劉艷麗,黃先威

(湖南工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,湘潭411104)

石墨具有耐高溫、抗腐蝕及自潤(rùn)滑等特性,作為固體潤(rùn)滑劑及潤(rùn)滑油添加劑已廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備以及機(jī)械加工的潤(rùn)滑,起到了節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率和延長(zhǎng)機(jī)械部件使用壽命的作用.膨脹石墨除保留石墨原有的潤(rùn)滑性質(zhì)外還由于層間距離的拉大等因素,從而提高其潤(rùn)滑性.將膨脹石墨加入潤(rùn)滑脂中,可使其剪切度、粘度和膠狀體穩(wěn)定性得到改善[1].石墨還具有無(wú)化學(xué)污染和經(jīng)濟(jì)低廉等特性,其多種衍生物,如氟化石墨、金屬化合物插層石墨和硼化石墨等在潤(rùn)滑領(lǐng)域獲獲得了良好應(yīng)用[2].據(jù)報(bào)道,膨脹石墨是優(yōu)良納米級(jí)固體潤(rùn)滑劑,可以制備出高性能自潤(rùn)滑聚合物/石墨納米減摩復(fù)合材料.該材料可以降低了石墨用量,提高減摩、耐磨性能和復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度.如石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí),尼龍66/石墨復(fù)合材料的耐磨性能最好[3-4].

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑及儀器設(shè)備

膨脹石墨,丙烯酸乙酯,過(guò)硫酸鉀,十二烷基磺酸鈉,氯化鈉,90%乙醇等均為市售分析純?cè)噭?液體石蠟為化學(xué)純?cè)噭?美國(guó) Nicolet 510P型FTIR紅外光譜儀,MRS-10P四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī).

1.2 膨脹石墨潤(rùn)滑油添加劑的制備

將可膨脹石墨置于900℃高溫爐中膨化,得到蠕蟲(chóng)石墨.然后將蠕蟲(chóng)石墨以質(zhì)量比M石墨:M溶劑=1∶150分散在90%的乙醇中,用超聲波處理10 h,過(guò)濾真空干燥后即得到黑色的粉末狀膨脹石墨,它是蠕蟲(chóng)石墨和納米石墨薄片的混合體.

1.3 膨脹石墨/聚合物復(fù)合添加劑的制備

向裝有機(jī)械攪拌器、回流冷凝管和溫度計(jì)的三口瓶中加入0.5 g的膨脹石墨.將1.0 g十二烷基磺酸鈉溶于80 ml蒸餾水中,并倒入上述三口瓶中,超聲數(shù)分鐘使石墨分散均勻,通氮15 min后加入3.5 g丙烯酸乙酯,適當(dāng)提高攪拌速度使單體乳化.將0.15 g過(guò)硫酸鉀溶解于10 ml的蒸餾水中,待反應(yīng)混合液升溫至70℃時(shí),在攪拌下將引發(fā)劑加入,反應(yīng)3 h結(jié)束.將聚合物乳液破乳,用布氏漏斗過(guò)濾,干燥.

1.4 油溶性實(shí)驗(yàn)

潤(rùn)滑油是由基礎(chǔ)油和少許添加劑組成,潤(rùn)滑油添加劑在基礎(chǔ)油中的溶解性對(duì)其性能影響很大,因此考察添加劑在基礎(chǔ)油中的溶解性很有必要.所合成的潤(rùn)滑油添加劑能夠溶解于多種有機(jī)溶劑,而不溶于水,屬于油溶性的潤(rùn)滑油添加劑,因此我們可以選擇液體石蠟作基礎(chǔ)油.

1.5 摩擦性能測(cè)試

將改性的膨脹石墨按不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分散在基礎(chǔ)油中,采用濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的MRS-10P型四球摩擦試驗(yàn)機(jī)考察添加劑的極壓抗磨性能.試驗(yàn)條件:轉(zhuǎn)速為1450 r/min,室溫,實(shí)驗(yàn)時(shí)間為10 s,長(zhǎng)磨時(shí)間為30 min;鋼球?yàn)镚Cr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球,硬度為64～66HRC,表面粗糙度為 Ra0.012 mm.參照GB3142-82測(cè)定潤(rùn)滑劑的承載能力及抗磨性能.

1.6 熱穩(wěn)定性分析

由于工業(yè)生產(chǎn)的需要,許多添加劑必須在高溫下作業(yè),研究添加劑的熱穩(wěn)定性具有很重要的意義.熱穩(wěn)定性能在WRT-3P型熱分析儀(上海)上采用熱重分析(TGA)評(píng)價(jià)的,大氣氣氛,升溫速度20℃?min-1.

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

圖1 膨脹石墨改性前后的紅外光譜圖

圖1 表示膨脹石墨添加劑改性前后的紅外光譜圖,從圖中可以看出在1732.06,1194.12,1129.80 cm-1處的吸收峰為聚丙烯酸乙酯的特征峰;2924.74,2857.57 cm-1處的吸收峰是由C-H伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)引起的;3442.15 cm-1處的吸收峰為水峰;總之改性后的紅外特征吸收峰均向低波數(shù)端偏移,這與改性材料中石墨層間的屏蔽作用有關(guān).

2.2 油溶性

表1 列出了聚丙烯酸乙酯改性前后的膨脹石墨的油溶性.試驗(yàn)結(jié)果表明,改性后的膨脹石墨的油溶性效果常溫下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%,比未改性的膨脹石墨的油溶性有所改善,這可能是聚合物改善了膨脹石墨的分散性的原因.

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的添加劑在液體石蠟中的溶解狀態(tài)

2.3 熱穩(wěn)定性分析

圖2 改性石墨的TGA曲線

從圖2可以看出,添加劑在100℃之前的分解可能是樣品中水分的揮發(fā),起始分解溫度從100℃之后開(kāi)始,說(shuō)明其熱穩(wěn)定性較好,可滿足潤(rùn)滑油添加劑的工況使用要求.石墨的熔點(diǎn)相對(duì)較高,不易分解,其中分解的部分為聚丙烯酸乙酯.

2.4 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

2.4.1 添加劑的極壓性能

最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB)是潤(rùn)滑油承載能力的體現(xiàn),表2列出了液體石蠟和含0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)改性及未改性膨脹石墨和ZDDP的基礎(chǔ)油的PB值.

表2 含不同添加劑的液體石蠟的PB值

從表2可以看出,加入添加劑后,潤(rùn)滑劑的PB值有較明顯的增大,改性后膨脹石墨的PB值相對(duì)比其它兩種油樣的PB值都大,跟ZDDP的相當(dāng),說(shuō)明改性后的膨脹石墨添加劑承載能力有所改善.

2.4.2 抗磨性能

圖3 示出了LP及含0.5%的添加劑的LP潤(rùn)滑下的鋼球磨斑直徑隨載荷變化的關(guān)系曲線.可以看出,隨著載荷的增加,磨斑直徑都趨于變大.加了添加劑后基礎(chǔ)油的抗磨能力明顯提高,鋼球表面磨斑直徑的增幅也相應(yīng)變小.圖4為不同載荷下兩種潤(rùn)滑油的磨斑直徑,顯然添加了改性石墨后的液體石蠟油的抗磨性好.隨著載荷的增加,未添加改性石墨的潤(rùn)滑油其磨斑直徑明顯大于添加改性石墨的潤(rùn) 滑油的磨斑直徑.

圖3 添加劑濃度對(duì)抗磨性能的影響

圖4 不同載荷對(duì)抗磨性能的影響

3 結(jié) 論

(1)由紅外光譜表征得知采用乳液聚合的方法對(duì)膨脹石墨表面改性,成功地合成了膨脹石墨/聚丙烯酸乙酯復(fù)合添加劑.

(2)由熱穩(wěn)定性分析得添加劑的熱穩(wěn)定性良好.

(3)聚丙烯酸乙酯改性后的膨脹石墨添加劑承載能力比基礎(chǔ)油有較大改善.

(4)聚丙烯酸乙酯改性后的膨脹石墨添加劑抗磨性能比基礎(chǔ)油有較大改善.

[1]李春風(fēng),羅新民,候 濱.膨脹石墨的表面改性及作為潤(rùn)滑油添加劑的摩擦學(xué)性能[J].潤(rùn)滑與密封,2007,32(7).

[2]黃海棟,涂江平,干路平,等.片狀納米石墨的制備及其作為潤(rùn)滑油添加劑的摩擦磨損性[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(4):312-316.

[3]石 玉,王東紅.石墨改性尼龍 66復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究[J].化工新型材料,2007,35(6).

[4]楊建國(guó),牛文新,李建設(shè),等.聚苯乙烯/氧化石墨納米復(fù)合材料的制備與性能[J].高分子材料科學(xué)與工程,2005,21(5):55-58.