功能化氧化石墨烯在水基润滑体系的摩擦学行为

杨红梅，李久盛，曾祥琼

(1.中国科学院上海高等研究院先进润滑材料实验室，上海 200120； 2.中国科学院上海有机化学研究所金属有机化学国家重点实验室，上海 200030)

0 引言

水作为润滑剂时具有成本低、环境友好、导热系数高等优点。然而，水由于较低的黏度和黏压系数使其难以在金属表面建立有效的流体润滑膜，故并非常用机械元件钢铁及相关材料的优选润滑剂[1]。因此，开发适用于金属加工的高性能的水基润滑剂是十分有必要的。近年来，石墨烯因其优异的电学和力学特性而备受关注，研究表明其作为润滑添加剂时亦表现出良好的减摩抗磨性能[2-3]。而氧化石墨烯(GO)，作为大规模生产石墨烯的前驱体，不仅保留石墨烯的碳骨架结构，还拥有大量的含氧官能团，便于功能化修饰[4]。本研究通过可控功能化修饰GO，合成了三种功能化GO(FGOs)。同时，构建FGOs的Pickering乳液，研究其作为水基润滑剂的摩擦学行为。

1 实验方法

1.1 制备

以片状石墨为原料，采用改进的Hummer法制备了GO(1)[5]，一方面直接与正辛胺反应得到基面功能化的氧化石墨烯C8H18NGO(1)，或者由SOCl2活化得到GOCl(1)粉体，再与正辛醇或正辛胺连续反应得到边缘功能化的Oct-N-GO(1)和Oct-O-GO(1)。

将GO(1)和FGOs分别加入500 mL烧杯中，在水中加入TR-1，并在60 ℃下搅拌10 min，然后将油相(PAO8和TW20)在600 r/min搅拌下滴入水相中30 min，然后将NaOH水溶液(10%)加入乳状液中，调节pH值至7，并搅拌冷却至室温。9000 r/min下均质2 min，以获得最终的O/W型Pickering乳液。

1.2 表征

采用元素分析、红外光谱、Raman光谱、X射线衍射、热重分析和SEM等对功能化产物进行分析；分别用美国Brookfield公司的DV2T黏度计和上海蔡康的CK-330C光学显微镜对乳状液的黏度和乳液粒径进行监测。

1.3 摩擦学测试

采用美国Bruker公司的摩擦磨损试验机UMT-Tribolab的往复模块在5 Hz频率和30 N载荷下(约220 MPa)进行行程为18000 mm的摩擦磨损测试。

1.4 表面分析

采用非接触式白光干涉仪、XPS和XANES对摩

擦磨损测试后的钢板表面形貌和磨损量进行了测量。

2 结果和讨论

元素分析表明，FGOs由于烷基链取代了含氧官能团，改性后O元素含量降低，C元素含量增加(如图1(a)所示)。从FT-IR可以看出，烷基在2853 cm-1和2924 cm-1处有明显-CH2-的对称和不对称伸缩振动吸收峰(图1(b))。C8H18GO(1)、Oct-N-GO(1)和Oct-O-GO(1)的Raman光谱(图1(c)显示)，ID/IG比从1.358、1.673增加到2.386，这表明平面内sp2域的尺寸减小，并且含有Oct-N-GO(1)和Oct-O-GO(1)中各种缺陷的晶界数量密度增加。由XRD(图1(d))可知，FGOs的2θ峰比GO的2θ峰宽且弱。利用布拉格定律nλ=2 d sinθ可知，其层间距小于GO。GO(1)和FGOs的热稳定性结果如图1(e)所示，结果表明FGOs在高温下更稳定。

图1 FGOs的结构表征

图2给出了GO和FGOs的SEM图, 可以明显观察到GO(1)中的褶皱片层形貌，这也是Hummer方法所制备GO的形貌特征。经功能化后，FGOs的微观结构仍为片层，但由于基底和边缘接枝烷基链后，褶皱趋于平缓。

图2 FGOs的SEM形貌

从界面张力结果(图3)可以看出，正辛胺改性的GO，无论基面还是边缘修饰，均可以降低正己烷-水和乙酸乙酯-水的界面张力，而温度并不是影响其界面张力的关键因素。FGOs乳液的黏度和粒径随时间变化不大(图4)，表明其稳定性良好。

图3 FGOs在(a)不同油水界面

图4 乳液(a)黏度和(b)粒径随时间的变化

由摩擦学性能评价结果(图5和图6)可知，正辛醇边改性氧化石墨烯具有最佳的减摩和耐磨性能。经XPS和XANES分析发现，Oct-O-GO(1)乳液润滑的表面C-OH/O-H键最多，表明其润滑膜的吸附更强，故可同时展现出良好的减摩抗磨性能。

图5 FGOs乳液润滑下的

图6 板上磨痕处的三维形貌

3 结论

本研究采用不同活性基团和不同改性方法对氧化石墨烯(GO)进行可控功能化修饰，获得了三种不同的功能化氧化石墨烯(FGOs)。研究结果表明，FGOs的摩擦学性能存在较大差异：与空白乳液相比，三种FGOs的Pickering乳液均表现出良好的减摩效果，但仅Oct-O-GO(1)乳液同时展现出良好的抗磨性能。