含有奈米石墨片的潤滑油的製作方法

2024-02-10 22:10:15

含有奈米石墨片的潤滑油的製作方法
【專利摘要】一種含有奈米石墨片的潤滑油，包含潤滑油脂以及多個奈米石墨片，奈米石墨片充分分散於潤滑油脂中，佔整體重量比為0.0001wt%至10wt%，奈米石墨片的長度或寬度在1um至100um、厚度在10nm至100nm，奈米石墨片包含N個相互堆疊的石墨烯層以及至少一表面改質層，其中N為30至300，利用物理性質介於單層石墨烯與天然石墨之間的奈米石墨片，添加於潤滑油脂中，由於奈米石墨片經由表面改質，且其本身的聚集效應也不像石墨烯容易聚集，避免了凡德瓦爾力的影響，而能使得奈米石墨片能充分分散於潤滑油脂中，同時藉由類似石墨烯的奈米特性，達到良好的導熱效果。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種潤滑油，尤其藉由其所含有的奈米石墨片而達到良好導熱效果。 含有奈米石墨片的潤滑油

【背景技術】
[0002] 單層石墨，又稱為石墨烯（graphene)，是一種由單層碳原子以石墨鍵（sp2)緊密 堆積成二維蜂窩狀的晶格結構，因此僅有一個碳原子的厚度，石墨鍵為共價鍵與金屬鍵的 複合鍵，可說是絕緣體與導電體的天作之合。2004年英國曼徹斯特大學Andre Geim與 Konstantin Novoselov成功利用膠帶剝離石墨的方式，證實可得到單層的石墨烯，並獲得 2010年的諾貝爾物理獎。石墨烯是目前世界上最薄也是最堅硬的材料，導熱係數高於奈米 碳管與金剛石，常溫下其電子遷移率亦比奈米碳管或矽晶體高，電阻率比銅或銀更低，為目 前世界上電阻率最小的材料。
[0003] 石墨烯的製備方法可分為剝離石墨法、直接生長法與奈米碳管轉換法三大類，其 中剝離石墨法可製得石墨烯粉體，而這類方法當中最適合應用於量產製程的主要為氧化還 原法，此方法的原理是先將石墨材料氧化，形成石墨氧化物，再進行包括了分離與還原的處 理，以得到石墨烯。
[0004] 美國專利案20050271574即揭露一種石墨烯的製備方法，是將天然石墨經由強酸 插層之後，瞬間接觸高溫熱源使天然石墨剝離，最後再以高能球磨的方式完全剝離天然石 墨以得到石墨烯粉體。不論以何種方式製備石墨烯粉體，由於石墨烯的先天奈米結構，不僅 製備方式複雜、汙染嚴重，且奈米材料的堆積密度甚低，以石墨烯而言，其堆積密度遠小於 O.Olg/cm3,亦即體積龐大，且容易因凡德瓦爾力產生大量團聚，即便具有非常優異的各項 物理特性，對於量產乃至於工業應用而言，都是非常棘手的難題，不僅難以發揮其特性，甚 至造成衍生產品的負面效果。
[0005] 美國專利案US8222190揭露一種添加石墨烯的潤滑油，依據實施例所述，將潤滑 油當中添加5wt%的石墨烯，相對於添加相同量的奈米石墨顆粒或奈米碳管，可使潤滑油的 磨擦係數下降一半以上。然而，正因為石墨烯易於團聚，因此該方法需添加至5wt%才能夠 顯現效果。


【發明內容】

[0006] 本發明的主要目的是提供一種含有奈米石墨片的潤滑油。本發明含有奈米石墨 片的潤滑油包含潤滑油脂以及多個奈米石墨片，該奈米石墨片充分分散於潤滑油脂中，佔 整體重量比為0· OOOlwt%至10wt%，且其中各該奈米石墨片的長度或寬度在lum至100um， 而其厚度在l〇nm至100nm。奈米石墨片包含N個相互堆疊的石墨烯層以及至少一表面改 質層，表面改質層設置於該相互堆疊的石墨烯層的最上及/或最下的表面，其中N為30至 300,而使得奈米石墨片的平面橫向尺寸與厚度的比值在10至10000的區間。
[0007] 表面改質層至少包含表面改質劑，表面改質劑可以為偶合劑、脂肪酸及樹脂的至 少其中之一。表面改質劑的化學特徵是包括至少二官能基，分別位於表面改質劑的二端，該 至少二官能基的一官能基與奈米石墨片表面殘餘的有機官能基產生化學鍵結，該至少二官 能基的另一官能基形成奈米石墨片的表面特性，從而改變奈米石墨片的表面特性，使奈米 石墨片於潤滑油脂中均勻分散。
[0008] 本發明利用物理性質介於單層石墨烯與天然石墨之間的奈米石墨片，添加於潤滑 油脂中，由於奈米石墨片經由表面改質，且其本身的聚集效應也不像石墨烯容易聚集，避免 了凡德瓦爾力的影響，而能使得奈米石墨片能充分分散於潤滑油脂中，同時藉由類似石墨 烯的奈米特性，達到良好的導熱效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是本發明含有奈米石墨片的潤滑油的示意圖；
[0010] 圖2是圖1中奈米石墨片的放大側視圖；
[0011] 圖3(a)為顯示實例製程的中間產物奈米石墨片結構的SEM照片；
[0012] 圖3(b)為顯示天然石墨片結構的SEM照片；
[0013] 圖4為實例製程的中間產物奈米石墨片結構的TEM照片；
[0014] 圖5為顯示實例製程的中間產物奈米石墨片結構與天然石墨的X射線繞射分析對 照結果；
[0015] 圖6為本發明奈米石墨片的紅外線吸收圖譜。
[0016] 其中，附圖標記說明如下：
[0017] 1奈米石墨片的潤滑油
[0018] 10潤滑油脂
[0019] 20奈米石墨片
[0020] 21石墨烯層
[0021] 23表面改質層

【具體實施方式】
[0022] 以下配合圖式及組件符號對本發明的實施方式做更詳細的說明，以使熟悉本領域 的技術人員在研讀本說明書後能據以實施。
[0023] 參考圖1，為本發明含有奈米石墨片的潤滑油的示意圖。如圖1所示，本發明含有 奈米石墨片的潤滑油1包含潤滑油脂10以及多個奈米石墨片20,該奈米石墨片20充分分 散於潤滑油脂10中，佔整體重量比為〇. 〇〇〇lwt%至10wt%，且其中各該奈米石墨片20的長 度或寬度在lum至lOOum，而其厚度在10nm至100nm。
[0024] 進一步地，本發明含有奈米石墨片的潤滑油1還進一步包含分散劑及/或表面親 合劑，以增加潤滑油脂10與所述奈米石墨片20的分散/親合效果。分散劑具有二端，該二 端的其中之一端具有一長碳鏈及一苯基的至少其中之一，該二端的其中之另一端具有一磺 酸根官能基、一膽酸根官能基及一羧基的至少其中之一。經實際測試，本發明含有奈米石墨 片的潤滑油的熱傳導係數大於〇. 2W/mK。
[0025] 參考圖2,為圖1中奈米石墨片20的放大側視圖。如圖2所示，奈米石墨片20包 含N個相互堆疊的石墨烯層21以及至少一表面改質層23,表面改質層23設置於該相互堆 疊的石墨烯層21的最上及/或最下的表面。N為30至300,而使得奈米石墨片20的平面 橫向尺寸與厚度的比值（L/T)在10至10000的區間。
[0026] 表面改質層23至少包含表面改質劑，表面改質劑包括至少二官能基，分別位於表 面改質劑的-端，該至少-官能基的一官能基與石墨稀層21表面殘餘的有機官能基廣生 化學鍵結，該至少二官能基的另一官能基形成奈米石墨片20的表面特性。如此，該奈米石 墨片20的表面特性即被改變，因而得以使奈米石墨片20於潤滑油脂10中均勻分散，表面 改質層23為佔奈米石墨片20重量的重量百分比0. 02至20. 0%之間，較佳為0. 1-10. 0%之 間。
[0027] 表面改質劑包含偶合劑、脂肪酸及樹脂的至少其中之一。偶合劑一般由二部分組 成，其中包含一親無機基團及一親有機基團，親無機基團用以與無機填充物接合，而親有機 基團可與有機樹脂作用，常見的偶合劑有矽烷類、鈦酸酯類、鋯酸酯類、鋁鋯酸酯類、鋁酸酯 類、鉻酸酯類，其中以矽烷類最為常見。進一步地，以化學式來表明，偶合劑的結構為M X(R) y(R'）z，其中Μ為一金屬元素，R為一親水性官能基，R'為一親油性官能基，其中0 = X = 6， 1蘭y蘭20,且1蘭z蘭20。偶合劑的R的一端與Μ鍵結，而R可水解產生另一端對應的親 水性官能基，使其與奈米石墨片20的表面產生化學鍵結。R'的一端與Μ鍵結，另一端透過 上述不同性質的官能基團，即可使奈米石墨片20的表面產生不同於天然石墨或是石墨烯 粉體的特性，尤其易分散於有機載體中或與有機高分子反應。
[0028] 又，其中R為選自烷氧基、羰基、羧基、醯氧基、醯氨基、伸烷氧基及伸烷氧羧基的 其中之一。Μ為選自鋁、鈦、鋯及矽的其中之一。R'為選自乙烯基、脂肪環氧烷基、苯乙烯 基、甲基丙烯醯氧基、丙烯醯氧基、脂肪基胺基、氯丙烷基、脂肪基氫硫基、脂肪基硫離子基、 異氰酸基、脂肪基尿素基、脂肪基羧基、脂肪基羥基、環己烷基、苯基、脂肪基甲醯基、乙醯基 及苯甲醯基的其中之一。
[0029] 表面改質劑也可選用1?碳數的脂肪酸，其亦具備有相對-端的-官能基，一官能 基可與石墨烯粉體表面進行反應，同時另一官能基形成不同於純石墨烯粉體的表面特性， 該高碳數脂肪酸為選自硬脂酸及油酸的其中之一。此外，表面改質劑可選用樹脂，由於樹脂 具備多樣官能基，因此可提供與純石墨烯粉體表面不同的表面特性，該樹脂為選自環氧樹 月旨、聚氨基甲酸乙酯樹脂、矽樹脂、酚樹脂及聚酯樹脂的其中之一。
[0030] 下面以實際實例說明本發明的奈米石墨片20的製作。
[0031] 首先是取5克天然石墨混入去離子水中，再加入1mm的氧化鋯研磨球，以行星式球 磨機研磨6小時，再改以0. 1mm的氧化鋯研磨球繼續研磨12小時，乾燥之後即可得到一奈 米石墨片結構，該奈米石墨片結構的振實密度為0.07g/cm 3。圖3 (a)為顯示奈米石墨片結 構的SEM照片，而圖3(b)為顯示天然石墨片結構的SEM照片，經比較可知，兩者的厚度有極 大的差異，奈米石墨片結構的厚度降為80nm左右，而平面橫向的尺寸約為lOum，因此平面 橫向尺寸與厚度的比值約為125。圖4為奈米石墨片結構的TEM照片，顯示其為一可透光 的薄片。使用氮氧分析儀可測得該奈米石墨片結構1的氧含量約為2. 5wt%，將此奈米石墨 片結構利用BET法測定其比表面積為23m2/g。圖5為顯示奈米石墨片結構與天然石墨的X 射線繞射分析對照結果，可看到有石墨特徵峰，而（002)晶面的特徵峰半高寬為0.296,天 然石墨則為0. 182,顯示奈米石墨片結構具有偏向奈米材料的結構特性。
[0032] 將上述奈米石墨片結構添加十二烷基苯磺酸鹽作為表面改質劑，靜置後在奈米石 墨片結構的表面上形成表面改質層23,而完成本發明的奈米石墨片20。
[0033] 圖6為本發明奈米石墨片的紅外線吸收圖譜，顯示在添加表面改質劑後，紅外線 吸收圖譜中可看到長碳鏈的吸收位置，顯示奈米石墨片的表面存在有一含有長碳鏈的官能 基。
[0034] 再將本發明的奈米石墨片20充分分散於潤滑油脂10中，進一步添加分散劑及/ 或表面親合劑，而能得到本發明含有奈米石墨片的潤滑油1。
[0035] 實例1-5為本發明含有奈米石墨片的潤滑油的實例，以不同分散劑的成分，來評 估添加分散劑於含有奈米石墨片的潤滑油中的性能表現，其中該分散劑為選用油酸，製作 方法為將表面改質的奈米石墨片依不同比例分別加入潤滑油中，經由機械物理混合，如均 質機、攪拌機、超音波震蕩機處理後使奈米石墨片均勻分散於潤滑油，再由四球試驗機測量 摩擦係數。其中，不同奈米石墨片的含量對潤滑油的摩擦係數影響整理於表1。由摩擦係數 比較得知，僅需添加〇. 〇〇〇6wt%的奈米石墨片即可大幅提升潤滑油的潤滑性，過多的奈米 石墨片添加於潤滑油將反而導致摩擦係數上升，添加奈米石墨片同時有助於減少摩擦熱的 生成，可有效降低工件操作時的溫度，延長工件的壽命。因此添加奈米石墨片粉體於潤滑油 不僅有助於提升其性能，更由於添加量僅小於〇. OOlwt%即可產生明顯效果，對整體成本影 響有限。
[0036] [表 1]
[0037]

【權利要求】
1. 一種含有奈米石墨片的潤滑油，其特徵在於，該潤滑油包含： 一潤滑油脂；以及 多個奈米石墨片，充分分散於潤滑油脂中，佔整體重量比為0. OOOlwt%至10wt%，各該 奈米石墨片的長度或寬度在lum至lOOum，而其厚度在10nm至lOOnm，各該奈米石墨片包含 N個相互堆疊的石墨烯層以及至少一表面改質層，該至少一表面改質層設置於所述相互堆 疊的石墨烯層的最上及/或最下的表面， 其中，N為30至300,該至少一表面改質層包括一表面改質劑，包括至少二官能基，分別 位於該表面改質劑的-端，該至少-官能基的一官能基與所述石墨稀層表面的有機官能基 產生化學鍵結，該至少二官能基的另一官能基形成該奈米石墨片的表面特性。
2. 如權利要求1所述的含有奈米石墨片的潤滑油，其特徵在於，該表面改質劑為包含 偶合劑、脂肪酸及樹脂的至少其中之一。
3. 如權利要求2所述的含有奈米石墨片的潤滑油，其特徵在於，該偶合劑的結構 SMx(R)y(R'）z，其中Μ為一金屬元素，R為一親水性官能基，R'為一親油性官能基，其中 〇芻X芻6,1芻y芻20,且1芻ζ芻20。
4. 如權利要求3所述的含有奈米石墨片的潤滑油，其特徵在於，Μ為選自鋁、鈦、鋯及矽 的其中之一，R為選自烷氧基、羰基、羧基、醯氧基、醯氨基、伸烷氧基及伸烷氧羧基的其中之 一，而R'為選自乙烯基、脂肪環氧烷基、苯乙烯基、甲基丙烯醯氧基、丙烯醯氧基、脂肪基胺 基、氣丙燒基、脂肪基氫!硫基、脂肪基硫尚子基、異氛酸基、脂肪基尿素基、脂肪基竣基、脂肪 基羥基、環己烷基、苯基、脂肪基甲醯基、乙醯基及苯甲醯基的其中之一。
5. 如權利要求2所述的含有奈米石墨片的潤滑油，其特徵在於，該脂肪酸為選自硬脂 酸及油酸的其中之一。
6. 如權利要求2所述的含有奈米石墨片的潤滑油，其特徵在於，該樹脂為選自環氧樹 月旨、聚氨基甲酸乙酯樹脂、矽樹脂、酚樹脂及聚酯樹脂的其中之一。
7. 如權利要求1所述的含有奈米石墨片的潤滑油，其特徵在於，該表面改質劑為佔各 該奈米石墨片重量的重量百分比〇. 1-10. 〇wt%之間。
8. 如權利要求1所述的含有奈米石墨片的潤滑油，其特徵在於，進一步包含至少一分 散劑及/或一表面親合劑。
9. 如權利要求8所述的含有奈米石墨片的潤滑油，其特徵在於，該分散劑具有二端，該 二端的其中之一端具有一長碳鏈及一苯基的至少其中之一，該二端的其中之另一端具有一 磺酸根官能基、一膽酸根官能基及一羧基的至少其中之一。
10. 如權利要求1所述的含有奈米石墨片的潤滑油，其特徵在於，含有奈米石墨片的潤 滑油的熱傳導係數大於0. 2W/mK。
【文檔編號】C10M177/00GK104109569SQ201310140429
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年4月22日 優先權日:2013年4月22日
【發明者】吳以舜, 謝承祐, 林君孟, 餘陳欣 申請人:安炬科技股份有限公司