片状纳米石墨在润滑油中的应用

将纳米石墨作为液体石蜡添加剂，在摩擦磨损上试验，考察其润滑性能。结果表明，添加一定含量片状纳米石墨的液体石蜡，其摩擦系数明显降低。

在现代国民经济的发展中，特别是在机械工业领域中，润滑油有着广泛的应用，有人把它比喻为“维持机械正常运转的血液”。正确使用润滑油是保证和改进机械设备节能、高效、长期正常运转的一种基本措施。润滑油的润滑性和抗磨性是润滑油质量的重要标志。为了弥补润滑油的缺陷，单从炼制工艺上提高油品的质量已不能满足低速、高速、高负荷、大功率、高温、低温、高真空等苛刻条件的要求，而必须在润滑油中加入各种添加剂。目前，被用作润滑油添加剂加以研究的纳米粒子主要有纳米单质粉体、纳米氧化物、纳米氢氧化物、纳米硫化物、纳米硼酸盐、聚合物纳米微球以及纳米稀土化合物等。

一、试验

（一）片状纳米石墨的预处理

本实验采用的片状纳米石墨中含有65%左右的水分，而水分在摩擦过程中将起到腐蚀的作用，因此在实验前必须进行预先处理。

将一定量的纳米石墨泥浆加入到烧杯中，同时加少量的液体石蜡，进行超声震荡，大约持续10～20分钟，石墨表面的水大部分被置换掉，而且水中不含石墨及液体石蜡，然后采用倾斜法分离出上层水分。此时石墨表面及液体石蜡中仍含有部分水分，为了除去剩余的水分，采用在DZF－6050型真空干燥箱中减压加热的方法。

（二）分散剂的筛选

除去水分以后，将加入一些分散稳定剂，选择一定配比的基础油和片状纳米石墨，考察纳米石墨的分散性和悬浮液的稳定性，需要不断地筛选和调整配方。

本实验采用的基础油为液体石蜡，它的物理化学性质如表1所示。

表1  液体石蜡的物理化学性质

1、分散性能测试过程

在实验过程中选择了6种不同的分散剂，分别为聚丙二醇（1#）、聚氧乙烯（2#）、聚已二醇（3#）、司班80（4#）、油酸（5#）、苄胺（6#），具体的操作过程如下：

在烧杯中加入200毫升的液体石蜡作为基础油，然后加1毫升的分散剂，通过磁力搅拌使两者混合均匀；

混合以后加入0.1克预处理过的片状纳米石墨，通过T18分散器强制分散，时间大概控制在20～30分钟，然后再进行超声波震荡，时间大约为20～30分钟；

取上述已添加纳米石墨的基础油进行离心分离，转速设置为1000转／分，时间间隔为30分钟；

每隔30分钟离心一次以后，吸取部分上清液在721可见分光光度计进行吸光度检测，并记录数据。

2、分散性能测试数据分析

添加不同分散剂的润滑油的吸光度数据结果如图1所示。从图中分析，司班80（4#）和苄胺（6#）离心分离以后仍具有很高的吸光度，而且随着分离时间的推移，曲线相对比较平缓，结合实验过程发现离心300分钟以后，没有发现片状纳米石墨与基础油分层，说明这两种分散剂具有稳定的分散能力。聚丙二醇（1#）、油酸（5#）的曲线比较平坦，但是分光度不是很高，实验过程中发现离心分离几次后就出现部分片状纳米石墨沉淀下来，估计应该降低石墨的添加量，能够取得不错的分散效果。聚氧乙烯（2#）、聚乙二醇（3#）离心分离一次以后就出现纳米石墨与基础油分层，具有非常低的吸光度，难获得良好稳定的分散能力。

图1  添加不同分散剂基础油的吸光度比较

在相同的条件下加入其它不同含量的司班80，进行吸光度检测，结果如图2所示。总体上来说，司班80具有很好的分散能力，实验结果发现加入司班80的含量分别为5.0毫升、8.0毫升时，曲线相对比较平坦。

图2  添加不同含量司班80基础油的吸光度比较

在相同的条件下加入其它不同含量的苄胺，进行吸光度检测，结果如图3所示。图中分析得知，当添加0.5毫升、1.0毫升苄胺的基础油得到的曲线比较平坦，而且吸光度的平台很高，随着苄胺加入量的增加，曲线落差较大，结合实验过程中发现纳米石墨部分分离。

图3  添加不同含量苄胺基础油的吸光度比较

（三）摩擦试验

本实验采用的基础油为化学纯液体石蜡，分别以司班80和苄胺作为分散剂，酿成片状纳米石墨含量分别为25ppm，50ppm，100ppm，150ppm，200ppm的润滑油。在相同的条件下，在MMW－1立式万能摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，所使用的铜块直径为20毫米，厚度为6毫米，硬度为148HV，钢销的硬度为263HV，合金成分为GCr15。

（四）试验结果与讨论

1、相同载荷对摩擦系数的影响

试验条件为：载荷100牛，实验时间10分钟，转速360转／分，温度为室温。图4是以司班80为分散剂，不同纳米石墨含量对液体石蜡基础油摩擦系数的影响。

图4  不同纳米石墨含量对添加司班80基础油摩擦系数的影响

从图中可以发现纯液体石蜡在载荷的作用下，其摩擦系数很高，高达0.1以上。随着片状纳米石墨的加入，其摩擦系数逐步降低，纳米石墨起到很好的减摩作用。当石墨含量为100ppm时，摩擦系数最小。随着纳米石墨含量的增加，摩擦系数逐渐上升，可能由于部分颗粒较大的片状纳米石墨沉积在摩擦表面，起到了阻碍作用。

图5是以苄胺为分散剂，不同纳米石墨对基础油液体石蜡摩擦系数的影响。从图中我们可以发现，随着片状纳米石墨含量的增加，其摩擦系数逐步降低。当含量为150ppm时，摩擦系数达到最小，然后摩擦系数逐渐上升。

图5  不同纳米石墨含量对添加苄胺基础油摩擦系数的影响

表2  不同添加剂的最小摩擦系数比较

表2表明，在相同的载荷作用下，添加司班80基础油得到的最小摩擦系数比添加苄胺基础油要小。

2、不同载荷对摩擦系数的影响

试验条件为：转速360转／分，载荷分别为100牛、150牛、200牛、250牛、300牛。图6是在不同载荷作用下，以司班80为分散剂，50ppm纳米石墨含量的基础油与纯液体石蜡摩擦系数的比较。从图中可以看出，纯液体石蜡摩擦系数的比较。从图中可以看出，纯液体石蜡在不同载荷下都具有很高的摩擦系数，随着载荷的增加，摩擦系数上升。50ppm纳米石墨含量基础油的摩擦系数在不同载荷作用下，降低摩擦系数的效果十分明显，在载荷增加的同时，摩擦系数略微升高，说明以司班80作为分散剂具有很高的负载能力。

图6  不同载荷下添加司班80基础油摩擦系数的比较

图7是在不同载荷作用下，以苄胺为分散剂，150ppm纳米石墨含量的基础油与纯液体石蜡摩擦系数的比较。结果表明，以苄胺作为分散剂在低载荷下降低摩擦系数的效果更有效、更明显，而在载荷升高时，摩擦系数急剧上升，效果显著下降。

图7  不同载荷下添加苄胺基础油摩擦系数的比较

3、纳米石墨添加剂的摩擦机理

石墨具有耐高温、抗腐蚀、自润滑等特点，作为良好的固体润滑剂及润滑添加剂，以各种形式应用于机械设备及加工工艺的润滑，起到了性能维护、节能降耗、提高生产效率的作用。一些研究测试结果表明：无论是天然石墨或是人造石墨，平均粒度在4～5微米的石墨微粉将产生良好的润滑效果，能使试件的摩擦磨损降到最低限度。根据石墨粉剂的晶体尺寸比（层面面积与棱面面积之比）与被润滑材料比磨损量的关系的研究表明：随着石墨颗粒尺寸比的增大，被润滑的材料其比磨损量明显下降。因此，薄片状的石墨微粒具有更好的润滑效果。

实验过程中选取部分磨损过的铜片作为扫描电镜样品，分析了摩擦表面痕迹的形貌，如图8所示。

（a）  纯液体石蜡

（b）  100ppm纳米石墨含量（司班80）

图8  铜片表面摩擦痕迹的SEM形象

从电镜照片可以看到，纯液体石蜡的铜片摩擦表面像雪片般剥落，形成许多凹槽，较粗糙，而添加片状纳米石墨的磨痕表面光滑平整。能谱（EDS）分析表明，磨痕表面存在大量的C元素，说明在摩擦过程中片状纳米石墨沉积在摩擦表面形成膜，起到填平修复的作用，使摩擦表面始终处于较为平整的状态，这就解释了添加片状纳米石墨的液体石蜡可以降低摩擦系数，提高其润滑性能。

二、结论

（一）片状纳米石墨经过预处理以后，通过扫描电镜分析，尺寸大约在500纳米以下，厚度在10～30纳米之间。

（二）采用沉降法，分别测试了6种不同分散剂的吸光度，从而得到了2种具有稳定分散能力的分散剂－司班80、苄胺。

（三）以司班80、苄胺作为分散剂，配置含一定含量片状纳米石墨的基础油，通过摩擦试验发现纳米石墨能够降低液体石蜡的摩擦系数。

（四）司班80作为分散剂降低摩擦系数的效果比苄胺明显，特别是在高载荷下。

（五）片状纳米石墨在摩擦过程中沉积在摩擦表面形成膜，起到填平修复的作用，从而降低了摩擦系数，提高润滑性能。