石墨烯在润滑油(脂)中的应用

宋应金，刘 蕊，于 宁，宋克涵

(1. 哈尔滨商业大学 石油商品研究所，哈尔滨 150076；2. 哈尔滨学院 化学系，哈尔滨 150076)

石墨烯在润滑油(脂)中的应用

宋应金1，刘 蕊1，于 宁1，宋克涵2

(1. 哈尔滨商业大学 石油商品研究所，哈尔滨 150076；2. 哈尔滨学院 化学系，哈尔滨 150076)

通过对石墨烯在发动机润滑油、液压导轨油以及润滑脂中的应用分析，找出了影响石墨烯应用的影响因素，并找出了可行的解决方法，为石墨烯在润滑油脂中的应用解决的关键的技术“瓶径”.

石墨烯；润滑油(脂)；氧化；防锈

石墨烯作为新兴的材料，在润滑油(脂)中的应用方兴未艾，此前的超细石墨粉(或二硫化目粉、聚四氟乙烯粉等)作为填料常出现在润滑脂中用于改善润滑脂的润滑性能，而石墨烯作为新材料想要在传统的润滑剂的四大功能中所能起到特殊功效的，只能在润滑和防锈两个方面有所突破[1-2].

润滑的目的无非就是控制摩擦减少磨损.减少摩擦功的损失即是节能；使摩擦发生在填料(或称添加剂)层，则能有效减少磨损，防止材料的损失以保证零件的正常工作.而石墨烯能够控制摩擦减少磨损是毋庸置疑的，其关键的问题是：一要解决石墨烯与润滑油(脂)的组成中的基础油、添加剂之间的复合效应的问题；二是要解决润滑油脂在使用过程中是不断氧化衰变的，其产生的过氧化物和氧化缩合物对石墨烯的对抗效应；三是要解决石墨烯经过润滑系统的过滤之后的有效浓度的问题[3-4]；此外最为关键的问题是解决石墨烯在润滑油脂中的均匀分散的问题以及现有分散剂与基础油和添加剂之间的相容性[5].

防锈的目的是隔绝空气和水与金属表面的接触防止介质对金属表面及基体产生腐蚀和锈蚀[6]，保护金属表面及基体材料不损失.而石墨烯的高比表面能使其具有极强的吸附性和附着性，显然是优质的防锈材料之一.

目前的研究者把关注都集中在如何把石墨烯添加并均匀分散到油(脂)中，并对比其添加前后的性能比较，严重忽视了油品在设备使用中的各种影响因素，导致油品的新油评定良好而使用时却感受不到其优越性能.

1 石墨烯的润滑、防锈性能分析

1.1石墨烯在发动机润滑油中的应用

1.1.1 试验材料

CF-4 5W/40柴油发动机润滑油，相关助剂.

1.1.2 试验设备

发动机：B6V150ZAL-1柴油发动机(装甲局提供)，铁谱分析仪，原子发射光谱仪，红外光谱仪.

1.1.3 试验程序

模拟驾驶程序由发动机转速900～2 200 r/min之间；标准地区扭矩294 N·m至1 796 N·m之间；标准地区功率35 ～435 kW之间；各转速时间按每个转速档保持25 min后增至高一档速并循环500 h止；在用润滑油每50 h取样一次进行光谱、铁谱分析.

1.1.4 直读铁谱

见表1.图1.

表1直读铁谱数据

测定项目发动机程序时间/h50100200300400500ABABABABABAB大磨粒读数Dl7.306.908.907.709.309.1011.1011.0012.3012.3112.912.83小磨粒读数Ds0000000.500.470.700.690.800.79总磨损水平Dl+Ds7.306.908.907.709.309.1011.6011.4713.013.0013.7013.62

注：A为空白样品；B为加有石墨烯的样品

图1 直读铁谱数据变化图

1.1.5 发射光谱

见表2.图2、3.

表2原子发射光谱分析结果

元素质量分数/×10-5t/h50100200300400500ABABABABABABFe6.506.447.407.318.908.6011.5011.4912.4012.4013.1013.10Cu0.350.330.370.360.400.370.500.490.550.550.580.58Al0.310.300.320.320.360.340.400.400.420.420.430.43Pb0.430.420.430.420.470.450.500.490.530.530.550.55

图2 Fe光谱元素变化曲线图

图3 Cu、Al、Pb光谱元素变化曲线图

1.1.6 红外光谱分析

红外光谱分析的特征吸收峰如下：

1 590 cm-1为归属为皂化物，初始氧化生成物；

1 720 cm-1为归属为羰基化合物，油泥母体，中间氧化产物；

1 870 cm-1为归属为烟炱特征吸收峰；

我们根据发动机润滑油的氧化衰变规律，确定1 590～1 720确定为抑氧水平，1 870～1 720 cm-1确定为抑碳水平. 见表3.图4、5.

表3红外光谱分析结果

测定项目发动机程序时间/h50100200300400500抑氧水平4.715.076.135.114.223.60抑碳水平8.107.877.9213.9517.4524.33

上述试验结果表明：石墨烯的减磨效果是确定的，在发动机润滑油的新油评定中优势明显，但是，在发动运转使用过程中，发动机润滑油的综合氧化物以及烟炱对其的对抗效应也十分显著，200 h附近的“拐点”是明确的.

图4 抑氧水平图

图5 抑碳水平图

因此，为了保障石墨烯在发动机润滑油中的有效应用，研制一种有效的抑制氧化物对石墨烯的对抗效应的制剂就显得非常重要了.

1.2石墨烯在液压导轨润滑油(HG)中的应用

1.2.1 试验材料

HG-46液压导轨油，相关助剂.

1.2.2 试验设备

BRIO MILLER8数控机床(沈阳机床集团)，原子发射光谱仪，红外光谱仪，铁谱分析仪，四球式摩擦磨损试验机.

1.2.3 试验方法

对比试验，HG-46液压导轨油一组为空白，一组添加石墨烯，在相同工况下进行对比试验，试验设备运行时间为9 000 h，每1 500 h取样1次，进行摩擦磨损试验机分析及光谱分析.

1.2.4 含石墨烯的HG-46与不含石墨烯的HG-46的性能分析

见表4.

表4含石墨烯与不含石墨烯的液压导轨油关键性能对比

项目HG-46石墨烯HG-46抗磨性(四球试验):PB/ND392N60min/mmf静—f动9500.340.00759500.290.0004氧化安定性(125℃,8h,空气)氧化油酸值/mgKOH/g氧化油沉淀物/%0.010无0.010无防锈性(B法)无锈无锈相容性(170℃,12h):色度/号沉淀物,%5无沉淀6无沉淀

注：A样品为HG-46液压导轨油；B样品为含石墨烯的HG-46液压导轨油

上述测试结果表明：含有石墨烯的HG-46液压导轨油的相容性良好，但在抗磨性能上则有显著提高，特别是磨痕直径和静、动摩擦系数差值都有明显下降，非常有利于设备的抗疲劳性，能大大延长设备的使用寿命.

1.2.5 含石墨烯的HG-46与不含石墨烯的HG-46的9 000 h使用试验

见表5、6.

表5直读铁谱数据

测定项目设备运行时间/h150030004500600075009000ABABABABABAB总磨损水平Dl+Ds4.102.904.903.715.324.907.607.418.308.298.708.68

注：A样品为HG-46液压导轨油；B样品为含石墨烯的HG-46液压导轨油

表6红外光谱分析结果(羰基峰)

测定项目设备运行时间/h1500300045006000750090001590cm-11.792.373.114.945.726.601710cm-11.573.875.126.958.449.73

1.2.6 含石墨烯的HG-46液压导轨油在使用设备中的使用监测

9 000 h的动态跟踪监测结果表明：氧化物的产生仍然是影响石墨烯使用效果的重要因素，新生的氧化物能迅速与高比表面能的石墨烯结合，再经氧化缩合后，被润滑系统中的过滤器滤掉，导致石墨烯在油中的效能流失，因此有效控制油品的氧化仍然是保障石墨烯应用效果的技术关键.见表7.

表7原子发射光谱分析结果

元素质量分数/×10-5设备运行时间/h150030004500600075009000ABABABABABABFe3.702.444.404.316.775.608.108.109.429.409.759.75

注：A样品为HG-46液压导轨油；B样品为含石墨烯的HG-46液压导轨油.

1.3石墨烯在通用锂基润滑脂中的应用

1.3.1 试验材料

2号通用锂基润滑脂，相关助剂.

1.3.2 试验设备

锥入度测定仪，蜡及润滑脂滴点测定仪，润滑脂钢网分油测定仪，防锈油脂腐蚀性测定仪，防锈性能测定仪，Timken摩擦试验机，四球式摩擦磨损试验机；

1.3.3 试验方法

对比试验法，测试通用锂基润滑脂以及含有石墨烯的通用锂基润滑脂的理化指标、防锈性、抗磨性指标进行对比分析，并且运行300 h后取样重复对比分析，试验结果见表8、9.

表8含石墨烯锂基脂与锂基脂关键性能对比

项目AB试验方法工作锥入度/(0.1mm)288286GB/T269滴点/℃194197GB/T4929钢网分油(100℃,24h)(质量分数)/%0.920.89SH/T0324水淋流失量(38℃,1h)(质量分数)/%1.301.17SH/T0109腐蚀性(质量变化)/mg/cm2钢黄铜铝镁-0.045+0.040+0.057-0.101-0.009+0.006+0.005-0.010SH/T0080防锈性湿热(A级),h盐雾(A级),h21537972161GB/T2361SH/T0081极压、抗磨性能:(Timken)OK值/N最大无卡咬负荷(PB值)/ND392N60min/mm127646.80.43175803.60.29SH/T0203GB/T3142SH/T0189

注：A样品为2号通用锂基润滑脂；B样品为含石墨烯的2号通用锂基润滑脂.

表9运行3000h后的关键性能对比

项目AB试验方法工作锥入度/(0.1mm)279280GB/T269滴点/℃193197GB/T4929钢网分油(100℃,24h)(质量分数)/%0.980.91SH/T0324水淋流失量(38℃,1h)(质量分数)/%1.301.17SH/T0109腐蚀性(质量变化)/mg/cm2钢黄铜铝镁-0.075+0.090+0.076-0.170-0.010+0.006+0.007-0.015SH/T0080防锈性湿热(A级)/h盐雾(A级)/h19737950161GB/T2361SH/T0081极压、抗磨性能:(Timken)OK值/N最大无卡咬负荷(PB值)/ND392N60min/mm127646.80.44175803.60.29SH/T0203GB/T3142SH/T0189

注：A样品为2号通用锂基润滑脂；B样品为含石墨烯的2号通用锂基润滑脂.

上述试验结果表明：石墨烯在润滑脂中的应用效果显著，尤其在抗磨性能和防锈性能上表现优异，运行3 000 h之后的性能仍然保持优异，也是由于润滑脂特殊的润滑结构(直接附着润滑，润滑系统简化)所决定的；尤其其防锈性能，基本接近专业的防锈油脂的水平.

2 综合分析

流体动压润滑、流体静压润滑和弹性流体动压润滑的润滑系统结构示意图见图6.

图6 润滑系统结构示意图

综合上述的试验结果及图6可知：

1)润滑油的氧化衰变是影响石墨烯在润滑油中使用效果的关键因素之一；润滑油在氧化衰变过程中产生的氧化物经氧化缩合后形成大分子颗粒，同时会与高比表面能的石墨烯附着结合，最后被润滑系统的过滤器过滤掉，最终使其性能逐渐流失.

2) 发动机润滑油中的氧化物、胶质、积碳、烟炱都是影响石墨烯的使用效果的因素，而胶质、积碳都是由氧化物不断缩合而成，良好的抗氧剂和优质的分散剂能有效抑制其对石墨烯性能的影响.

3)建议进行针对石墨烯与润滑油(脂)复合后的抗氧化剂的专题研究.

[1] 张 伟, 朱宏伟. 石墨烯改性润滑油[J]. 自然杂志, 2016, 38(2): 94-96.

[2] 傅 强, 包信和. 石墨烯的化学研究进展[J]. 科学通报, 2009, 54(18): 2657-2666.

[3] 范亦工, 胡 华. 润滑油硫、磷及灰分含量要求的发展[C]//2004年润滑油科技情报站年会, 2004. 90-93.

[4] 吴其伟,吕 林,锁国涛. 城市公交发动机循环工况的试验研究与建立[J]. 内燃机工程, 2006, 27(3): 73-76.

[5] 陈化飞, 许玲玲, 刘 蕊, 等. 噻二唑衍生物与氨基甲酸酯复合效应机理研究[J]. 哈尔滨商业大学学报：自然科学版, 2014, 3(3): 312-314.

[6] 胡 洁, 于 宁, 杨翰林, 等. 氨基甲酸酯的抗磨性能及其作用机理的研究[J]. 哈尔滨商业大学学报：自然科学版， 2014, 30(4): 451-454.

Applicationofgrapheneinlubricatingoils

SONG Ying-jin1, LIU Rui1, YU Ning1, SONG Ke-han2

(1. Institute of Petroleum Products, Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China; 2. Department of Chemistry, Harbin University, Harbin 150076, China)

Graphene used in engine lubricating oil, hydraulic rail oil and grease were analyzed in this paper. The influencing factors of the application of graphene and the feasible solutions were found out. It is key technology bottlenecks for the application in graphene in lubricating oils.

grapheme; lubricating oil (grease); oxidation; rust protection

2017-01-16.

宋应金(1966-)，男，高级工程师，研究方向：石油商品学.

TE666

A

1672-0946(2017)05-0593-06