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【接枝改性】多層石墨烯增強(qiáng)TiO2復(fù)合納米冷凍機(jī)油添加劑的制備及摩擦學(xué)性能研究
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今天分享一篇等離子球磨技術(shù)接枝改性和包覆的文獻(xiàn)，需要英文原文的發(fā)送《231120》，并留下郵箱地址，我看到后會(huì)將英文原文發(fā)送至您的郵箱 一段話了解全文 石墨烯和銳鈦礦型TiO2獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)使其適合作為發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的添加劑。本研究描述了利用介質(zhì)阻擋放電等離子體輔助球磨合成多層石墨烯增強(qiáng)TiO2復(fù)合納米冷凍機(jī)油添加劑(MGTC)。等離子球磨處理后，膨脹石墨被成功分離成多層石墨烯納米片，球形TiO2被成功鍵合到多層石墨烯的納米片上。1.0wt%的復(fù)合油具有良好的減摩抗磨性能。其膜厚為27.5nm，比基礎(chǔ)油厚167%。由于其優(yōu)異的分散穩(wěn)定性，MGTC納米復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，這歸因于碳保護(hù)膜的形成、二氧化鈦沉積膜、轉(zhuǎn)移膜以及摩擦副表面納米球效應(yīng)的發(fā)生。 材料制備 圖1 MGTC復(fù)合粉體的制備示意圖 采用等離子體輔助高能球磨設(shè)備，以油酸為濕磨介質(zhì)和改性劑，將1g膨脹石墨/4gTiO2和500mL油酸溶液超聲混合均勻后置于罐中進(jìn)行等離子體輔助高能球磨，球磨時(shí)間為10h。程序主要參數(shù)如下：放電電壓為22kV，球磨機(jī)振動(dòng)頻率為16Hz，振幅為10mm，球磨罐為0.1MPa大氣環(huán)境。以石油醚為萃取劑處理制備好的粉體，反復(fù)離心直至萃取后上層石油醚溶液顏色清澈透明。沉淀物在干燥箱中90℃干燥半小時(shí)，制成粉末產(chǎn)品。 數(shù)據(jù)分析 圖2 (a)TiO2的SEM圖像 (b)膨脹石墨的SEM圖像 (c)MGTC的SEM圖像 (d)MGTC的TEM圖像 DBDP過(guò)程引入了熱爆炸和脈沖電子轟擊效應(yīng)，導(dǎo)致剝離石墨所需時(shí)間迅速減少。高電子密度和高能量可以在一些聚合物中產(chǎn)生斷鍵，在另一些聚合物中產(chǎn)生聚合，這有利于MGTC納米復(fù)合粉末的形成。二氧化鈦(TiO2)粉末平均粒徑為1μm，膨脹石墨呈蠕蟲狀，片層之間有許多褶皺和空隙，有利于石墨剝離和TiO2納米顆粒的附著。等離子體輔助球磨10h后，TiO2附著在石墨烯上，形成了良好的三維復(fù)合形貌。TiO2的一次粒徑從1μm左右減小到150nm左右，減小的效果非常明顯。在球磨過(guò)程中，新鮮剝離的石墨烯不穩(wěn)定，傾向于粘附在還原后的納米TiO2顆粒上并在其上滾動(dòng)。納米TiO2材料呈現(xiàn)規(guī)則的球形，表面包覆了多層石墨烯。這些圖像直接反映了MGTC復(fù)合材料的微觀形貌。 圖3 (a)紅外譜圖 (b)X射線衍射(XRD)圖譜 (c)MGTC、TiO2和膨脹石墨的拉曼光譜 在MGTC納米復(fù)合材料的FT-IR光譜中，在2924.31cm-1(-CH2)，2853.92 cm-1(-CH3)，1711.24 cm-1 (-CH-CH-)處觀察到了幾個(gè)新的吸收峰。這些峰的存在表明納米TiO2在石墨烯上發(fā)生了重組，而油酸對(duì)其進(jìn)行了原位修飾。XRD譜圖中MGTC的特征峰隨時(shí)間變短，表明石墨烯的層數(shù)和晶粒尺寸在一定程度上減小。TiO2被接枝到石墨烯上，衍射峰(002)由25.37°移動(dòng)到25.22°。當(dāng)TiO2基體接枝到石墨烯上時(shí)，晶面間距增大。圖4c展示了膨脹石墨、TiO2和MGTC納米復(fù)合材料的拉曼光譜。經(jīng)計(jì)算，MGTC的ID/IG比值為1.64，而原始膨脹石墨的ID/IG值僅為0.15，說(shuō)明等離子體輔助球磨過(guò)程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了二氧化鈦的插層。同時(shí)，高能球磨過(guò)程中的機(jī)械剝離作用將膨脹石墨的結(jié)構(gòu)快速剝離成多層石墨烯。這些結(jié)果證明了多層石墨烯增強(qiáng)TiO2納米復(fù)合粉體的存在。 圖4 對(duì)剛制備和儲(chǔ)存15天后的不同分散體的照片 將0.1、0.5、1.0和1.5wt%的MGTC納米顆粒超聲分散在500N的基礎(chǔ)油中，直至檢測(cè)不到殘余固體。儲(chǔ)存15天后，分散的MGTC粉末在不同濃度的基礎(chǔ)油中仍能均勻分散。結(jié)果表明，MGTC納米粒子在基礎(chǔ)油中具有良好的分散穩(wěn)定性。 圖5 (a)摩擦系數(shù) (b)基礎(chǔ)油和復(fù)合油潤(rùn)滑下磨斑的平均摩擦系數(shù)(AFC)和磨斑直徑(WSD) 與基礎(chǔ)油相比，MGTC納米潤(rùn)滑油添加劑顯著降低了復(fù)合潤(rùn)滑油的摩擦系數(shù)。與基礎(chǔ)油相比，當(dāng)基礎(chǔ)油中添加1.0wt%的MGTC時(shí)，平均摩擦系數(shù)降低至0.1011。MGTC復(fù)合納米潤(rùn)滑油添加劑由于其協(xié)同摩擦系數(shù)的作用，通過(guò)減少摩擦界面的直接接觸以及石墨烯和二氧化鈦的潤(rùn)滑作用，降低了磨損區(qū)域的摩擦系數(shù)。加入添加劑后，摩擦系數(shù)略有下降，但添加1.5wt%的添加劑后，摩擦系數(shù)反而略有上升。其主要原因是添加過(guò)量的納米TiO2時(shí)，在表面引入了更多的磨粒。添加劑的加入顯著提高了復(fù)合油的抗磨減摩性能，加入添加劑后磨斑直徑顯著減小。主要是因?yàn)樘砑觿⿲?duì)鋼球提供了均勻的保護(hù)層。通過(guò)在氣缸套和活塞環(huán)中添加納米級(jí)潤(rùn)滑油添加劑，形成均勻連續(xù)的潤(rùn)滑油膜，降低船舶柴油機(jī)表面可能發(fā)生的接觸摩擦。研究表明，MGTC納米冷凍機(jī)油添加劑能夠顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失。 圖6 每個(gè)油樣的最大非夾緊載荷 未添加產(chǎn)物的基礎(chǔ)油的PB值為475N，添加1.0wt%的添加劑后，PB值開始增大，達(dá)到653N，比基礎(chǔ)油的PB值提高了37.5 %。通過(guò)添加納米潤(rùn)滑油添加劑來(lái)提高復(fù)合油的承載能力已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。要做到這一點(diǎn)，添加劑必須形成邊界潤(rùn)滑層，將摩擦表面分開，以降低鋼球表面之間的摩擦力。 圖7 采用四球法對(duì)不同添加量的復(fù)合油樣進(jìn)行摩擦試驗(yàn)后鋼球表面的顯微圖像：(a)基礎(chǔ)油；(b)0.1wt%；(c)0.5wt%；(d)1.0wt%；和(e)1.5wt% 基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)，摩擦試驗(yàn)過(guò)程中光斑的最大直徑為414μm。結(jié)果表明，納米顆粒添加劑的加入導(dǎo)致了光斑直徑和光斑表面粗糙度的顯著減小。添加納米顆粒后，1.0wt%復(fù)合油產(chǎn)生的斑點(diǎn)直徑最小。與基礎(chǔ)油相比，復(fù)合油導(dǎo)致了39.37%的降低。這是因?yàn)樘砑拥募{米顆�？梢詫�(duì)摩擦副進(jìn)行包覆，起到微軸承的作用，將摩擦副基體材料的接觸滑動(dòng)摩擦重定向?yàn)闈L動(dòng)滑動(dòng)混合摩擦，從而降低摩擦磨損。但在含量很高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磨斑直徑的增大。 圖8 不同復(fù)合油的動(dòng)力黏度和中心油膜厚度 在基礎(chǔ)油中添加MGTC納米粉體可以顯著提高潤(rùn)滑油膜的厚度和動(dòng)力粘度。當(dāng)達(dá)到添加劑的最佳用量時(shí)，中心油膜厚度趨于穩(wěn)定。在潤(rùn)滑過(guò)程中，微凸體的潤(rùn)滑膜變薄，容易發(fā)生破裂。此時(shí)，摩擦系數(shù)最高，摩擦損失最大。在基礎(chǔ)油中添加MGTC納米粉體，可以顯著提高基礎(chǔ)油的動(dòng)力粘度，同時(shí)油膜厚度也有很大的改善。此外，柴油機(jī)的上止點(diǎn)和邊界潤(rùn)滑狀態(tài)得到顯著改善，磨損功耗降低，延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。 圖9 (a)摩擦系數(shù)；(b)基礎(chǔ)油和0.1、0.5、1.0和1.5wt%復(fù)合油潤(rùn)滑下活塞環(huán)和缸套的平均摩擦系數(shù)(AFC)和磨損體積 添加1.0wt%MGTC潤(rùn)滑添加劑的未使用缸套油的摩擦曲線顯示在曲線底部，低于新鮮缸套油的摩擦曲線，表明MGTC潤(rùn)滑添加劑的加入可以顯著提高船用級(jí)缸套油的潤(rùn)滑性能�？傮w而言，MGTC復(fù)合潤(rùn)滑添加劑改善了船用缸套油的潤(rùn)滑能力，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨性能，能夠顯著提高缸套活塞環(huán)的摩擦學(xué)性能。 圖10 軋制表面的光學(xué)顯微照片(a)；SEM(b,c)；以及含1.0wt%復(fù)合油摩擦試驗(yàn)后鋼球斑點(diǎn)的能量色散譜(EDS)圖像(d) 顯微鏡測(cè)得的磨斑直徑為251μm，是所有試驗(yàn)中最小的。這歸因于納米TiO2和多層石墨烯的片層結(jié)構(gòu)。隨著摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于石墨烯片層之間的結(jié)合力較弱，片層石墨烯結(jié)構(gòu)發(fā)生滑移。附著在摩擦副上的石墨烯片層可以保護(hù)接觸面免受磨損。納米TiO2顆粒在發(fā)揮微軸承作用的同時(shí)，會(huì)沉積在摩擦副表面，起到修復(fù)磨損表面的作用。在摩擦測(cè)試后，復(fù)合粉末似乎剝落成核-殼結(jié)構(gòu)，這證實(shí)了MGCT潤(rùn)滑油添加劑在潤(rùn)滑過(guò)程中的滾動(dòng)滑動(dòng)磨損減少機(jī)制。當(dāng)MGTC添加量為1.0wt%時(shí)，基礎(chǔ)油的動(dòng)力黏度增加到1.38×10-2Pas。由于動(dòng)態(tài)黏度的增加，更多的MGTC納米添加劑在摩擦副表面發(fā)生了絮狀沉積，這也增加了復(fù)合油的油膜厚度。在沉積層形成過(guò)程中，石墨烯發(fā)生摩擦表面剝離，防止了磨粒磨損。盡管如此，摩擦副之間納米顆粒和磨粒的結(jié)合并沒有阻止納米顆粒像微軸承一樣發(fā)揮作用，有效地減少了摩擦磨損。鋼球的EDS可以看出Ti、C、O等元素存在于摩擦副表面，這表明MGTC粉末在摩擦副表面形成了沉積膜，避免了直接的副接觸。 圖11 在添加1.0wt%復(fù)合油的摩擦試驗(yàn)后，(a)表面的XPS能譜，(b)C1s，(c)Fe2p，(d)O1s，(e)Ti2p和(f)鋼球斑點(diǎn)的拉曼圖像 MGTC添加劑吸附在金屬表面，在摩擦界面上形成了有效的吸附潤(rùn)滑膜。由于二氧化鈦的存在，復(fù)合粉體表現(xiàn)出更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。石墨烯在摩擦測(cè)試過(guò)程中表現(xiàn)出更少的結(jié)構(gòu)缺陷。 結(jié)合上述摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)和對(duì)摩擦斑微觀形貌的分析，可能是顆粒狀納米TiO2顆粒進(jìn)入摩擦副后，部分起到了微軸承的作用。在此之后，材料通過(guò)摩擦副的轉(zhuǎn)動(dòng)排出，并不參與與摩擦副表面材料的化學(xué)反應(yīng)。另一部分被壓縮的微納米顆�？赡軙�(huì)將工件表面的凹坑和破損部分甩出，相當(dāng)于降低了實(shí)際接觸面積和接觸位置的表面粗糙度，有效地起到了修復(fù)作用。此外，二氧化鈦的強(qiáng)氧化性可能有助于鋼球摩擦表面的氧化，形成一層化學(xué)氧化物，從而更有效地降低摩擦磨損。由于片層石墨烯的界面粘附性較差，在摩擦副轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，而一些極薄的石墨烯片層石墨烯可以附著在摩擦副的基體材料上，起到修復(fù)磨損表面的作用。 結(jié)論 介質(zhì)阻擋放電等離子體輔助球磨10h后，TiO2的一次顆粒尺寸從約1μm減小到約150nm，減小效果非常明顯。由于大量新鮮的表面積和晶體缺陷，改性劑與納米TiO2粉體表面結(jié)合較好。為了增加MGTC在基礎(chǔ)油中的分散穩(wěn)定性，在MGTC表面接枝了CH2-和CH3-親油基團(tuán)。 當(dāng)MGTC添加量為1.0wt%時(shí)，基礎(chǔ)油的動(dòng)力黏度從1.25×10-2增加到1.38×10-2Pas。MGTC粉體表面修飾的長(zhǎng)碳鏈提高了復(fù)合油樣的動(dòng)力粘度，增加了摩擦副表面油膜的厚度。當(dāng)油中添加劑的添加量為1.0wt%時(shí)，與基礎(chǔ)油相比，平均摩擦體系降低了18.34%。與基礎(chǔ)油相比，磨球上的磨斑直徑減小了39.37%。添加1.0wt%MGTC的復(fù)合油的極壓抗磨性能也顯著提高，其PB值達(dá)到653N，比基礎(chǔ)油提高了37.5%。 多層石墨烯片層結(jié)構(gòu)中的滑移和納米TiO2在石墨烯片層間的滑動(dòng)剪切作用，使得MGTC多層石墨烯添加劑在摩擦副表面由于摩擦誘導(dǎo)而快速?gòu)?fù)合，形成了TiO2+石墨烯+多層石墨烯包覆磨料的第三體結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是將摩擦副間的滑動(dòng)摩擦磨損過(guò)程轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，以達(dá)到最佳的摩擦學(xué)效果。同時(shí)，附著在摩擦副表面的MGTC在高溫高壓的復(fù)雜環(huán)境下與摩擦副的基體材料和氧氣發(fā)生反應(yīng)，在摩擦副表面生成新的物質(zhì)對(duì)磨損表面進(jìn)行修復(fù)。 |
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