一種水基潤滑劑用具有高表面活性的石墨烯量子點的製備方法與流程
2024-02-19 16:39:15
本發明屬於化工領域，涉及一種水基潤滑劑用具有高表面活性的石墨烯量子點的製備方法。
背景技術：
石墨烯量子點是尺寸小於100nm的零維半導體材料。目前，石墨烯量子點的製備方法主要有自上而下合成法和自下而上合成法。自上而下合成法是將微米級的氧化石墨烯片通過氧化切割成納米級的石墨烯量子點。方法所製備得石墨烯量子點不穩定，而且產率低。自下而上合成法是將含碳小分子化合物通過熱裂解得到石墨烯量子點(Z.T.Fan,S.H.Li,F.L.Yuan,L.Z.Fan,Fluorescent graphene quantum dots for biosensing and bioimaging,RSC Adv.5.25(2015)19773-19789)。所得到的石墨烯量子點含有羧基、羥基等豐富的邊緣基團。方法簡單易行，產量高，可用於大規模生產。為了提高石墨烯量子點的疏水性，人們可採用物理改性和化學改性對石墨烯量子點進行改性。前者主要是加入聚合電解質，通過靜電力的作用吸附在粒子表面。方法簡單，但得到的功能化石墨烯量子點結構不穩定，通常表現出體系組分各自的性質。後者是通過化學反應在石墨烯片的邊緣上引入某種基團或特殊結構，從而得到具有穩定結構和較高表面活性的功能化石墨烯量子點。
相對於油基潤滑劑，水基潤滑劑具有優異的冷卻性、難燃安全、易清洗、低汙染等優點，廣泛應用於金屬切削、鑽井液、潤滑冷卻液中(H.D.Wang,Y.H.Liu Z.C.,B.B.Wu,S.L.Xu,J.B.Luo.Layered Double Hydroxide Nanoplatelets with Excellent Tribological Properties under High Contact Pressure as Water-Based Lubricant Additives,Scientific reports,2016,6)。然而，現有水基潤滑劑存在潤滑性差、承載能力低、水粘度低等缺點，近期需要提高水基潤滑劑的潤滑性(S.S.Liang,Z.G.Shen,M.Yi,L.Liu,X.J.Zhang,S.L.Ma,In-situ exfoliated graphene for high-performance water-based lubricants.Carbon,2016,96 1181-1190)。因此，開發水基潤滑劑用具有高表面活性的石墨烯量子點具有現實意義。
技術實現要素：
發明目的：提供一種水基潤滑劑用具有高表面活性的石墨烯量子點的製備方法。利用在石墨烯量子點片上引入直鏈伯按提高石墨烯量子點的疏水性，導致石墨烯量子點具有高的表面活性。利用功能化石墨烯量子點的雙親特性提高水基潤滑劑的潤滑性，從而解決了目前水基潤滑劑潤滑性低的問題。
技術方案：為了解決上述的技術問題，本發明提供了一種水基潤滑劑用具有高表面活性的石墨烯量子點的製備方法，該製備方法包括如下步驟:
1.一種水基潤滑劑用具有高表面活性的石墨烯量子點的製備方法，其特徵步驟為：1)將丁烯二酸溶於水，加入一定摩爾比的直鏈伯胺，形成混合碳源溶液；2)將由步驟1)所製備的混合碳源溶液轉移至高壓反應釜，加熱反應，冷凍乾燥，得到功能化石墨烯量子點；3)將由步驟2)所製備的功能化石墨烯量子點、油性劑與水按一定質量比混合，攪拌，形成水基潤滑劑，然後測試潤滑性。
2.步驟1)中所述的丁烯二酸為順丁烯二酸和反丁烯二酸中的一種。
3.步驟1)中所述的直鏈伯胺為碳原子數在4-30的直鏈伯胺中的一種或它們的任意混合物。
4.步驟1)中所述的丁烯二酸和直鏈伯胺的摩爾比在1:0.005-1:0.5。。
5.步驟2)中所述的加熱反應的溫度和時間分別在120-250℃和1-5h。
6.步驟3)中所述的油性劑為大豆油、橄欖油、菜籽油等植物油或礦物油中的一種或它們的任意混合物。
7.步驟3)中所述的石墨烯量子點、油性劑與水的質量比在1:6:19-1:100:1300。
本發明與現有的技術相比具有如下優點：
(1)石墨烯片的形成與直鏈伯胺的引入在一步水熱反應中完成，方法具有簡單、綠色環保和高效的顯著特點。
(2)石墨烯片的邊緣引入疏水性碳鏈提高了石墨烯量子點的疏水性，得到具有高表面活性的功能化石墨烯量子點。
(3)相對於現有水基潤滑劑產品，添加功能性量子點的水基潤滑劑具有更高的乳液穩定性和潤滑性。
具體實施方式
下面用實例來進一步說明本發明，但本發明並不受其限制。
下列實施實例中未註明具體條件的實驗方法，通常按照常規條件，或者按照製造廠商將建議的條件。本發明中所述的「室溫」、「常壓」是指日常操作間的溫度和氣壓，一般為25℃，一個標準大氣壓。
下列實施例中，所用的MQ-800型四球摩擦實驗機。試驗條件為轉速1450r/min，溫度為70℃，載荷為392N。所用的鋼球為武漢鋼球廠生產的直徑Φ＝12.7mm的Ⅱ級的GCr15鋼球，硬度為(59-61)HRC。
實施實例1
稱取20g順丁烯二酸，加入200mL二次蒸餾水攪拌至溶解，在順丁烯二酸溶液中加入1g十二胺，將燒杯中的混合物轉移至500mL的高壓反應釜中，在溫度為200℃下反應3h。將所製得的石墨烯量子點溶液透析，冷凍乾燥，得到石墨烯量子點。取4.5g石墨烯量子點，60g橄欖油，237g水，混合均勻，配製水基潤滑劑。在溫度為70℃，載荷為392N下摩擦30min測試磨班直徑為0.5mm，摩擦係數為0.052
實施實例2
稱取20g反丁烯二酸，加入200mL二次蒸餾水攪拌至溶解，在反丁烯二酸溶液中加入20g十七胺，將燒杯中的混合物轉移至500mL的高壓反應釜中，在溫度為250℃下反應5h。將所製得的石墨烯量子點溶液透析，冷凍乾燥，得到石墨烯量子點。取15g石墨烯量子點，90g大豆油，195g水，混合均勻，配製水基潤滑劑。在溫度為70℃，載荷為392N下摩擦30min測試磨班直徑為0.6mm，摩擦係數為0.065
實施實例3
稱取20g順丁烯二酸，加入200mL二次蒸餾水攪拌至溶解，在順丁烯二酸溶液中加入0.3g十二胺，將燒杯中的混合物轉移至500mL的高壓反應釜中，在溫度為150℃下反應1h。將所製得的石墨烯量子點溶液透析，冷凍乾燥，得到石墨烯量子點。取1.5g石墨烯量子點，15g橄欖油，384.5g水，混合均勻，配製水基潤滑劑。在溫度為70℃，載荷為392N下摩擦30min測試磨班直徑為0.062，摩擦係數為0.066
實施實例4
稱取20g順丁烯二酸，加入200mL二次蒸餾水攪拌至溶解，在順丁烯二酸溶液中加入5g十五胺，將燒杯中的混合物轉移至500mL的高壓反應釜中，在溫度為220℃下反應4h。將所製得的石墨烯量子點溶液透析，冷凍乾燥，得到石墨烯量子點。取5g石墨烯量子點，35g葵花籽油，260g水，混合均勻，配製水基潤滑劑。在溫度為70℃，載荷為392N下摩擦30min測試磨班直徑為0.56mm，摩擦係數為0.056
實施實例5
稱取20g反丁烯二酸，加入200mL二次蒸餾水攪拌至溶解，在反丁烯二酸溶液中加入10g十六胺，將燒杯中的混合物轉移至500mL的高壓反應釜中，在溫度為180℃下反應2.5h。將所製得的石墨烯量子點溶液透析，冷凍乾燥，得到石墨烯量子點。取6g石墨烯量子點，65g大豆油，229g水，混合均勻，配製水基潤滑劑。在溫度為70℃，載荷為392N下摩擦30min測試磨班直徑為0.053，摩擦係數為0.055
實施實例6
稱取20g順丁烯二酸，加入200mL二次蒸餾水攪拌至溶解，在順丁烯二酸溶液中加入8g十二胺，將燒杯中的混合物轉移至500mL的高壓反應釜中，在溫度為200℃下反應4h。將所製得的石墨烯量子點溶液透析，冷凍乾燥，得到石墨烯量子點。取5g石墨烯量子點，50g橄欖油，245g水，混合均勻，配製水基潤滑劑。在溫度為70℃，載荷為392N下摩擦30min測試磨班直徑為0.057mm，摩擦係數為0.058
實施實例7
稱取20g反丁烯二酸，加入200mL二次蒸餾水攪拌至溶解，在反丁烯二酸溶液中加入3g十三胺，將燒杯中的混合物轉移至500mL的高壓反應釜中，在溫度為240℃下反應1.5h。將所製得的石墨烯量子點溶液透析，冷凍乾燥，得到石墨烯量子點。取10g石墨烯量子點，70g芝麻油，220g水，混合均勻，配製水基潤滑劑。在溫度為70℃，載荷為392N下摩擦30min測試磨班直徑為0.056mm，摩擦係數為0.058
實施實例8
稱取20g反丁烯二酸，加入200mL二次蒸餾水攪拌至溶解，在反丁烯二酸溶液中加入15g十六胺，將燒杯中的混合物轉移至500mL的高壓反應釜中，在溫度為210℃下反應3.5h。將所製得的石墨烯量子點溶液透析，冷凍乾燥，得到石墨烯量子點。取7g石墨烯量子點，35g芝麻油，258g水，混合均勻，配製水基潤滑劑。在溫度為70℃，載荷為392N下摩擦30min測試磨班直徑為0.06mm，摩擦係數為0.062。