聚合物改性膨胀石墨的制备及摩擦学性能研究

刘艳丽,黄先威

(湖南工程学院化学化工学院,湘潭411104)

石墨具有耐高温、抗腐蚀及自润滑等特性,作为固体润滑剂及润滑油添加剂已广泛应用于机械设备以及机械加工的润滑,起到了节能降耗、提高生产效率和延长机械部件使用寿命的作用.膨胀石墨除保留石墨原有的润滑性质外还由于层间距离的拉大等因素,从而提高其润滑性.将膨胀石墨加入润滑脂中,可使其剪切度、粘度和胶状体稳定性得到改善[1].石墨还具有无化学污染和经济低廉等特性,其多种衍生物,如氟化石墨、金属化合物插层石墨和硼化石墨等在润滑领域获获得了良好应用[2].据报道,膨胀石墨是优良纳米级固体润滑剂,可以制备出高性能自润滑聚合物/石墨纳米减摩复合材料.该材料可以降低了石墨用量,提高减摩、耐磨性能和复合材料的力学强度.如石墨的质量分数为8%时,尼龙66/石墨复合材料的耐磨性能最好[3-4].

1 实验部分

1.1 主要试剂及仪器设备

膨胀石墨,丙烯酸乙酯,过硫酸钾,十二烷基磺酸钠,氯化钠,90%乙醇等均为市售分析纯试剂,液体石蜡为化学纯试剂;美国 Nicolet 510P型FTIR红外光谱仪,MRS-10P四球摩擦磨损试验机.

1.2 膨胀石墨润滑油添加剂的制备

将可膨胀石墨置于900℃高温炉中膨化,得到蠕虫石墨.然后将蠕虫石墨以质量比M石墨:M溶剂=1∶150分散在90%的乙醇中,用超声波处理10 h,过滤真空干燥后即得到黑色的粉末状膨胀石墨,它是蠕虫石墨和纳米石墨薄片的混合体.

1.3 膨胀石墨/聚合物复合添加剂的制备

向装有机械搅拌器、回流冷凝管和温度计的三口瓶中加入0.5 g的膨胀石墨.将1.0 g十二烷基磺酸钠溶于80 ml蒸馏水中,并倒入上述三口瓶中,超声数分钟使石墨分散均匀,通氮15 min后加入3.5 g丙烯酸乙酯,适当提高搅拌速度使单体乳化.将0.15 g过硫酸钾溶解于10 ml的蒸馏水中,待反应混合液升温至70℃时,在搅拌下将引发剂加入,反应3 h结束.将聚合物乳液破乳,用布氏漏斗过滤,干燥.

1.4 油溶性实验

润滑油是由基础油和少许添加剂组成,润滑油添加剂在基础油中的溶解性对其性能影响很大,因此考察添加剂在基础油中的溶解性很有必要.所合成的润滑油添加剂能够溶解于多种有机溶剂,而不溶于水,属于油溶性的润滑油添加剂,因此我们可以选择液体石蜡作基础油.

1.5 摩擦性能测试

将改性的膨胀石墨按不同的质量分数分散在基础油中,采用济南试验机厂生产的MRS-10P型四球摩擦试验机考察添加剂的极压抗磨性能.试验条件:转速为1450 r/min,室温,实验时间为10 s,长磨时间为30 min;钢球为GCr15标准钢球,硬度为64～66HRC,表面粗糙度为 Ra0.012 mm.参照GB3142-82测定润滑剂的承载能力及抗磨性能.

1.6 热稳定性分析

由于工业生产的需要,许多添加剂必须在高温下作业,研究添加剂的热稳定性具有很重要的意义.热稳定性能在WRT-3P型热分析仪(上海)上采用热重分析(TGA)评价的,大气气氛,升温速度20℃◦min-1.

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

图1 膨胀石墨改性前后的红外光谱图

图1 表示膨胀石墨添加剂改性前后的红外光谱图,从图中可以看出在1732.06,1194.12,1129.80 cm-1处的吸收峰为聚丙烯酸乙酯的特征峰;2924.74,2857.57 cm-1处的吸收峰是由C-H伸缩振动和弯曲振动引起的;3442.15 cm-1处的吸收峰为水峰;总之改性后的红外特征吸收峰均向低波数端偏移,这与改性材料中石墨层间的屏蔽作用有关.

2.2 油溶性

表1 列出了聚丙烯酸乙酯改性前后的膨胀石墨的油溶性.试验结果表明,改性后的膨胀石墨的油溶性效果常温下质量分数为1.0%,比未改性的膨胀石墨的油溶性有所改善,这可能是聚合物改善了膨胀石墨的分散性的原因.

表1 不同质量分数的添加剂在液体石蜡中的溶解状态

2.3 热稳定性分析

图2 改性石墨的TGA曲线

从图2可以看出,添加剂在100℃之前的分解可能是样品中水分的挥发,起始分解温度从100℃之后开始,说明其热稳定性较好,可满足润滑油添加剂的工况使用要求.石墨的熔点相对较高,不易分解,其中分解的部分为聚丙烯酸乙酯.

2.4 摩擦磨损实验

2.4.1 添加剂的极压性能

最大无卡咬负荷(PB)是润滑油承载能力的体现,表2列出了液体石蜡和含0.5%(质量分数,下同)改性及未改性膨胀石墨和ZDDP的基础油的PB值.

表2 含不同添加剂的液体石蜡的PB值

从表2可以看出,加入添加剂后,润滑剂的PB值有较明显的增大,改性后膨胀石墨的PB值相对比其它两种油样的PB值都大,跟ZDDP的相当,说明改性后的膨胀石墨添加剂承载能力有所改善.

2.4.2 抗磨性能

图3 示出了LP及含0.5%的添加剂的LP润滑下的钢球磨斑直径随载荷变化的关系曲线.可以看出,随着载荷的增加,磨斑直径都趋于变大.加了添加剂后基础油的抗磨能力明显提高,钢球表面磨斑直径的增幅也相应变小.图4为不同载荷下两种润滑油的磨斑直径,显然添加了改性石墨后的液体石蜡油的抗磨性好.随着载荷的增加,未添加改性石墨的润滑油其磨斑直径明显大于添加改性石墨的润 滑油的磨斑直径.

图3 添加剂浓度对抗磨性能的影响

图4 不同载荷对抗磨性能的影响

3 结 论

(1)由红外光谱表征得知采用乳液聚合的方法对膨胀石墨表面改性,成功地合成了膨胀石墨/聚丙烯酸乙酯复合添加剂.

(2)由热稳定性分析得添加剂的热稳定性良好.

(3)聚丙烯酸乙酯改性后的膨胀石墨添加剂承载能力比基础油有较大改善.

(4)聚丙烯酸乙酯改性后的膨胀石墨添加剂抗磨性能比基础油有较大改善.

[1]李春风,罗新民,候 滨.膨胀石墨的表面改性及作为润滑油添加剂的摩擦学性能[J].润滑与密封,2007,32(7).

[2]黄海栋,涂江平,干路平,等.片状纳米石墨的制备及其作为润滑油添加剂的摩擦磨损性[J].摩擦学学报,2005,25(4):312-316.

[3]石 玉,王东红.石墨改性尼龙 66复合材料的摩擦磨损性能研究[J].化工新型材料,2007,35(6).

[4]杨建国,牛文新,李建设,等.聚苯乙烯/氧化石墨纳米复合材料的制备与性能[J].高分子材料科学与工程,2005,21(5):55-58.