as a new lubricant[J].FriCtion,2018,6(1): 116-142.

[5]WU H,ZHAO J W,XIA W Z,et al.A study of  the tribological behaviour of Ti02 nano-additive water-based lubricants[J].Tribology International,2017,109: 398-408.

[6] N0V0SEL0V K S,GEIM A K,M0R0Z0V S V,et al.EleCtriCField eFFeCt in atomiCally thin CarbonFilms[J]. SCienCe,2004,306(5696): 666-669.

[7] LIANG S S,SHEN Z G,YI M,et al.In-situ exfoliated graphene for high-perFormanCe water-based lubri-Cants[J].carbon:An International Journal Sponsored by the American Carbon Society,2016,96: 1181-1190.

[8]S0NG H J ,LI N .Frictional Behavior of oxide graphene nanosheets as water-Base lubricant additive[J].Applied Physics A-Materials science & Processing,2011,105(4): 827-832.

[9] DRUMM0ND c.Electric-Field-Induced Friction Redu-ctionandcontrol [J].PhysicalReviewLetters, 2012,109(15): 154302.1-154302.5.

[10]JIANG H J,MENG YG,WENsZ,et al.Effects of external electric Fields on Frictional Behaviors oF three kinds oF ceramic/metal rubbing couples[J].Tribology International,1999,32(3): 161-166.

[11]MA C,ZHANG W ,ZHU Y F,etal.Alignmentand dispersion oF Functionalized carBon nanotuBes in polymer composites induced By an electric Field[J].carBon:An International Journal sponsored By the American carbon society,2008,46(4): 706-710.

[12]董若宇,曹鵬,曹桂興,等.直流電場下水中石墨烯定向行為研究[J].物理學(xué)報(bào),2017,66(1):218-225.

2024年第11期第12篇