一種石墨烯/氮化碳量子點復合納米材料及潤滑油摩擦改善劑的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于潤滑油技術領域，涉及一種石墨烯/g_C3N4量子點復合納米粒子及制 備方法，及其作為摩擦改善劑在潤滑油中的應用。
【背景技術】
[0002] 材料表面與界面的摩擦會損耗大量的機械能，而磨損則是機械零件失效的一個重 要原因。每年由于摩擦造成機械零件失效的經濟損失占世界1/3的一次性能源。如何減少 摩擦磨損造成的經濟損失是一個重大社會經濟效益的課題。
[0003] 在機械運動過程中，潤滑油起到降低摩擦、減小磨損、冷卻降溫、防止腐蝕、絕緣、 清洗、密封的作用，是機械運轉的血液。而潤滑油添加劑是潤滑油的關鍵部分，可以彌補基 礎油的不足，極大改善潤滑油的性能。隨著納米技術的發展，將納米粒子經過表面修飾用于 潤滑油添加劑。研究發現，添加納米粒子潤滑油的極壓性能有了很大的提高，而且還可以明 顯的降低摩擦系數。
[0004] 石墨烯作為潤滑劑代替傳統的潤滑劑，是利用固體物化性質受溫度、壓力變化影 響較小的特點，將石墨烯添加到潤滑油中，發揮其納米材料特有的物化性能，在潤滑油中起 到承壓骨架的作用，石墨烯可部分滲到摩擦金屬表面，改變表面結構，使其硬度發生變化， 提高抗氧化、抗腐蝕及抗磨性能。未滲入金屬表面的石墨稀填充在摩擦表面的凹凸處，提高 摩擦面的承載面積，以降低摩擦系數，提高承壓能力。
[0005] 新近一種世界上最硬的新材料一一氮化碳（C3N4)問世，迅速引起全世界科學界和 工程技術界的強烈反響和巨大震動。里程碑式的工作提出后，其中的類石墨相g-C3N4迅速 成為了化學和材料學領域的研究熱點。研究者注意到，這種材料是一種層狀化合物，每一層 是由C-N共價鍵形成的原子層，再層層堆垛，就形成所謂的石墨相氮化碳。由于層與層之間 是弱的范德華力，這種力很容易被打破。g-C3N4特有的類石墨的層狀結構，不僅帶來了較大 的比表面積，也成為固體潤滑劑研究領域的一個新材料，特別是g-C3N4量子點與石墨烯的 復合，增強石墨烯層間的分散性以及潤滑油的穩定性，而且作為固體潤滑劑g-C3N4量子點 的超強硬度也為其增強油膜強度，繼而增加其抗磨減磨性能。
[0006] 本發明的目的是解決現有基礎潤滑油的諸多缺陷與不足，提供了一種石墨烯/C3N 4復合摩擦改善劑及其制備方法。
【發明內容】
[0007] 針對現有發動機潤滑油應用中存在的問題以及市場成品潤滑油添加劑的局限性， 本發明公開一種石墨烯/g_C3N4量子點復合納米粒子的制備方法及其在成品潤滑油中的應 用，本發明制備的石墨烯/g_C3N4量子點復合納米粒子添加到市售的成品潤滑油中化學穩 定性好，具備優良的潤滑和抗磨性能。
[0008] -種石墨烯與g_C3N4量子點復合納米材料，由多層石墨烯與g-C 3N4量子點復合制 備而成，多層石墨稀與g_C3N4量子點的質量比為0. 5-20:1。
[0009] 進一步的，所述g_C3N4量子點的粒度蘭15nm。
[0010] 進一步的，所述多層石墨烯由化學氧化法制備，層數為10-50層。
[0011] 本發明的一種石墨稀與g-C3N4量子點復合納米材料的制備方法，步驟如下：
[0012] 1)稱取三聚氰胺，加入醋酸攪拌，然后烘干，將烘干物置于加蓋坩堝中，置于馬弗 爐中煅燒，冷卻至室溫，得到多孔類石墨相g_C3N4;
[0013] 2)將g_C3N4用去離子水溶解，超聲剝離；
[0014] 3)在g_C3N4水溶液中加入剝離劑、多層氧化石墨稀，攪拌得到混合液；
[0015] 4)將混合液加入到反應釜中進行水熱反應，剝落g_C3N4納米層；
[0016] 5)將冷卻后混合液速離心，取離心后的沉淀物質，用乙醇和去離子水的混合液反 復離心，洗滌，得到本發明的石墨烯與g_C3N4量子點復合納米材料。
[0017] 進一步的，步驟1)中所述三聚氰胺與醋酸的質量比為1-10:15。
[0018] 進一步的，步驟3)中所述剝離劑為濃氨水或尿素；所述g_C3N4水溶液與剝離劑的 體積比為10:2-5。
[0019] 進一步的，步驟4)中所述水熱反應的溫度為140_160°C，時間為8-10h。
[0020] 本發明還提供了一種潤滑油摩擦改善劑，組分及重量份為：權利要求1所述的石 墨烯/g-C3N4量子點復合納米粒子0. 001-0. 02份，分散劑10-80份，改進劑1-10份，基礎油 1-10 份。
[0021] 進一步的，所述分散劑為油酸、斯盤-80或吐溫；所述改進劑為油酸甘油酯、二烷 基二硫代硫酸鉬或硬脂酸。
[0022] 所述的一種潤滑油摩擦改善劑的制備方法，是按比例稱取各組分，通過高速分散 法混合，然后超聲混合，即得到本發明的潤滑油摩擦改善劑。
[0023] 本發明的有益效果：本發明將片狀石墨烯與球形碳化氮量子點復合，制備納米復 合材料，不僅有效整合二者的在形貌上的優勢，極大提高潤滑油的抗磨減摩及極壓性能，而 且球形碳化氮量子點負載在石墨烯片層上面，減小了石墨烯片層間的范德華力，從而增加 石墨烯復合材料在基礎潤滑油之間的分散性、穩定性。因此本發明制備的潤滑油添加劑分 散性好，添加到到市售潤滑油中，抗氧化能力、耐磨性能明顯提高，摩擦改善效果優異；高溫 使用過程中揮發性小，減少油泥和積碳；制備過程簡單，降低了成本。
【附圖說明】
[0024] 圖1本發明的多層石墨烯與g_C3N4量子點復合納米材料的XRD圖；
[0025] 圖2本發明的多層石墨烯與g_C3N4量子點復合納米材料的SEM圖；
【具體實施方式】
[0026] 本發明所述一種石墨烯與g_C3N4 (類石墨相C3N4)量子點復合納米材料由多層石墨 稀與g-C3N4量子點復合制備而成，多層石墨稀與g-C 3N4量子點的質量比為0. 5-20:1。
[0027] 其中所述g_C3N4量子點的粒度小于15nm ;所述多層石墨烯由化學氧化法制備，層 數在10-50層。從摩檫學角度來說，10-50層石墨烯的摩擦系數相比較于單層石墨烯的更 小；而且從經濟角度考慮，10-50層的石墨烯相比單層成本較低，性價比較高；從穩定性方 面考慮，石墨烯層數過多容易團聚、沉淀，所以大于50層的石墨烯不適用于本發明。
[0028] 所述多層石墨稀與g_C3N4量子點復合納米材料的制備方法，步驟如下：
[0029] 1)稱取三聚氰胺加入醋酸攪拌20_40min，然后烘干，將烘干物置于加蓋坩堝中然 后置于馬弗爐中，600-700°C煅燒l_2h，冷卻至室溫，得到黃色的多孔類石墨相g-C3N4;所述 三聚氰胺與醋酸的質量比為1-10:15。
[0030] 2)稱取0. 1-0. 5g所述g_C3N4，加去離子水溶解，轉移入100mL容量瓶中定容，超聲 剝離 12-24h，得到 0. 001-0. 005g/mL 的 g-C3N4溶液。
[0031] 3)在g-C3N4溶液中加入20mL-50mL剝離齊丨」，和0. Ι-lg多層氧化石墨稀， 2500-4000r/min高速攪拌20-30min，將氧化石墨稀充分溶解得到混合液。
[0032] 本發明中的剝離劑優選為濃氨水，其作用是分散于g_C3N4層間，在反應釜高溫高 壓的環境下形成納米氣泡，氣泡膨脹產生的力抵消層間范德華力，有效剝落納米層，形成 g-C3N4量子點。
[0033] 4)然后將混合液加入到反應釜中，140_150°C水熱法保持8-10h，剝落g_C3N 4納米 層。
[0034] 該過程發生的化學反應包括：1)濃氨水會將g_C3N4納米片剝離成量子點，因為NH 3是極性分子，更容易親近C3N4而不是石墨烯，所以濃氨水主要用于剝離C3N 4。2)濃氨水會將 氧化石墨稀還原成石墨稀，g_C3N4量子點會負載在石墨稀層表面，并與石墨稀進行復合。
[0035] 5)將冷卻后混合液以6000-8000r/min的轉速離心，取離心后的沉淀物質，用乙醇 和去離子水的混合液反復離心，所述乙醇和去離子水的體積比1:2,然后洗滌，烘干，得到本 發明的石墨稀與g-C3N4量子點復合納米材料。
[0036] 該制備方法中關鍵性的步驟是：步驟3)中的剝離劑的選取、反應時間和溫度的控 制，剝離劑除了氨水還可以用尿素等其他有機助劑，但是實驗效果不如氨水。步驟4)中水 熱反應過程中溫度和時間的控制，如果控制不好容易使C3N4去質子化，完全水解，無法形成 量子點，因此該步驟用于控制g_C3N4的粒度。該制備方法比現有文獻上的方法更簡單；原料 易得且廉價，成本較低；不會對環境造成較大污染。
[0037] 經過本制備方法得到的石墨烯與g_C3N4量子點復合納米材料性能穩定，在潤滑油 中不易團聚；在油品中的散熱性大大提高；可以很好地改善摩擦副表面的摩擦系數，結合 石墨烯的二維片層結構和g_C3N4量子點超強的機械強度，其抗極壓性