一种石墨烯‑类水滑石复合物及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯‑类水滑石复合物及其制备方法与应用。该石墨烯‑类水滑石复合物，是有机改性类水滑石与石墨烯的复合物。首次制备了有机改性类水滑石‑石墨烯复合材料，将其用作柴油机油添加剂，使柴油机油的摩擦性能大大提高，并且，进一步的提高了其稳定性。另外，本发明专利技术的有机改性类水滑石‑石墨烯复合材料的制备方法中，首次采用一步水热法制备有机改性类水滑石，方法简单实用，制备的材料质量好，产率高。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯-类水滑石复合物及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种石墨烯-类水滑石复合物及其制备方法与应用，特别涉及一种石墨烯-类水滑石复合物及其制备方法与其在作为柴油机油添加剂中的应用。
技术介绍
众所周知，工程机械是高能耗、排放差、污染重的典型机械，例如，在相同工况和工作时间内，一台20t挖掘机的废气排放量近似于30辆小型汽车的废气的排放量。工程机械在运行过程中因摩擦磨损所消耗的能量占机械总能量的20％-25％，其中缸套和活塞环之间的摩擦损失占总摩擦损失的45-55％，气阀机构消耗占7-15％，连杆轴承消耗占20-30％。边界和混合润滑在相互运动机件中的比例越来越大，因此减摩剂在提高燃料经济性、设备稳定性、机件寿命方面的作用愈加明显。工程机械用主要润滑剂包括内燃机油、润滑脂、齿轮油、液压油等，其中以内燃机用柴油机油用量最大。柴油机油在高压缩比下工作，极易氧化变质失效，由此引发的柴油机故障占发动机故障的50-80％。金属磨屑对机油氧化具有催化作用，其中以铜的影响最大。同时机油氧化变质产生的有机酸，将对机件产生腐蚀，以铅青铜材质的腐蚀最为严重。机油氧化受工作的温度的影响较大，温度上升变质加快，工作温度每上升10℃，机油氧化速度加快1倍。因此机油添加剂对润滑油减摩、抗磨、工作温度、防腐性能的提升效果是决定机油使用效能的关键。目前机油添加剂开发多倾向油溶性有机材料，该类材料随润滑时间延长不断消耗，不能够为摩擦表面提供修复和物理防护作用。加之柴油发动机材料以含铜金属为主，腐蚀防护是润滑过程的关键，因此开发兼具减摩抗磨、防腐和磨损表面修复性能的润滑油添加剂是提高其能效和寿命的关键。石墨烯是单层碳原子以sp2杂化形成的二维纳米材料，作为强度材料，石墨烯的韧性极好，弹性模量为1.0TPa；其微观强度可达130GPa，是传统钢材的100多倍。10层以内的石墨烯微片，由于其层间弱的范德华力，在摩擦剪切作用下片层之间易滑移，具有低的摩擦系数，可作为优良的减摩、抗磨材料，其性能优于传统的石墨、二硫化钼和硼酸等层状固体润滑材料。专利201210303393.4中公开了一种石墨烯/MoS2纳米自润滑复合材料及其制备方法，专利201510155973.7中公开了一种石墨烯-类富勒烯二硫化钼复合润滑油添加剂及其制备方法，但传统层状硫化钼作为润滑油添加剂易对发动机金属表面产生腐蚀，且随着排放法规的严格，无硫、磷机油的开发更为重要。关于将石墨烯与类水滑石复合作为柴油机油添加剂的研究，目前未见报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，含石墨烯润滑添加剂的制备多以石墨烯粉体为原料，由于10层以内石墨烯片层厚度小于5nm，因此颗粒的团聚是限制其性能发挥的重要因素，添加剂中石墨烯颗粒的分散稳定性将决定其摩擦学性能。对石墨烯颗粒进行表面有机改性是提高其在有机润滑介质中稳定性的常规途径，但由于石墨烯表面几乎无可进行化学反应的官能团，表面共价键功能化条件苛刻，不易进行温和的有机共价键改性；以非共价键改性形成的表面改性剂分子易在摩擦作用过程中分解消耗。为解决该技术问题，本专利技术的目的是提供一种石墨烯-类水滑石复合物及其制备方法。经研究，类水滑石是一种层状双金属或多金属氢氧化物，易实现表面有机改性和层间有机柱撑改性，且颗粒粒径可控。专利技术人研究表明，类水滑石层间弱的范德华力，使其可作为减摩抗磨添加材料，具有优异的减摩抗磨性能，是一种新型的润滑介质添加材料，其可对磨损凹坑进行填充，同时在摩擦热作用下可在摩擦副表面形成陶瓷保护层，是一种原位修复性摩擦改进剂。基于上述专利技术目的，本专利技术的石墨烯-类水滑石复合物，是有机改性类水滑石与石墨烯或者改性石墨烯的复合物。其中，优选的，所述有机改性类水滑石的片径大小是纳米级粉体，石墨烯的片径大小是微米级粉体。研究表明，纳米颗粒与微米颗粒复配的固体添加剂摩擦性能优于该粒级颗粒单独使用，因此该复合级配颗粒具有更优异的减摩抗磨性能，同时将协同发挥其表面原位自修复功效。将片径为纳米级有机改性类水滑石与片径为微米级石墨烯复合，类水滑石纳米颗粒在石墨烯片层表面的吸附，将形成物理阻隔，防止石墨烯片层的堆叠团聚，同时类水滑石所带有机长链分子将可使复合颗粒在机油中稳定分散。所用类水滑石为白色粉体，可降低黑色石墨烯粉体对机油色度的影响。在本专利技术的一个实施方式中，所述有机改性类水滑石的改性剂为硬脂酸盐、十二烷基硫酸盐或月桂酸盐；改性产物为硬脂酸改性类水滑石、十二烷基硫酸改性类水滑石或月桂酸改性类水滑石。在本专利技术的一个技术方案中，所述有机改性类水滑石与石墨烯的质量比为0.2-1，优选1:3。所述改性石墨烯可以为氧化石墨烯。在本专利技术的另一个技术方案中，所述类水滑石为镁铝类水滑石、二元的钴铝类水滑石、锌铝类水滑石，或三元的锌镁铝类水滑石、铜镁铝类水滑石、镁铝镧类水滑石。在本专利技术的一个优选的技术方案中，所述类水滑石优选为钴铝类水滑石或镁铝类水滑石，其中，镁铝类水滑石中，镁铝金属离子的摩尔比为2-4，优选为2:1；钴铝类水滑石中，钴铝金属离子的摩尔比为2-4，优选为3:1。上述石墨烯-类水滑石复合物在作为柴油机油添加剂、汽油机油添加剂或润滑脂添加剂中的应用也属于本专利技术的保护范围。本专利技术的另一个目的是提供一种改性柴油机油，其中，该柴油机油中添加了所述的石墨烯-类水滑石复合物作为添加剂。其中，柴油机油为商用机油，如5w-40通用机油，石墨烯-类水滑石复合物的添加质量百分含量为0.1-0.5％；添加方法为：添加0.1-0.5wt％的石墨烯-类水滑石复合物于商用机油(如5w-40通用机油)中，3000-6000rpm乳化分散0.5-1h，得到含石墨烯-类水滑石复合物添加剂的机油。本专利技术还提供一种石墨烯-类水滑石复合物的制备方法，包括如下步骤：1)制备有机改性类水滑石；2)层板柱撑石墨制备：采用电化学电解剥离的方法制备柱撑石墨；3)石墨烯-类水滑石复合物制备：将步骤1和步骤2所得的产物按石墨烯与类水滑石质量比为0.2-1加入异丙醇与水的混合溶液中，其中异丙醇和水的体积比0.2-0.5，将混合体系在5-15℃循环水域控温剥离；在获得的浆液中加入浆液体积2-5倍的丙酮，震荡5-20分钟，固颗粒将分为沉淀层和上浮层，取上浮层固体，加入乙醇与蒸馏水混合液，乙醇和蒸馏水的体积比为0.2-1，超声10-30分钟，冷冻干燥得到石墨烯-类水滑石复合物。步骤1)中，所述有机改性类水滑石的制备方法为：称量所需量的铝源粉体、以及改性剂粉体置于聚四氟乙烯内衬的反应釜中，混合均匀；将镁源和/或锌源和/或钴源或铜源和/或镧源溶液加入反应釜中，搅拌均匀；加入沉淀剂溶液，搅拌1-3分钟；将反应釜密封，置于90-150℃加热箱中，反应8-20h，自然冷却至室温；反应液抽滤，洗涤至pH小于8得到有机改性类水滑石；所述改性剂为硬脂酸钠、十二烷基硫酸钠或月桂酸钠；所述镁源为六水合硝酸镁，铝源为氢氧化铝，锌源为六水合硝酸锌，钴源为六水合硝酸钴；氢氧化钠溶液作沉淀剂；优选的，步骤1)中，称量所需量的铝源粉体以及改性剂粉体置于聚四氟乙烯内衬的反应釜中，混合均匀，0.3mol/L的氢氧化钠溶液作沉淀剂，改性剂为硬脂酸钠；保持反应液中金属盐浓度为0.3mol/L,镁铝金属离子的摩尔比为2：1，改性剂用量与本文档来自技高网...

【技术保护点】
石墨烯‑类水滑石复合物，其特征在于：是有机改性类水滑石与石墨烯或改性石墨烯的复合物。

【技术特征摘要】
1.石墨烯-类水滑石复合物，其特征在于：是有机改性类水滑石与石墨烯或改性石墨烯的复合物。2.根据权利要求1所述的石墨烯-类水滑石复合物，其特征在于：所述有机改性类水滑石的片径大小为纳米级，石墨烯或改性石墨烯的片径大小为微米级。3.根据权利要求1所述的石墨烯-类水滑石复合物，其特征在于：所述有机改性类水滑石的改性剂为硬脂酸盐、十二烷基硫酸盐或月桂酸盐。4.根据权利要求1所述的石墨烯-类水滑石复合物，其特征在于：所述有机改性类水滑石与石墨烯或改性石墨烯的质量比为0.2-1；所述改性石墨烯为氧化石墨烯。5.根据权利要求1所述的石墨烯-类水滑石复合物，其特征在于：所述类水滑石为镁铝类水滑石、二元的钴铝类水滑石、锌铝类水滑石，三元的锌镁铝类水滑石、铜镁铝类水滑石或镁铝镧类水滑石。6.根据权利要求1所述的石墨烯-类水滑石复合物，其特征在于：所述类水滑石为镁铝类水滑石，其中，镁铝金属离子的摩尔比为2-4，优选为2；和/或，所述类水滑石优选为钴铝类水滑石，其中，钴铝金属离子的摩尔比为2-4，优选为3:1。7.权利要求1-6中任意一项所述的石墨烯-类水滑石复合物作为柴油机油添加剂、汽油机油添加剂或润滑脂添加剂的应用。8.一种改性柴油机油，其特征在于，柴油机油中添加了权利要求1-6中任意一项所述的石墨烯-类水滑石复合物获得的含石墨烯-类水滑石复合物添加剂的机油。9.石墨烯-类水滑石复合物的制备方法，包括如下步骤：1)制备有机改性类水滑石；2)层板柱撑石墨制备：采用电化学电解剥离的方法制备柱撑石墨；3)石墨烯-类水滑石复合物制备：将步骤1和步骤2所得的产物按类水滑石与石墨烯质量比为0.2-1加入异丙醇与水的混合溶液中，其中异丙醇和水的体积比0.2-0.5，将混合体系在5-15℃循环水域控温剥离；在获得的浆液中加入浆液体积2-5倍的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵栋，宋彦楠，
申请(专利权)人：北京奈驰科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11