一種基于二維材料納米片/碳量子點的水基潤滑液及其制備方法與流程

本發明屬于納米潤滑材料制備技術領域，涉及一種基于二維材料納米片/碳量子點的水基潤滑液及其制備方法，特別是一種采用超聲空穴法制備基于二維材料納米片/碳量子點的高分散穩定性水基潤滑液的方法，制備的納米水基潤滑液具有摩擦系數超低，且制備過程環境友好、成本低廉等優點。

背景技術：
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據統計，全球每年約三分之一到二分之一的能源被消耗于各種形式的摩擦磨損過程中，潤滑技術是解決這一問題的最有效方法之一。目前，常用的液體潤滑劑可分為油基潤滑劑和水基潤滑劑，兩者相比，油基潤滑劑的可生物降解性差，并且容易長期在環境中存留并逐漸富集，不利于可持續發展。水基潤滑劑具有成本低廉、加工表面光潔度好、導熱系數高、環境兼容性好等優點，被廣泛應用于精密拋光、切削和冷軋等領域，但水基潤滑劑存在抗磨損性較差及腐蝕性等缺點。通過在水中加入各種功能性添加劑，可以在保證水基潤滑劑獨特性能的同時，避免其腐蝕性并提高其潤滑及抗磨性能。

隨著近幾年石墨烯研究熱潮的掀起，其他類石墨烯結構的二維材料也開始引起研究者的廣泛關注。比如，六方氮化硼(h-BN)、層狀雙氫氧化物(layered double hydroxide,LDH)、過渡金屬化合物(二硫化鉬(MoS₂)、二硫化鎢(WS₂)、二硒化鉬(MoSe₂))等都是典型的無機層狀材料。將這些二維材料作為潤滑添加劑加入到各種油脂中，可以增加油脂的潤滑性。同時，當把二維材料剝離到納米級厚度時，這些納米片很容易伴隨摩擦過程而進入到摩擦副間，獨特的層狀結構又使其極易黏附在摩擦副表面，在摩擦副表面形成一層保護膜，使摩擦轉而發生在黏附于摩擦副表面的二維材料薄膜之間，避免了摩擦副的直接碰撞接觸，達到降低摩擦、減小磨損的效果。然而，這些二維材料固有的疏水性能，目前鮮有關于作為他們水基潤滑添加劑的報道。

量子點作為零維的納米材料，具有獨特的表面效應、尺寸效應、量子限域效應等優點，還保留了原材料的性能。比如，碳量子點具有量子點的光學及電學性能，還很好的保留了碳材料的特性。同時，納米尺寸的碳量子點在水中分散穩定性極好，相比于傳統的納米碳材料潤滑添加劑，碳量子點在水基潤滑添加劑領域具有更廣闊的應用前景。因此，我們報道了這種能同時結合二維材料和碳量子點的優勢，采用碳量子點作為表面活性劑和分散穩定劑，利用超聲空穴法制備基于二維材料納米片/碳量子點水基潤滑劑的方法。

技術實現要素：
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本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求設計提供一種具有超低摩擦系數且綠色環保的水基潤滑液及其制備方法，采用碳量子點作為表面活性劑和分散穩定劑，利用超聲空穴法制備基于二維材料納米片/碳量子點水基潤滑液。

為了實現上述目的，本發明所述基于二維材料納米片/碳量子點的水基潤滑液包括超純水、碳量子點和二維材料納米片，其中碳量子點占水基潤滑液總質量的0.01～1.5％,二維材料納米片占水基潤滑液總質量的0.001～0.1％，其余為超純水。

本發明制備基于二維材料納米片/碳量子點的水基潤滑液的具體過程為：

(1)以檸檬酸和尿素為原料，加入超純水，依次攪拌、超聲后得到澄清溶液，其中檸檬酸：尿素：超純水的質量比為5～10:10:30～60，攪拌速度為100～500轉/分，超聲功率為20～80瓦，溫度為50～95攝氏度，超聲時間為50～100小時；

(2)將澄清溶液置于微波爐中反應5～10分鐘，得到黑色固體反應物，加入超純水后進行細胞粉碎30～60分鐘得到碳量子點水溶液；

(3)將制備的碳量子點水溶液進行抽濾、透析后，冷凍干燥12～60小時得到碳量子點粉末；

(4)將制備的碳量子點加入到超純水中，超聲10分鐘得到碳量子點水溶液；

(5)將二維材料納米片加入到步驟(4)制備的碳量子點水溶液中，在50～95攝氏度下超聲50～100小時，制備得到基于二維材料納米片/碳量子點的水基潤滑液。

本發明所述二維材料納米片包括石墨烯、氮化硼、二硫化鉬、二硫化鎢和二硒化鉬。

本發明與現有技術相比，其制備工藝簡單可控，成本低，環境友好，清潔無毒并且易于大規模生產，所制備的水基潤滑摩擦系數極低，對摩擦副的適應性很好，對普通碳鋼不產生腐蝕。

附圖說明：

圖1為本發明實施例1制備的碳量子點的高分辨透射圖(a)和剪切粘度圖(b)。

圖2為本發明實施例1制備的石墨烯納米片/碳量子點的高分辨透射圖。

圖3為本發明實施例1制備的石墨烯納米片/碳量子點水溶液的摩擦系數圖。

圖4為本發明實施例2制備的二硫化鉬納米片/碳量子點水溶液的摩擦系數圖。

具體實施方式：

下面通過實施例并結合附圖做進一步說明。

實施例1：

本實施例以石墨﹑檸檬酸﹑尿素為原料制備石墨烯納米片/碳量子點水基潤滑液，其具體制備過程為：

(1)用現有的微波法制備碳量子點；

(2)將300mg碳量子點分散到200mL超純水中，超聲10分鐘，制備出分散均勻濃度為1.5g/L的碳量子點水溶液；

(3)稱取50mg石墨粉加入到步驟(2)制備的碳量子點水溶液中，超聲10分鐘得到分散液；

(4)將步驟(3)得到的分散液倒入250毫升的玻璃瓶中，進行超聲，超聲功率為80瓦，超聲溫度為60度，超聲時間為60小時，得到石墨烯納米片/碳量子點水基潤滑液；

(5)將步驟(4)得到的石墨烯納米片/碳量子點水基潤滑液進行潤滑性能測試，結果如圖3所示。

實施例2：

本實施例以二硫化鉬﹑檸檬酸﹑尿素為原料制備二硫化鉬/碳量子點水基潤滑液，其具體制備過程為：

(1)用現有的微波法制備碳量子點；

(2)將300mg碳量子點置于200mL超純水中，超聲10分鐘，得出分散均勻、濃度為1.5g/L的碳量子點水溶液；

(3)稱取50mg二硫化鉬粉末加入到碳量子點水溶液中，超聲10分鐘得到分散液；

(4)將步驟(3)得到的分散液倒入250毫升的玻璃瓶中，進行超聲，超聲功率為80瓦，超聲溫度為60度，超聲為時間60小時，得到水相分散液，即為二硫化鉬/碳量子點水基潤滑液；

(5)測試步驟(4)得到的二硫化鉬/碳量子點水基潤滑液的潤滑性能，結果如圖4所示。