寧波材料所發(fā)出環(huán)境友好型石墨烯水基潤(rùn)滑劑
寧波材料所發(fā)出環(huán)境友好型石墨烯水基潤(rùn)滑劑
摩擦磨損現(xiàn)象普遍存在于機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件中，其會(huì)導(dǎo)致巨大的能量消耗并引起機(jī)械部件的損壞，降低機(jī)械裝備運(yùn)行的可靠性和安全性。水基潤(rùn)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(diǎn)，是一種環(huán)境友好型潤(rùn)滑劑，可應(yīng)用到礦井等高溫、嚴(yán)禁明火的環(huán)境中。但是其實(shí)際應(yīng)用卻因較低的運(yùn)動(dòng)粘度、有限的潤(rùn)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(yōu)異力學(xué)性能的二維碳基納米材料，且片層之間滑動(dòng)為摩擦系數(shù)極低的超滑滑動(dòng)，發(fā)展石墨烯基水潤(rùn)滑添加劑有望突破現(xiàn)有水潤(rùn)滑介質(zhì)的性能極限，大幅提升先進(jìn)水潤(rùn)滑系統(tǒng)的壽命和可靠性。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋功能材料團(tuán)隊(duì)通過對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化修飾使其可穩(wěn)定分散于水中，從而開發(fā)出了一種環(huán)境友好型的水基潤(rùn)滑劑，可有效降低摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損。通過甲苯二異氰酸酯作為橋聯(lián)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(fā)生酰胺化反應(yīng)得到聚乙二醇共價(jià)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(duì)摩擦副的潤(rùn)濕性，使其在摩擦副表面形成潤(rùn)滑保護(hù)膜，避免了摩擦副之間的直接接觸，從而降低了摩擦系數(shù)和磨損率，摩擦系數(shù)最大降低約39%，磨損率最大降低約81%。相關(guān)研究?jī)?nèi)容發(fā)表在Carbon,2018,137,41-48，并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利（CN108130159A）。
另外，該團(tuán)隊(duì)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(zhì)可與RGO殘余的氧化基團(tuán)產(chǎn)生氫鍵，其憎水基團(tuán)可與RGO表面產(chǎn)生相互作用，親水基團(tuán)朝向水相從而促使還原氧化石墨烯可在水中穩(wěn)定分散達(dá)8個(gè)月。由于蛋白質(zhì)在金屬表面固有的吸附性能，BLG-RGO可在摩擦副表面形成穩(wěn)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(duì)摩擦副的腐蝕。在摩擦過程中，石墨烯的片層結(jié)構(gòu)使其具有較低的摩擦系數(shù)，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(rùn)滑添加劑具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能和緩蝕性能，其摩擦系數(shù)降低37%，磨損率降低45%，緩蝕效率達(dá)92%。相關(guān)工作發(fā)表在Tribology International,2019,135,277-286，并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利（CN 108517238A）。
上述工作獲得了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金（51825505）、江蘇省重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃（BE2016115）和寧波市工業(yè)重大科技項(xiàng)目（2017B1004）等的資助。
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