一種在電場誘導下沉積高一致取向的石墨潤滑塗層的製備方法
2023-09-21 18:58:40
專利名稱：一種在電場誘導下沉積高一致取向的石墨潤滑塗層的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種電場誘導石墨烯潤滑塗層製備技術，具體是一種在電場誘導下沉積高一致取向的石墨潤滑塗層的製備方法。
背景技術：
石墨作為一種典型的固體潤滑材料在高溫安定性、化學穩定性、導熱和導電等方面表現出良好的性能。石墨之所以擁有較好的潤滑性能是因為石墨的層狀結構，但是實際使用中一般使用粉狀石墨作為潤滑劑。石墨顆粒之間石墨單層取向不一致，在使用過程中不一致的石墨層因為受力衝擊而破碎，造成摩擦係數的增加。石墨烯是由單層SP原子組成的六方蜂巢狀二維結構，其理論比表面積高達2600m2/g，具有優異的導熱性能(3000W/(m K))和力學性能(1060GPa)，以及室溫下高速的電子遷移率15000cm2/(V s)。自2004年Geim等用微機械玻璃方法成功製備石墨烯以來，這種材料獲得了科學家們的廣泛關注。在外加電場下片狀石墨烯產生感生偶極矩，所受電場力使得片狀石墨烯在外加電場下取向一致。本發明採用電場誘導的方法，製備了取向一致的石墨烯或者氧化石墨單層，採用此法製備的石墨烯或氧化石墨塗層取向高度一致，層與層之間只有分子作用力，極大改善了塗層的摩擦性能。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種在電場誘導下沉積高一致取向石墨潤滑塗層的製備方法，採用電場誘導的方法，製備了取向一致的石墨烯或者氧化石墨單層，採用此法製備的石墨烯或氧化石墨塗層取向高度一致，可作為高真空、高溫等環境下的固體潤滑劑使用。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為:一種在電場誘導下沉積高一致取向的石墨潤滑塗層的製備方法，其特徵在於包括以下步驟:1)以石墨為原料製備氧化石墨納米單層膠體溶液；2)氧化石墨納米單層膠體溶液經還原製得石墨烯納米單層懸浮液；3)採用電場誘導製備石墨烯塗層:對上述製得的氧化石墨納米單層膠體溶液或石墨烯納米單層懸浮液在相互垂直的方向分別連續的施加和基底表面平行的直流或交流電場，使得氧化石墨納米單層膠體溶液或石墨烯納米單層懸浮液在電場力的作用下平行於基底表面，即獲得聞一致取向的石墨稀或氧化石墨稀塗層；或者在需要塗覆固體潤滑劑塗層的機械零件表面施加相互垂直且與零件表面平行的直流或交流電場，並將上述製得的氧化石墨納米單層膠體溶液或石墨烯納米單層懸浮液塗覆至機械零件表面，待溶液揮發後得到高一致取向的石墨烯或氧化石墨烯塗層；最後對於氧化石墨烯塗層，還需要將氧化石墨烯塗層在氫氣中退火還原即可得到高一致取向石墨烯塗層。步驟1)和步驟2)可以互換。
作為改進，所述步驟I)氧化石墨納米單層膠體溶液的製備過程為:將石墨與氧化劑混合攪拌氧化後加入雙氧水，離心抽濾並使用稀鹽酸溶液洗滌，最後使用蒸餾水洗滌至中性，然後將所得黃褐色氧化石墨沉澱加入去離子水，超聲後離心處理，取上層清液，得到氧化石墨納米單層溶液，其中所述氧化劑是指高錳酸鉀、硝酸鈉和硫酸的混合液，石墨與硝酸鈉的質量比為1.8 2.2: 1，石墨與高錳酸鉀質量比為1: 2.5 3.5，石墨與硫酸的質量比為1: 2 50，硫酸濃度為60 98 (wt) %，所述雙氧水的加入量與石墨的比例為2 4mL: lg，稀鹽酸的濃度為5 20 (wt) %。作為改進，所述步驟2)石墨烯納米單層懸浮液的製備過程為:將步驟I)得到的氧化石墨納米單層溶液離心，在水溶液中超聲分散並加入適量水合肼，然後在85 95°C回流8 12小時,過濾洗漆並分散至乙醇中即得穩定的濃度為0.15 0.25g/L的石墨烯膠狀懸浮液，其中水合肼的加入量與石墨的比例為0.3 0.7mL: lg。再改進，所述步驟3)中施加電場分為兩個方向並相互垂直，且兩個電場都平行於基底表面，並且當其中一個方向施加電場時，另一個方向不施加電場。優選，所述步驟3)中施加電場為直流電場時其電壓範圍為20V 1000V。最後，所述步驟3)中施加電場為交流電場時其電壓範圍為30V 1000V，頻率範圍為 50Hz IOOOHz。與現有技術相比，本發明的優點在於:採用電場誘導的方法，製備了取向一致的石墨烯或者氧化石墨烯塗層，採用此法製備的石墨烯或氧化石墨烯塗層取向高度一致，層與層之間只有分子作用力，極大改善了塗層的摩擦性能。本發明的製備方法簡單，所製備的塗層可作為高真空、高溫環境下的固體潤滑劑使用。
圖1為外加電場裝置示意圖；圖2為X軸與Y軸方向所施加與基底平行且相互垂直的電場(壓)隨時間變化示意圖；圖3為實施例1的石墨粉與氧化石墨烯定向塗層摩擦因子對比圖；圖4為實施例2的石墨粉與石墨烯定向塗層摩擦因子對比圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。實施例1Ig石墨粉和0.5g硝酸鈉固體混合物加入至冰浴的23ml濃硫酸(98wt % )中，磁力攪拌並緩慢加入3g高錳酸鉀，在10°C以下保溫2小時，移出冰浴室溫攪拌5小時，然後將樣品用5￥丨％硫酸稀釋，攪拌2小時後加入3ml H2O2溶液變成亮黃色，過濾後用稀鹽酸反覆洗滌，最後用蒸餾水洗滌至PH值約等於7。將黃褐色氧化石墨加入燒杯中使用去離子水配製
0.2g/L懸浮液，用超聲波清洗器在200w功率下超聲30min，離心處理除去其中少量雜質，得到質量良好的氧化石墨烯沉澱。將上述氧化石墨烯超聲分散至乙醇中，形成濃度為0.2g/L的氧化石墨烯膠狀懸浮液，將氧化石墨烯膠狀懸浮液轉移至外加電場裝置中，如圖1所示，外加電場裝置為5cmX5cmX5cm的方形玻璃瓶,在玻璃瓶壁放置4個5cmX5cm石墨片做對電極，在X方向與Y方向兩個對電極所加電壓如附圖2所示，保持整個系統直至溶液揮發完全，底部所得沉積層即為高一致取向氧化石墨烯塗層。摩擦學試驗在Q P-100型球盤試驗機上完成。上試樣為直徑12.7m m的G C rl5滾珠鋼球，硬度770H V ;下試樣為製備了石墨塗層的45#鋼試塊，直徑60m m，厚5mm。試驗時上試樣鋼球固定，下試樣圓盤旋轉。試驗在室溫和大氣環境中進行，由40#機械油滴油潤滑(50°C時運動粘度為37 43m m2/s)，供油速率為2mL/min。加載方式為砝碼加載。附圖3給出了石墨粉體和氧化石墨烯塗層的摩擦因子隨時間變化對比曲線。實施例2Ig石墨粉和0.5g硝酸鈉固體混合物加入至冰浴的23ml濃硫酸(98wt% )中，磁力攪拌並緩慢加入3g高錳酸鉀，在10°C以下保溫2小時，移出冰浴室溫攪拌5小時，然後將樣品用5￥丨％硫酸稀釋，攪拌2小時後加入3ml H2O2溶液變成亮黃色，過濾後用稀鹽酸反覆洗滌，最後用蒸餾水洗滌至PH值約等於7。將黃褐色氧化石墨加入燒杯中配製0.2g/L懸浮液，用超聲波清洗器在200w功率下超聲30min，離心處理除去其中少量雜質，得到質量良好的氧化石墨烯沉澱。所得氧化石墨烯分散至水溶液中，加入0.5mL水合肼，90°C恆溫反應10小時，過濾洗滌並分散至乙醇中即得穩定的濃度為0.2g/L的石墨烯膠狀懸浮液。將石墨烯沉澱懸浮液轉移至外加電場裝置中，如圖1所示，外加電場裝置為5cmX5cmX5cm的方形玻璃瓶,在玻璃瓶壁放置4個5cmX5cm石墨片做對電極,在X方向與Y方向兩個對電極所加電壓如圖2所示，保持整個系統直至溶液揮發完全。底部所得沉積層即為高一致取向石墨烯塗層。
摩擦學試驗在Q P-100型球盤試驗機上完成，試驗過程同實施例1 一致，圖4為石墨粉體和石墨烯塗層的摩擦因子隨時間變化對比曲線。從圖3、圖4中可以看出採用本發明的製備方法製備的石墨烯或氧化石墨烯塗層的摩擦因子隨時間變化非常穩定，說明製得的石墨烯或氧化石墨烯塗層取向高度一致，層與層之間只有分子作用力，極大改善了塗層的摩擦性能。
權利要求
1.一種在電場誘導下沉積高一致取向的石墨潤滑塗層的製備方法，其特徵在於包括以下步驟: 1)以石墨為原料製備氧化石墨納米單層膠體溶液； 2)氧化石墨納米單層膠體溶液經還原製得石墨烯納米單層懸浮液； 3)採用電場誘導製備石墨烯塗層:對上述製得的氧化石墨納米單層膠體溶液或石墨烯納米單層懸浮液在相互垂直的方向分別連續的施加和基底表面平行的直流或交流電場，使得氧化石墨納米單層膠體溶液或石墨烯納米單層懸浮液在電場力的作用下平行於基底表面，即獲得聞一致取向的石墨稀或氧化石墨稀塗層； 或者在需要塗覆固體潤滑劑塗層的機械零件表面施加相互垂直且與零件表面平行的直流或交流電場，並將上述製得的氧化石墨納米單層膠體溶液或石墨烯納米單層懸浮液塗覆至機械零件表面，待溶液揮發後得到高一致取向的石墨烯或氧化石墨烯塗層； 最後對於氧化石墨烯塗層，還需要將氧化石墨烯塗層在氫氣中退火還原即可得到高一致取向石墨烯塗層。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於所述步驟I)氧化石墨納米單層膠體溶液的製備過程為:將石墨與氧化劑混合攪拌氧化後加入雙氧水，離心抽濾並使用稀鹽酸溶液洗滌，最後使用蒸餾水洗滌至中性，然後將所得黃褐色氧化石墨沉澱加入去離子水，超聲後離心處理，取上層清液，得到氧化石墨納米單層溶液，其中所述氧化劑是指高錳酸鉀、硝酸鈉和硫酸的混合液，石墨與硝酸鈉的質量比為1.8 2.2: 1，石墨與高錳酸鉀質量比為I: 2.5 3.5，石墨與硫酸的質量比為1: 2 50，硫酸濃度為60 98 (wt) %，所述雙氧水的加入量與石墨的比例為2 4mL: lg，稀鹽酸的濃度為5 20 (wt) %。
3.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於所述步驟2)石墨烯納米單層懸浮液的製備過程為:將步驟I)得到的氧化石墨納米單層溶液離心，在水溶液中超聲分散並加入適量水合肼，然後在85 95°C回流8 12小時，過濾洗滌並分散至乙醇中即得穩定的濃度為0.15 0.25g/L的石墨烯膠狀懸浮液，其中水合肼的加入量與石墨的比例為0.3 0.7mL:1g0
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述步驟3)中施加電場分為兩個方向並相互垂直，且兩個電場都平行於基底表面，並且當其中一個方向施加電場時，另一個方向不施加電場。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述步驟3)中施加電場為直流電場時其電壓範圍為20V 1000V。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述步驟3)中施加電場為交流電場時其電壓範圍為30V 1000V，頻率範圍為50Hz 1000Hz。
全文摘要
本發明涉及一種在電場誘導下沉積高一致取向的石墨潤滑塗層的製備方法，使用氧化石墨納米單層或石墨烯納米單層懸浮液，在平行於基底的方向分別施加相互垂直的方向的直流或交流電場，使得氧化石墨納米單層或石墨烯納米單層平行於基底表面並沉積。本發明採用電場誘導的方法，製備了取向一致的石墨烯或者氧化石墨烯塗層，採用此法製備的石墨烯或氧化石墨烯塗層取向高度一致，層與層之間只有分子作用力，極大改善了塗層的摩擦性能。本發明的製備方法簡單，所製備的塗層可作為高真空、高溫環境下的固體潤滑劑使用。
文檔編號C10N50/08GK103115238SQ20111036634
公開日2013年5月22日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者劉永剛, 孔令民, 王世來, 黃文君, 姚建明 申請人:浙江海洋學院