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兰州大学卜伟锋/兰州化物所蔡美荣、周峰 ACS Macro Lett.:含芘遥爪型聚合物稳定的石墨基油凝胶润滑剂
2023-09-22  来源:高分子科技

  含有基础油和添加剂的配方润滑油能够在摩擦副表面形成保护性摩擦膜,有效地减少机器零件的摩擦和磨损。然而,传统含磷含硫的小分子添加剂本身具有一定的毒性,并且它们在化学、热和/或机械方面表现出固有的不稳定性。这些都导致了严重的有害排放,从而引起了环境问题。近来,石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯等石墨衍生物已被广泛用作绿色,环保型润滑油纳米添加剂,但它们的制备过程复杂,产率低,成本高,或者涉及使用高腐蚀性化学品,引起了严重的安全和环境问题。因此,直接使用原始石墨作为润滑油添加剂对于实际摩擦学应用非常有意义。然而,由于石墨与润滑基础油完全不相容,实现这一绿色可持续的想法具有巨大的挑战性。


  近日,兰州大学卜伟锋教授/兰州化物所蔡美荣研究员、周峰研究员在《ACS Macro Letters上发表了题为Colloidally Stable Graphite Oleogels by Pyrene Functionalized Telechelic Polymers for Friction and Wear Reduction的论文。在温和的条件下,芘功能化遥爪型聚合物(PmS2nPm, 2n = 30, 50, 70; m = 6)能辅助石墨以油凝胶的形式直接分散在基础油PAO-10中。此类石墨基油凝胶不仅表现出超过一年的长期胶体稳定性,而且还展现了优异的减摩抗磨性能(图1)。


1.aPmS2nPm的合成步骤,代表性超分子油凝胶bP6S50P6cGraphite@P6S50P6及其示意图。


  在油凝胶中,石墨事实上已经通过与含芘的遥爪型聚合物之间的π?π相互作用被原位剥离成石墨烯。透射电子显微镜(TEM,图2a)和原子力显微镜(AFM,图2b)图像显示,石墨烯纳米片形成于Graphite@PmS2nPm复合油凝胶中。AFM高度图证明薄片厚度为2.16 ~ 2.81 nm,对应6 ~ 8层石墨烯。2c所示,复合油凝胶的偏光显微镜POM)图像显示出微弱但清晰的双折射信号,说明由于芘基团与石墨/石墨烯之间的π?π相互作用而导致石墨在油凝胶中原位剥离成石墨烯。 


2. 从油凝胶Graphite@P6S50P6中原位剥离得到石墨烯的(aTEM图和bAFM图,cGraphite@P6S50P6POM显微图。


  摩擦学性能测试表明,基础油PAO-10的摩擦曲线在滑动前170 s出现尖峰信号,此时的摩擦系数(COF)大于0.65。这是磨合过程中出现严重磨损的特征。相比之下,在聚合物油凝胶PmS2nPm作润滑剂时,没有出现类似的摩擦尖峰,相应的COF值在整个滑动时间范围内PAO-10的低(图3a)。并且,由其润滑的钢表面磨斑的磨损深度和磨损体积也比PAO-10的小(图3bc),说明聚合物油凝胶PmS2nPm具有良好的减摩抗磨性能。当聚合物油凝胶PmS2nPm与石墨复合形成复合油凝胶Graphite@PmS2nPm后,磨斑的磨损深度和磨损体积都有进一步地减小(图3bc)。相比于基础油PAO-10和聚合物油凝胶PmS2nPm,复合油凝胶Graphite@PmS2nPm具有更为优异的润滑性能,且其润滑性能与石墨衍生物,例如石墨烯和氧化石墨烯的润滑性能相当。以上结果表明,通过本文提出的方法,原始石墨可以长期稳定分散在基础油中且可直接用作润滑油添加剂,而无需进行任何预剥离。 


3.a油凝胶PmS2nPmGraphite@PmS2nPm的摩擦曲线,b由三维光学显微图像得到的磨损深度图,c油凝胶PmS2nPmGraphite@PmS2nPm润滑的钢表面磨损体积。


4.a,bGraphite@P6S50P6复合油凝胶润滑钢表面横截面的TEM图,元素分布图:(cPt,(dC,(e)O和(fFe。


  采用聚焦离子束和透射电子显微镜联用技术(FIB-TEM)对Graphite@P6S50P6复合油凝胶润滑的钢表面进行分析以揭示润滑机理:如图4a所示,在铂层和钢块衬底之间可以清晰地看到厚度为70 ~ 100 nm的灰色摩擦保护膜。图4b中的高分辨TEM图像显示,在摩擦膜中形成了石墨烯纳米片d = 0.36 nm)和氧化铁纳米颗粒(d = 0.26 nm)。此外,TEM-EDS元素分布显示,COFe元素均匀分散在摩擦膜中(4c?f)这些结果表明,在磨损表面形成了摩擦保护膜,可将两个摩擦接触面隔离开,从而起到减摩抗磨作用。


  在这项工作中,石墨以油凝胶的形式直接用作绿色环保型润滑油添加剂,而不涉及任何预先剥离,改变了我们传统的观点,即剥离的石墨烯是不可或缺的。考虑到大量可用的π共轭(大)分子,这一研究为制备高性能的石墨复合凝胶润滑剂提供了一般性的方法。


  兰州大学化学化工学院博士研究生梁逢春为论文第一作者,兰州大学卜伟锋教授和中科院兰州化物所蔡美荣研究员为通讯作者。


  原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.3c00457

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(责任编辑:xu)
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