石墨烯作为添加剂在两种成品润滑油中的应用可行性研究

2022-08-12王佳贝胡文敬李久盛

摩擦学学报 2022年4期

王佳贝 ,孔尚 ,胡文敬 ,李久盛*

(1.中国科学院上海高等研究院先进润滑材料实验室,上海 201210;2.中国科学院大学,北京 100049)

制造业的快速发展，带动了新设备和新材料的生产和应用，随之而来的是仪器使用中的诸多问题，如摩擦磨损、腐蚀锈蚀、油路堵塞和高温失效等[1-3].因此，具有良好润滑性能、防锈性能、清净分散性与氧化安定性的高端润滑产品是机械设备尤其是高精尖仪器长期稳定运行的重要保障[4].

作为应用最为广泛的液体润滑剂[5]，润滑油在现代工业的发展历程中始终占据着至关重要的作用，全球的消费量已高达3 800万吨/年[6].润滑油由基础油和添加剂组成，添加剂能够改善基础油的理化性质并赋予其特殊性能[7].其中，石墨烯以其独特结构与优异性能引起了研究人员的广泛关注[8]，其优异的力学、电学和热学性能使其具备用作高端润滑添加剂的理论依据和应用潜力[9].然而，目前有限的制备技术制约了石墨烯的生产质量与效率，导致产品普遍存在尺寸和层数不均匀以及质量不稳定等问题，各项性能指标远不及实验室水平.同时，高质量石墨烯材料的产量较低，售价甚至超过5 000元/克，因此，较高的制备成本对石墨烯的应用提出了更高的要求与挑战.

目前已有大量有关石墨烯在基础油体系中的摩擦学性能的研究[10-14]，Bonelli等[15]利用原子模拟模仿超润滑滑动试验，探测石墨烯薄片在石墨表面的滑动行为，并提出了原子模型来解释石墨烯的超滑行为.Xu等[16]采用1个弹簧连接振荡器模型研究了石墨烯层间的本征摩擦随石墨烯层数的变化.结果显示，随着层数的减少，石墨烯层间的摩擦力急剧下降，在两层或3层时，摩擦力几乎为零.Guo等[17]采用层间堆垛关联经验势研究了石墨烯层间摩擦力与层间距的关系，发现摩擦力随着层间距的减小而增加，当层间距减小到0.3 nm时，石墨烯的层间最大摩擦力显著增加.在作者的前期工作[18-19]中，考察了不同层数与横向尺寸的石墨烯对聚α烯烃(PAO)基础油的摩擦学性能的影响，进一步证实了石墨烯在基础油中的良好润滑性能.然而，有关石墨烯作为成品润滑油添加剂的性能研究却很有限，石墨烯能否在成品润滑油中直接发挥其优良性能尚未可知.成品润滑油含有多种添加剂组分[20]，不同添加剂之间又相互配合，协同提升润滑油的综合性能[21].因此，石墨烯能否稳定存在于成品润滑油的添加剂体系，并与各组分间实现良好的协同作用，是其直接发挥自身多种优良特性并提高体系综合性能的核心问题[22]，也是拓宽石墨烯在润滑油领域应用范围的关键问题之一.

基于以上背景，本文中遴选了两种市售的成品润滑油与多层石墨烯制备石墨烯成品润滑油分散液.采用多种摩擦试验机与表征设备研究石墨烯对成品润滑油摩擦学性能与常见理化性能的影响，分析了石墨烯成品润滑油的性能可靠性，为石墨烯的实际应用与发展提供了重要的理论指导，对其在润滑剂领域的应用具有极大的借鉴意义.

1 试验部分

1.1 试剂与材料

化学法多层石墨烯G10(化学法，分析纯)采购于青岛天源达石墨有限公司；聚α烯烃(PAO4，质量分数＞99%)基础油购于埃克森美孚公司；成品润滑油SAE0W-40和SAE5W-40 (简称0W-40和5W-40)分别购于埃克森美孚公司和英国石油公司，其主要理化性质列于表1中；分散剂高分子量丁二酰亚胺T161购于上海海润添加剂有限公司，其主要理化性质列于表2中；石油醚和乙醇等溶剂(分析纯)购于上海泰坦科技股份有限公司.为保证结果的通适性，所购试剂材料均可直接使用，无需进一步处理.

表1 成品润滑油5W-40和0W-40的主要理化性质Table 1 Main physicochemical properties of lubricating oil 5W-40 and 0W-40

表2 分散剂T161的主要理化性质Table 2 Main physicochemical properties of dispersant T161

1.2 石墨烯润滑油的制备

称取等份成品润滑油0W-40和5W-40分别与PAO4加入烧杯中，然后加入质量分数为0.1%的石墨烯G10，采用磁力搅拌器(RET basic型，IKA)室温下磁力搅拌1 h，并采用超声仪(VGT-1730QTD型，GTSONIC)超声分散1 h，即可得到分散均匀的石墨烯成品油/基础油分散液.

1.3 分散稳定性测试

石墨烯在基础油中的分散稳定性能是其在实际应用中发挥优良性能的基础和关键，基于前期研究结果[18-19]，高分子量聚异丁烯基丁二酰亚胺T161能够吸附在石墨烯表面，产生空间位阻效应.大量研究[23-26]也已证实了T161能够在润滑油中起到良好分散作用，同时对油品的摩擦学性能无明显影响.因此，本文中选择高分子量聚异丁烯基丁二酰亚胺T161对石墨烯进行稳定分散处理，配置不同质量分数分散剂的分散液，配置方法如下：将分散剂T161以不同的质量分数(0.05%、0.1%、0.2%、0.4%和1.6%)加入到基础油中，通过磁力搅拌得到均匀的溶液，然后再加入0.1%(质量分数)的石墨烯，在室温条件下磁力搅拌1 h，超声处理1 h，最终得到均匀的石墨烯分散液.静置一周后对石墨烯的分散程度观察与表征.采用拍照的方法记录分散液静置0、3和7 d后的分散情况，可对石墨烯基础油分散液的分散稳定性进行直接、粗略地定性分析；紫外分光光度法能够监测分散液的吸光度随时间的变化，对分散液的分散稳定性进行精确的定量分析.

1.4 摩擦学测试

为满足实际应用中的复杂环境条件，研究中采用多种摩擦磨损试验机模拟不同接触方式下石墨烯对成品润滑油摩擦学性能的影响.图1为不同接触方式的示意图.

Fig.1 Schematic diagram of different contact modes图1 不同接触方式示意图

采用MS-10A型四球摩擦试验机与标准测试方法SH/T0189-2017，考察所制备的石墨烯分散液在点对点接触模式下的摩擦学性能.试验条件如下：摩擦对偶采用Φ12.7 mm的GCr 15轴承钢钢球(弹性模量为210 GPa，表面粗糙度为0.08 μm)；测试温度分别为25、75和150 ℃，法向荷载为147 N，转速为1 200 r/min，测试时间为1 800 s.

采用TE77长行程高频往复摩擦试验机，在往复摩擦模式下，考察了所制备的石墨烯分散液在点-面、线-面与面-面等不同摩擦接触方式下石墨烯对成品润滑油的摩擦学性能的影响.下试样为轴承钢GCr15钢板(尺寸为38 mm×58 mm×4 mm)，测试温度分别为25、75和150 ℃，法向荷载为200 N，往复位移为5 mm，频率为10 Hz，测试时间为2 000 s.

摩擦试验前将钢球和钢板依次浸泡在石油醚与乙醇的混合液中，水浴下超声清洗10 min，以除去表面杂质与污染物，然后用氮气吹干表面溶剂，清洗干净的钢球和钢板即可进行摩擦学测试.每个样品进行3次重复试验，以保证数据的可靠性.

1.5 理化性能测试

润滑油的质量直接关系到仪器设备的正常运行及其使用寿命，油品的质量可以通过润滑油的理化性能指标进行评价.为探究石墨烯对成品润滑油理化性能的影响，试验采用旋转氧弹试验仪、高压差示扫描量热仪、成焦板试验仪和电热鼓风干燥箱等仪器对润滑油的理化性能进行测试.

采用旋转氧弹测定仪(SETA，Robot Bath 15200-5型)与高压差示扫描量热仪(METTLER TOLEDO，HP DSC1型)对润滑油的氧化安定性进行测定；通过标准旋转氧弹法(SH/T0193-2008)测定试样的起始氧化温度(Incipient Oxidation Temperature，简称IOT)来评价该试样的氧化安定性；采用成焦倾向试验仪(SHANGHAI METIS INSTRUMENT，C-9)对润滑油的高温清净效果进行测试，根据标准方法SH/T0300对成品润滑油和石墨烯分散液进行了成焦板试验；采用铜片腐蚀法GB/T5096对油品的抗腐蚀性进行定性测定.

2 结果与讨论

2.1 石墨烯结构特征

据以往研究[19]可知，化学法制备的石墨烯表面残留了部分含氧官能团，有利于其在摩擦副表面的吸附，易于形成表面润滑保护膜；与少层石墨烯相比，多层石墨烯的片层之间更容易发生层间滑动，摩擦系数更小，因此，化学法制备的多层石墨烯摩擦学性能优于其他种类的石墨烯.为达到最佳复配效果，本研究中选用化学法制备的多层石墨烯G10作为研究对象.

石墨烯的结构与化学组成对其理化性能具有极大影响，有关G10的相关表征结果在前期工作中[18-19]已给出.研究结果表明，石墨烯G10层数约为10层，平均粒径为25.7 μm，具有典型石墨烯片层的堆叠结构，同时，其表面褶皱较少，层表面较为平坦.由于片层表面残留的部分含氧基团，G10的层间距约为0.35 nm，略大于一般物理法制备的石墨烯.

2.2 石墨烯润滑油的分散稳定性

石墨烯极大的比表面积导致其在体系中极易发生不可逆团聚，进而影响其优良性能的发挥.不同分散剂浓度对基础油分散液稳定性的影响如图2(a)所示.当加入的分散剂质量分数为0.2%时，静置一周后的石墨烯分散液(质量分数为0.1%)具有最高的相对浓度，即具有最佳的分散稳定性.

Fig.2 The relative concentration of graphene dispersion图2 石墨烯分散液的相对浓度

为直接观察石墨烯在润滑油中的分散稳定性，将未添加分散剂的基础油分散液与加入最佳浓度分散剂的分散液静置相同时间，在同一时间点进行拍照与紫外分光光度测试.如图2(b)所示，未添加分散剂的基础油中，石墨烯在静置3 d后发生了明显的团聚与沉淀，静置5 d后，石墨烯几乎完全沉淀至底部，此时体系相对浓度降到0.085；含分散剂的体系在静置5 d后，底部也出现明显沉淀，体系相对浓度为0.667，这是由于丁二酰亚胺T161作为高分子型分散剂，能够吸附在石墨烯表面，产生空间位阻效应，减少石墨烯间相互接触和团聚，进而起到分散作用.然而，尽管体系稳定性已有所提高，但仍无法长时间保持均一稳定，沉降和团聚现象仍然明显.结果表明，适量分散剂的加入能够在一定程度上提高石墨烯在润滑油体系中的分散稳定性，然而仍无法彻底解决其聚沉问题.因此可推测，在实际应用时，长时间储存和使用会导致石墨烯在润滑油体系中发生严重的团聚与沉降，对产品性能的发挥产生不利影响.

2.3 石墨烯对成品润滑油摩擦学性能的影响

2.3.1 不同接触方式下石墨烯对成品润滑油摩擦学性能的影响

在实际应用场景中，封闭式齿轮和开式齿轮等设备均为点-点接触摩擦，因此对该接触方式进行模拟试验，图3所示为润滑油与石墨烯分散液在点对点接触下的摩擦系数曲线.由图3(a)可知，磨合期后，成品润滑油0W-40的摩擦系数在0.086上下波动，平均摩擦系数为0.088.加入质量分数为0.1%的石墨烯后，摩擦前期的摩擦系数略有降低，但曲线稳定性较差，表明石墨烯能够缩短成品润滑油的磨合期，但其减摩作用不够稳定，试验后期分散液的摩擦系数逐渐升高，平均摩擦系数为0.082.这是由于在测试过程中，摩擦剪切导致接触点位置附近产生摩擦热，体系温度的不均匀分布导致石墨烯更易相互接触发生团聚，大尺寸的石墨烯团聚体进入接触区，发生磨粒磨损现象，导致摩擦系数增加.由图3(b)可知，石墨烯在成品润滑油5W-40中的减摩作用较为明显，磨合期后，纯成品润滑油5W-40的摩擦系数在0.105上下波动，加入质量分数为0.1%的石墨烯后，平均摩擦系数降低约19.2%，但随试验时间延长，其摩擦系数呈明显上升趋势.结果表明，在点-点接触方式下，石墨烯对成品润滑油的摩擦学性能有略微提高作用，其减摩性能在摩擦前期表现较为显著，能够加快成品润滑油摩擦平衡的建立，但随着试验的进行，石墨烯的团聚现象导致体系减摩性能逐渐降低，最终摩擦系数与纯成品润滑油摩擦系数几乎保持一致.

Fig.3 Tribological test results under point to point contact图3 点-点接触下的摩擦系数曲线

Fig.4 Tribological test results under point to face contact图4 点-面接触下的摩擦学测试结果

图4所示为点-面接触下成品润滑油0W-40和5W-40与石墨烯分散液的摩擦系数曲线.如图4(a)所示，纯润滑油 0W-40的平均摩擦系数为0.093，曲线较为平稳，加入质量分数为0.1%的石墨烯后，成品油0W-40摩擦状态变化不明显，平均摩擦系数仅降低了2.2%，两条曲线较为重合.如图4(b)所示，纯润滑油 5W-40的平均摩擦系数为0.090，加入质量分数为0.1%的石墨烯后，摩擦试验后期的摩擦系数略有降低，平均摩擦系数降低了4.4%.试验结果表明，点-面接触方式下，石墨烯G10对两种成品润滑油的摩擦性能几乎无影响.

蜗轮蜗杆和轴承等部件常见的接触方式为线-面接触，因此将TE77摩擦试验机的上试样更换为销，进行线-面接触摩擦试验.结果如图5所示，图5(a)所示为成品油0W-40加入石墨烯前后的摩擦系数曲线.成品油0W-40的平均摩擦系数为0.116，几乎无磨合期，且曲线十分平稳，加入质量分数为0.1%的石墨烯后，成品油0W-40出现短暂的磨合期，摩擦状态变化不明显，摩擦曲线整体重合性好，平均摩擦系数几乎无变化.如图5(b)所示，纯润滑油5W-40的平均摩擦系数为0.117，加入质量分数为0.1%的石墨烯对摩擦系数曲线几乎无影响，两条摩擦曲线高度重合.分析可知，线-面接触方式下，石墨烯G10对两种成品润滑油的摩擦系数几乎无影响.

在发动机、空气压缩机、涡轮机和风机等装置中，面-面接触摩擦较为常见.因此，将TE77摩擦试验机的上试样更换为盘，进行面-面接触摩擦试验，结果如图6所示.与其他摩擦方式相比，面-面接触下成品润滑油的摩擦系数大幅降低.图6(a)所示为成品油0W-40加入石墨烯前后的摩擦系数曲线.纯成品油0W-40的平均摩擦系数为0.06，摩擦曲线平稳，加入质量分数为0.1%的石墨烯后，平均摩擦系数增大至0.13，与纯成品油相比提高了116%，摩擦状态变化不明显.图6(b)所示为成品油5W-40加入石墨烯前后的摩擦系数曲线，纯润滑油5W-40的平均摩擦系数为0.05，加入质量分数为0.1%的石墨烯后平均摩擦系数提高至0.12，增幅为140%.推测是由于成品润滑油中的添加剂体系恰好在该测试条件下发挥了极佳的减摩性能，使润滑油的摩擦系数处于较低的水平，加入石墨烯后，影响了原有添加剂体系的平衡与性能的发挥，导致摩擦系数急剧增大.

Fig.5 Tribological test results under line to face contact图5 线-面接触下的摩擦学测试结果

Fig.6 Tribological test results under face to face contact图6 面-面接触下的摩擦学测试结果

发动机等设备密封性较好，长期使用时产生的热量易聚集在接触区，导致局部温升较大，因此需考察油品在不同温度下发生面-面接触时的摩擦学性能.不同试验温度的摩擦学测试结果如图7所示，在75 ℃条件下，G10对润滑油0W-40的摩擦系数无明显影响[图7(a)]，摩擦系数曲线高度重合；但润滑油5W-40的摩擦系数提高了10.2%[图7(b)]，且提高了磨合期的时间；150 ℃下，石墨烯的存在使得两种成品润滑油0W-40和5W-40的摩擦系数分别增大了31.1%[图7(c)]和7.5%[图7(d)]，这与高温下石墨烯的团聚沉淀现象有关.结果表明，宽温度范围内在面-面接触模式下，石墨烯均无法提高成品润滑油的摩擦学性能.

2.3.2 试验温度对石墨烯在成品润滑油中摩擦学性能的影响

工作温度是影响油品摩擦学行为的重要因素，同时，压力作用下的长时间剪切行为会产生大量摩擦热，使得接触区温度快速升高.为了进一步探究石墨烯分散液在不同温度下的摩擦学性能，在点-面摩擦接触方式下测试了石墨烯成品润滑油分散液在25、75和150 ℃温度下的摩擦系数.

Fig.7 Friction coefficient curve at different test temperatures under face to face contact图7 面-面接触下在不同测试温度时的摩擦系数曲线

Fig.8 Effect of G10 on tribological properties of lubricating oils (a) 0W-40 and (b) 5W-40 at different temperatures图8 不同温度下G10对成品润滑油(a) 0W-40和(b) 5W-40的摩擦学性能影响

不同温度下G10对成品润滑油0W-40和5W-40的摩擦学性能影响结果如图8所示.三种温度条件下，加入石墨烯后，两种成品润滑油的平均摩擦系数的降低程度均小于2%，结果表明，在不同温度下，石墨烯对两种成品油的减摩性能略有提高作用；同时，随着温度升高，石墨烯的减摩效果逐渐减弱.这是由于高温导致石墨烯在润滑油中的分散稳定性变差，团聚速度增加，进而减弱了其润滑效果.结果表明，在宽温度范围内，石墨烯对成品润滑油的减摩性能几乎无明显提高作用.

2.4 石墨烯对成品润滑油理化性能的影响

2.4.1 氧化安定性

润滑油的氧化安定性反映了其抗老化能力，是长寿命工业润滑油的重要性能指标之一，测试结果如图9所示.旋转氧弹法测试结果如图9(a)，加入质量分数为0.1%的石墨烯后，两种润滑油的氧化时间均略有降低，分别降低了0.7%和1.25%，推测是由石墨烯的结构缺陷所致.结果表明，石墨烯的存在降低了成品润滑油的氧化安定性，推测在实际使用过程中可能会对成品润滑油的使用寿命产生负面影响.

采用高压差示扫描量热法对基础油PAO4和加入石墨烯质量分数为0.1%的PAO4分散液的起始氧化温度进行测试，结果如图9(b)所示.PAO4的起始氧化温度为211 ℃，加入石墨烯后，分散液的起始氧化温度无变化.因此可以进一步佐证石墨烯对成品润滑油的氧化安定性无明显影响.

Fig.9 Oxidation stability test results:(a) results of rotating bomb oxidation;(b) results of differential scanning calorimetry图9 氧化安定性测试结果：(a)旋转氧弹测试；(b)高压差示扫描量热测试

2.4.2 清净分散性

清净分散性用以说明油品在酸中和、增溶、分散和洗涤等方面的能力，是评价油品的使用寿命与润滑能力的重要指标.成焦板试验结果如图10所示.加入石墨烯后，成品润滑油0W-40的成焦量由13.2 mg (3级)降低为11.4 mg (2级)，5W-40的成焦量由19.7 mg (3.5级)提高至20.5 mg (3.5级).结果表明，石墨烯G10能够略微提高0W-40的清净分散性，对于5W-40油品，石墨烯反而降低了其清净分散性.

2.4.3 抗腐蚀性能

长期暴露在潮湿空气中的机械设备表面极易发生氧化反应，进而导致仪器腐蚀与解体，降低仪器的使用寿命.因此，润滑油品的抗腐蚀性能也十分关键.铜片腐蚀法结果如图11所示.在成品润滑油0W-40中加入石墨烯后，铜板表面腐蚀程度增加，颜色变深，表明石墨烯的加入降低了成品润滑油0W-40原有的抗腐蚀性能；成品润滑油5W-40本身具有优异的抗腐蚀性，经腐蚀试验后铜片表面仍保持光滑，加入石墨烯后，铜片表面腐蚀程度未发生明显变化.结果表明，石墨烯对油品的抗腐蚀性能无提高作用，甚至会加快某些种类油品在金属表面的腐蚀速率.