改性氧化石墨烯对不同种类润滑油的性能影响

闫龙龙，厉晓英，高洪强

(1.环球石墨烯(青岛)有限公司，山东 青岛 266000；2.山东豪迈化工技术有限公司，山东 青岛 266031)

0 引言

随着工业设备与车辆液压系统、发动机系统、传动系统等逐步向小型化、高负荷、低噪音、大功率、高效率和长寿命趋势发展，设备的升级换代必然对配套的润滑剂提出更高要求。另外，从环境和资源角度还要求润滑剂环保、节能，所以其发展趋势不仅需满足日益苛刻的工况性能要求，还需满足节能、环保和经济性要求。

碳纳米颗粒作为润滑添加剂具有优良的抗磨减摩性能和承载能力[1-4]。石墨烯作为一种先进碳纳米材料在固液摩擦润滑领域受到广泛重视，被作为一种功能补强剂来深入研究，改善润滑剂的性能，很多学者采用多种修饰手段对石墨烯材料进行功能化改性，以提高石墨烯类物质在润滑剂中的分散稳定性[5-11]。

由于各种类型润滑剂的基础油与添加剂成分及其比例各异，为了解石墨烯类物质在不同润滑剂中的性能表现，本研究对氧化石墨烯材料使用十六烷胺共价键功能化改性后，采用不同添加比例分散于市售液压油、发动机油、齿轮油、液力传动油中，分析其在不同油品中的分散状态及性能效果，进而研究其对不同油品的性能增益水平区别。

1 实验部分

1.1 原料和仪器

十六烷胺、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，北京百灵威科技有限公司；无水乙醇、石油醚，均为分析纯，沪试；氧化石墨烯(片径5 μm，厚度1.0～1.2 nm，氧化度40%)，环球石墨烯(青岛)有限公司。

实验级超声化学设备，杭州成功超声设备有限公司；DZF-6053真空干燥箱，上海圣试电子科技有限公司；H205OR离心机，长沙湘仪离心机仪器有限公司；MRS-1J微机控制四球长时抗磨损试验机、MRS-10D微机控制电液伺服四球摩擦试验机、梯姆肯极压试验机，济南舜茂试验仪器有限公司。

Shell RIMULA 15W-40柴机油、Shell Helix ULTRA 5W-40汽机油、Shell OMALA S4 GX 460齿轮油、长城8号液力传动油、昆仑天工HM46液压油(上述油品均采购自官方品牌供应商，以下简称柴机油、汽机油、齿轮油、传动油和液压油)。

1.2 十六烷胺改性氧化石墨烯制备

1 g十六烷胺溶于50 mL DMF中，磁搅拌下加热溶解。0.5 g氧化石墨烯超声分散于100 mL DMF，将十六烷胺的DMF溶液逐滴加入氧化石墨烯溶液中，超声15 min。然后在氮气氛围下80 ℃磁搅拌反应6 h。抽滤溶液，依次用DMF、乙醇、石油醚清洗滤膜上的产物，60 ℃真空干燥12 h，得到改性氧化石墨烯粉体。

1.3 改性氧化石墨烯在润滑油中的分散

将改性氧化石墨烯分别以0.005%(质量分数，下同)和0.01%(质量分数，下同)浓度添加于柴机油、汽机油、齿轮油、传动油和液压油五种润滑油中，超声混合均匀。油品外观见图1。

图1 添加改性氧化石墨烯前后油品外观

1.4 改性氧化石墨烯润滑油性能测试

分别使用四球摩擦试验机对上述改性氧化石墨烯润滑油测试磨斑直径(SH/T 0189-B)、平均摩擦系数(SH/T 0762)，最大无卡咬负荷PB和烧结负荷PD(GB/T 3142)。对齿轮油使用梯姆肯极压试验机测试OK值与擦伤值(GB/T 11144)。

对添加0.01%改性氧化石墨烯的五种润滑油分别使用10 μm滤膜进行抽滤试验，测试滤膜对改性氧化石墨烯的阻隔程度。

离女人的座位不远处，已经有个颏下打领结的小男孩在弹门德尔松的钢琴曲，指法稳健而灵活，俨然一副投入的样子，十分的忘我。

对添加0.01%改性氧化石墨烯的五种润滑油分别使用离心机进行4000 r/min、4500 r/min、5000 r/min，15 min离心试验，测试改性氧化石墨烯在油中的分散稳定性和均匀性。

对添加0.01%改性氧化石墨烯的汽机油和液压油留样进行长期储存，定时观察氧化石墨烯在油中的沉积情况。

对添加0.01%改性氧化石墨烯的五种润滑油分别在120 ℃、160 ℃和180 ℃下进行恒温久置试验，观察氧化石墨烯在不同油品中的耐温性能。

2 结果与讨论

2.1 摩擦磨损性能分析

采用四球机对五种市售润滑油和分别添加0.005%、0.01%改性氧化石墨烯后的油品进行摩擦磨损性能测试，考察改性氧化石墨烯对不同成品润滑油的性能影响。市售油品数据见表1。

表1 市售五种润滑油摩擦磨损性能

添加0.005%、0.01%改性氧化石墨烯后平均摩擦系数降低率见图2，磨斑直径减小率见图3。加入0.005%浓度改性氧化石墨烯，液压油和液力传动油摩擦系数分别降低15.5%和8.5%，磨斑直径降低9.8%和8.36%；0.01%添加比例下摩擦系数分别降低25.4%和30%，磨斑直径降低17.65%和18.36%。而对柴机油、汽机油和齿轮油来说，两种添加比例下，摩擦系数和磨斑直径降低率明显低于液压油和液力传动油。这是因为添加剂几乎都是极性物质，抗磨剂、防锈剂等通过极性端吸附在金属摩擦副表面，从而发挥作用，所以润滑油中不同极性添加剂之间存在竞争吸附效应。液压油和液力传动油添加剂含量相对较低，改性氧化石墨烯也具有一定程度的极性，在试验中能较大几率吸附在摩擦副表面形成保护膜，在合适浓度下能大幅提高油品的抗磨减摩性能。而在柴机油、汽机油和齿轮油中，油品本身含有较大量的清净分散剂或极压抗磨剂，加入小比例的改性氧化石墨烯在对摩擦副的竞争吸附上不占优势，所以改性氧化石墨烯的抗磨减摩性能发挥不充分。

对于所有油品，0.01%的添加比例明显优于0.005%的添加比例下的油品性能。

图2 添加改性氧化石墨烯后摩擦系数变化率

图3 添加改性氧化石墨烯后磨斑直径变化率

2.2 承载能力分析

图4和图5分别为五种润滑油和分别添加0.01%改性氧化石墨烯后的PB和PD对比。可以看到添加改性氧化石墨烯后，各种润滑油的PB有小幅改善，而PD仅有液压油、传动油和汽机油有小幅改善，另外两种润滑油添加石墨烯前后PD没有变化。说明在高负荷临界烧结状态下，低浓度的改性氧化石墨烯对油品起的作用不明显。

图4 添加改性氧化石墨烯前后PB变化

图5 添加改性氧化石墨烯前后PD变化

采用环块磨损试验机对齿轮油和添加0.01%改性氧化石墨烯的齿轮油进行极压承载性能测试，结果见图6。数据表明，环、块线接触工况下，2000 N负荷左右，加入改性氧化石墨烯后OK值与刮伤值性能提升率接近10%。结合图2～图6，可推断改性氧化石墨烯在这五种润滑油中四球点接触和环-块线面接触的工况下发挥作用的的负荷上限为2500 N。改性氧化石墨烯对润滑油的补强优势在中低负荷下更为显著，油品添加剂的类型及含量与石墨烯的协同作用也是影响因素。

图6 齿轮油添加石墨烯前后性能对比

2.3 抽滤、离心和长期储存结果分析

对添加了0.01%改性氧化石墨烯的五种润滑油各500 mL进行10 μm滤膜抽滤实验，均可快速抽滤，滤完后滤膜外观见图7。可见添加的改性氧化石墨烯没有被截留，可顺利穿过滤膜，说明改性氧化石墨烯具有良好的油溶性和分散性。

图7 抽滤后滤膜外观

对添加0.01%改性氧化石墨烯的五种润滑油各取30 g加入透明离心管，分别在4000 r/min，4500 r/min，5000 r/min下进行15 min离心，离心结果见表2。三个梯度的离心转速下油品均保持了良好的稳定性。说明改性氧化石墨烯在接枝了十六烷胺链后在润滑油中能保持良好的溶解性和分散性。

表2 改性氧化石墨烯润滑油离心状态

对添加0.01%改性氧化石墨烯的汽机油和液压油进行长期储存试验，结果见图8。静态放置两年以上的添加0.01%改性氧化石墨烯的油品仍然可保持稳定分散，未见团聚和沉积发生。说明改性氧化石墨烯在接枝了十六烷胺链后在润滑油中可以保持长期稳定。

图8 静态储存28个月后状态

2.4 耐温性能分析

对添加0.01%含量改性氧化石墨烯的五种润滑油分别在120 ℃、160 ℃和180 ℃下进行48 h连续硅油浴加热，观察石墨烯在油品中的耐热稳定性。结果见表3。改性氧化石墨烯在五种润滑油中的热稳定性良好，180 ℃持续高温下没有出现团聚现象，润滑油在设备中实际工况温度一般低于此温度，改性氧化石墨烯的加入对油品没有带来负面影响。

表3 改性氧化石墨烯润滑油不同温度下稳定性

3 结论

(1)利用十六烷胺改性氧化石墨烯，制得改性氧化石墨烯润滑剂添加剂，加入成品液压油、液力传动油、汽机油、柴机油和齿轮油后，可明显改善油品的抗磨减摩性能，对于添加剂含量少和矿物油型的更为显著。

(2)改性氧化石墨烯在润滑油中2500 N负荷下能发挥改善极压承载性能作用。

(3)改性氧化石墨烯在各种润滑油中具有良好的分散稳定性和热稳定性。