本發(fā)明屬于摩擦材料技術領域，具體涉及一種部分開帶碳納米管的應用。

背景技術：

自上世紀以來，化工、運輸、交通、機械等領域日益迅猛發(fā)展，這些工業(yè)領域是社會發(fā)展的重要一環(huán)。然而，現(xiàn)代工業(yè)活動大量消耗不可再生能源。因此高效的利用能源尤其是不可再生能源成為人們關注的焦點。在大量的工業(yè)活動中因摩擦和磨損而消耗的能源占很大的比例，因此，如何能夠有效減少摩擦磨損成為嚴峻的問題。潤滑油和潤滑脂是目前較為廣泛使用的減少摩擦的有效手段。然而潤滑油和潤滑脂多采用石油產(chǎn)品作為主要材料，會加速不可再生能源的消耗以及使用后油品易對環(huán)境產(chǎn)生污染等問題。水基潤滑劑則能夠解決潤滑油消耗不可再生能源和環(huán)境污染的問題。同時水基潤滑劑具有冷卻性好、環(huán)境友好、節(jié)約石油資源、可在高速加工環(huán)境下使用等優(yōu)點。

碳納米材料具有優(yōu)異的摩擦性能，因此碳納米材料作為潤滑劑添加劑有望得到推廣應用。如石墨烯作為潤滑劑添加劑有較好的減磨效果及應用價值。石墨烯的減摩原理主要在于石墨烯一般是層數(shù)較少的層狀結(jié)構。這種層狀結(jié)構的層與層之間較易產(chǎn)生滑移，從而減小摩擦。碳納米管也是具有良好潤滑劑添加劑應用前景的碳納米材料之一。碳納米管能夠較好的填補金屬摩擦時表面產(chǎn)生的微小凹槽，使表面更平整光滑，同時由于碳納米管的管狀結(jié)構可以起到微軸承的作用，將滑動摩擦轉(zhuǎn)化為滾動摩擦，從而減小摩擦。然而石墨烯層間的π-π相互作用和范德華力使片層易發(fā)生堆疊團聚，碳納米管較大的長徑比也使其易產(chǎn)生纏結(jié)團聚現(xiàn)象，這些缺陷阻礙了石墨烯和碳納米管在減磨領域的進一步發(fā)展。部分開帶碳納米管是多壁碳納米管外層的壁被縱向剪開成氧化石墨烯納米帶，而內(nèi)層的碳納米管還保持完好的形態(tài)，同時具有碳納米管和石墨烯的結(jié)構特點。外層的氧化石墨烯納米帶可以阻礙內(nèi)側(cè)碳納米管的纏結(jié)，內(nèi)側(cè)的碳納米管也阻礙外側(cè)氧化石墨烯納米帶的堆疊，從而達到減少團聚的效果。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對石墨烯和碳納米管的團聚嚴重問題，提出一種部分開帶碳納米管的應用。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案如下：

一種部分開帶碳納米管的應用，所述的部分開帶碳納米管作為水基潤滑劑的添加劑。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術的有益效果是：

（1）本發(fā)明部分開帶碳納米管水基潤滑劑的制備方法非常簡單，可于實驗室制備，也可于工業(yè)生產(chǎn)，從而實現(xiàn)產(chǎn)量化生產(chǎn)。

（2）本發(fā)明制備的部分開帶碳納米管水基潤滑劑具有優(yōu)異的分散穩(wěn)定性；部分開帶碳納米管外層的壁被縱向剪開成氧化石墨烯納米帶，而內(nèi)層的碳納米管還保持完好，同時具有碳納米管和氧化石墨烯納米帶的結(jié)構特點；外層的氧化石墨烯納米帶可以阻礙內(nèi)側(cè)碳納米管的纏結(jié)，內(nèi)側(cè)的碳納米管也可以阻礙外側(cè)納米帶的堆疊，從而達到減少團聚的效果。

（3）本發(fā)明制備的部分開帶碳納米管水基潤滑劑與碳納米管水基潤滑劑和氧化石墨烯納米帶水基潤滑劑相比，具有更好的減摩性能，摩擦系數(shù)可減少30%以上；部分開帶碳納米管具有的納米級尺寸使其容易進入摩擦副間并吸附，沉積于摩擦表面形成保護膜,進而避免摩擦表面的直接接觸；同時填補摩擦表面的小凹槽使表面更光滑；部分開帶碳納米管外層的氧化石墨烯納米帶以層間滑移的方式減小摩擦，內(nèi)層的碳納米管以微軸承的方式化滑動摩擦為滾動摩擦，減小摩擦。同時由于外層的氧化石墨烯納米帶可以阻礙內(nèi)側(cè)碳納米管的纏結(jié)，內(nèi)側(cè)的碳納米管也阻礙外側(cè)氧化石墨烯納米帶的堆疊，減少團聚也使得部分開帶碳納米管水基潤滑劑具有更好的減摩效果。

（4）本發(fā)明制備的部分開帶碳納米管水基潤滑劑中碳納米材料的含量很少，因此在有效減摩的同時也具有水基潤滑劑的優(yōu)點，如冷卻性好，可在高速作業(yè)時使用，環(huán)境友好等。

附圖說明

圖1為部分開帶碳納米管結(jié)構圖；

圖2為部分開帶碳納米管透射電鏡圖；

圖3為部分開帶碳納米管局部放大透射電鏡圖；

圖4為部分開帶碳納米管的紅外圖譜；

圖5為部分開帶碳納米管的x射線衍射圖譜；

圖6為部分開帶碳納米管的激光拉曼圖譜；

圖7為不同濃度下部分開帶碳納米管水基潤滑劑對比純水摩擦力隨時間變化測試圖；

圖8為不同濃度下部分開帶碳納米管水基潤滑劑平均摩擦力隨濃度變化測試圖；

圖9為0.5%部分開帶碳納米管水基潤滑劑磨斑照片；

圖10為純水磨斑照片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。

具體實施方式一：本實施方式記載的是一種部分開帶碳納米管的應用，所述的部分開帶碳納米管作為水基潤滑劑的添加劑。

具體實施方式二：一種具體實施方式一所述的部分開帶碳納米管的應用，所述部分開帶碳納米管作為水基潤滑劑的制備步驟如下：

步驟一：氧化切割部分開帶碳納米管

（1）將1g碳納米管加入到裝有60ml98wt%的濃硫酸燒杯中，持續(xù)攪拌1h；

（2）將12g高錳酸鉀粉末分3-5次緩慢地加入到步驟一（1）中得到的碳納米管濃硫酸混合液中，邊加入高錳酸鉀粉末邊持續(xù)攪拌，攪拌時間1h，得到混合液；

（3）將步驟一（2）得到的混合液加熱，維持溫度為40-80℃，維持時間為0.5-3h；

（4）向步驟一（3）加熱后的混合液中加入含有1000ml去離子水和12ml30wt%的過氧化氫溶液的冰塊；

（5）將步驟一（4）得到的混合液進行抽濾、洗滌處理，反復3-8次，直到混合液呈中性，抽濾得到固體；

（6）將所述固體在75℃下真空干燥36h，得到部分開帶碳納米管；

步驟二：通過所述部分開帶碳納米管制備水基潤滑劑

（1）取0.0001~1g部分開帶碳納米管加入到10ml去離子水中，配制濃度為0.001-10w%的部分開帶碳納米管分散液，攪拌0.1-2h；

（2）將上述部分開帶碳納米管分散液超聲處理30-120min，得到部分開帶碳納米管水基潤滑劑。

具體實施方式三：具體實施方式二所述的部分開帶碳納米管的應用，步驟一（3）中，所述維持溫度為60℃。

具體實施方式四：具體實施方式二所述的部分開帶碳納米管的應用，步驟一（3）中，所述維持時間為2h。

具體實施方式五：具體實施方式二所述的部分開帶碳納米管的應用，步驟一（1）中，所述碳納米管為多壁碳納米管。

具體實施方式六：具體實施方式二所述的部分開帶碳納米管的應用，步驟二（1）中，所述部分開帶碳納米管分散液的配制濃度為5wt%。

具體實施方式七：具體實施方式二所述的部分開帶碳納米管的應用，步驟二（2）中，所述超聲處理的強度為100-200w，頻率為10-30khz，電壓為100-220v。

具體實施方式八：具體實施方式二所述的部分開帶碳納米管的應用，步驟二（2）中，所述超聲處理時間為60min。

實施例1：

一種部分開帶碳納米管的應用，所述部分開帶碳納米管作為水基潤滑劑的制備步驟如下：

步驟一：氧化切割部分開帶碳納米管

（1）將1g多壁碳納米管加入到裝有60ml濃硫酸的燒杯中，以30000rpm的轉(zhuǎn)速持續(xù)攪拌1h；

（2）將12g高錳酸鉀粉末分3-5次緩慢地加入到碳納米管硫酸混合液中，以30000rpm的轉(zhuǎn)速持續(xù)攪拌1h；

（3）對上述混合液移至水浴鍋中保持溫度在50℃，保持0.5h；

（4）向上述液體中加入含有1000ml去離子水和12ml30％過氧化氫溶液的冰塊；

（5）將上述溶液進行抽濾、洗滌處理，反復5次，直到溶液呈中性；抽濾得到固體；

（6）將固體在75℃下真空干燥36h，得到部分開帶碳納米管；

步驟二：通過所述部分開帶碳納米管制備水基潤滑劑

（1）取0.01g部分開帶碳納米管加入到10ml去離子水中，攪拌2h；

（2）將上述液體超聲處理30min，得到部分開帶碳納米管水基潤滑劑。

實施例2：

本實施例與實施例1不同的是：

步驟一中（3）為對上述混合液移至水浴鍋中保持溫度在60℃，保持1h；

步驟二中（1）為取0.05g部分開帶碳納米管加入到10ml去離子水中，攪拌2h。

實施例3：

本實施例與實施例1不同的是：

步驟一中（3）對上述混合液移至水浴鍋中保持溫度在60℃，保持1.5h；

步驟二中（1）取0.1g部分開帶碳納米管加入到10ml去離子水中，攪拌2h。

性能測試：測試采用cetr-umt-2微摩擦試驗機，摩擦球選取直徑為1.58mm的gcr15不銹鋼球，基底為不銹鋼板，轉(zhuǎn)速120rmp，載荷5n，測試時間10min；將一滴制備好的部分開帶碳納米管水基潤滑劑滴在不銹鋼板上進行測試，所得磨斑由光學顯微鏡觀察。

圖1是部分開帶程度碳納米管的結(jié)構模型圖，通過氧化反應將多壁碳納米管外層管壁沿縱向剪開，控制反應程度，使得內(nèi)層碳納米管結(jié)構保持完好，使外層管壁被剪開成氧化石墨烯納米帶而內(nèi)層碳納米管完好的結(jié)構。

圖2和圖3部分開帶碳納米管透射電鏡照片、部分開帶碳納米管局部高倍率透射電鏡照片，通過控制反應時間來控制開帶程度，控制反應程度使碳納米管被部分剪開，在圖2中可以觀察到碳納米管邊緣模糊但同時還能看見管腔的結(jié)構，是介于碳納米管和氧化石墨烯納米帶之間的結(jié)構，通過圖3能更清晰的觀察到部分開帶碳納米管同時具備管腔、管壁和展開的氧化石墨烯納米帶，是外層碳納米管被剪開而內(nèi)層碳納米管完好的結(jié)構。

為了證實樣品被氧化，圖4為部分開帶碳納米管紅外光譜圖。隨著氧化的進行，碳納米管上出現(xiàn)缺陷并且有大量含氧官能團被引入。部分開帶碳納米管和氧化石墨烯納米帶具有相似的紅外光譜圖。位于3400cm^-1和1590cm^-1的特征峰是水分子的伸縮和彎曲振動峰，3145cm^-1和1384cm^-1的特征峰是由結(jié)構羥基（-oh）的伸縮和彎曲振動引起的，邊緣的羧基和羰基的伸縮振動特征峰在1714cm^-1處，環(huán)氧基和酚羥基的特征峰出現(xiàn)在1220cm^-1和1033cm^-1處。

圖5為部分開帶碳納米管的x射線衍射圖譜。部分開帶碳納米管在2θ=26.13°處的特征峰很弱并在11.36°處出現(xiàn)特征峰，意味著因氧化引入新官能團使得層間距擴大，含氧官能團的引入導致碳原子層出現(xiàn)褶皺以及水分子的插入使得層間距擴大，增至0.78nm。

圖6為部分開帶碳納米管的拉曼激光光譜。其d帶和g帶位于1359cm^-1和1576cm^-1處。g帶是由c-c的伸縮振動引起的，d帶是由碳原子的sp³雜化引起的。對于碳材料而言d帶與g帶強度比（id/ig）通常用來描述原子的混亂程度。部分開帶碳納米管的id/ig較大，證明部分開帶碳納米管無序程度較大。隨著氧化和剝離，含氧官能團被引入，進而在表面和邊緣產(chǎn)生更多缺陷使得有序度下降。

將部分開帶碳納米管通過超聲分散的方式分散在去離子水中，配制成一系列濃度分散液，去離子水做空白對比樣在摩擦磨損試驗機測試（結(jié)果如圖7）。圖7為不同濃度部分開帶碳納米管與去離子水摩擦力隨時間的變化?？傮w來說，這六個樣品摩擦力的大體趨勢均為下降趨勢，測試剛開始時，液體填充進摩擦表面間的空隙，隨后潤滑劑沉積吸附在摩擦副形成薄而均勻的摩擦層，從而避免摩擦表面的直接接觸，由于摩擦層的存在使得摩擦力減小并趨于穩(wěn)定。從結(jié)果上看添加部分開帶碳納米管的分散液均能有效減少摩擦，尤其是0.5wt%濃度的分散液，有著最好的減摩效果。

圖8為不同濃度部分開帶碳納米管平均摩擦系數(shù)隨濃度的變化。隨著濃度的增加，減摩效果呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，顯示出存在最佳添加量。當添加劑含量較低時，部分開帶碳納米管能夠有效減摩，隨著濃度不斷增加纏結(jié)和團聚效應加劇，使得減摩效果下降。對于部分開帶碳納米管來時，最佳添加量為0.5wt%，對比純水可減摩達66.4%。圖9和圖10為0.5wt%部分開帶碳納米管和去離子水作潤滑劑進行測試的磨斑照片。