Met zwavel gedoteerd gealkyleerd grafeenoxide als hoogwaardig smeermiddeladditief

Resultaten en discussie

De XPS-analyse (Fig. 1) suggereert dat de vier elementen, zuurstof, stikstof, koolstof en zwavel, voorkomen in het met zwavel gedoteerde grafeenoxide. Twee verschillende bereidingsroutes die in het onderzoek zijn toegepast, geven aan dat de modificatiemethode de chemische samenstelling van het met zwavel gedoteerde gealkyleerde grafeenoxide aanzienlijk zou beïnvloeden.

Het XPS-onderzoek van de SA-GO dat is opgesteld door de reacties van butylamine (a ), octylamine (b ), laurylamine (c ), octadecylamine (d ), en het met zwavel gedoteerde grafeenoxide (de oxidatietijd van het grafeenoxide is 24 h)

De SA-GO en AS-GO werden onderzocht door XPS om de zwaveldoteringsefficiëntie van de bereidingsroutes te evalueren. In vergelijking met het zwavelgehalte van AS-GO is het zwaveldoteringsproces van SA-GO veel beter dan dat van AS-GO. Zoals weergegeven in tabel 1 is het zwavelgehalte van SA-GO (1,94–3,16 at%) enkele tientallen keren dat van AS-GO (0,04–0,08 at%). De resultaten geven ook aan dat de alkylering vóór de sulfatering de actieve punten op het grafeenoxide drastisch zou verminderen, wat resulteert in een significante afname van de efficiëntie van de gevolgde sulfatering van AS-GO. Aangezien het zwavelgehalte van AS-GO binnen het bereik van 0,04-0,08 at% ligt, vertoont de bereiding van de AS-GO een zeldzaam voordeel en alkylamine-selectiviteit van de efficiëntie van het zwaveldoteringsproces. Zoals weergegeven in tabel 1 is het zwavelgehalte van met octadecylamine gemodificeerde SA-GO 79 keer verhoogd ten opzichte van met octadecylamine gemodificeerde AS-GO.

Het stikstofgehalte wordt ook beïnvloed door de bereidingsroutes van met zwavel gedoteerd grafeenoxide. Eerst gemodificeerd worden door alkylamine en vervolgens met P₄ S₁₀ , het atoompercentage stikstof in AS-GO is slechts 0,36-0,65 at%, wat duidelijk lager is dan dat van SA-GO (3,42-3,83 at%). De stikstof in SA-GO en AS-GO verschilt echter veel van de stikstof van het stikstofdoteringsgrafeen. De stikstof van SA-GO en AS-GO bevindt zich voornamelijk bij de functionele groepen van alkylamine, niet in de structuur van grafeen. Echter, gebaseerd op de SA-GO toegevoegde hoeveelheid van 1~5 × 10 ⁻⁴ gew% in oliemonsters, het zwavelgehalte in oliemonsters is slechts 0,006~0,001 wt%, wat veel minder is dan de zwavelgehaltenorm van 0,5 wt% van ILSAC [3].

De resultaten van de piekpassing laten zien dat het bindingsgehalte veel verschilt in de SA-GO nadat met zwavel gedoteerd grafeenoxide heeft gereageerd met butylamine, octylamine, laurylamine en octadecylamine. In de S2p-analyse met hoge resolutie van SA-GO (Fig. 2) moeten twee pieken gecentreerd op 161,9 eV en 164,1 eV worden toegewezen aan S2p_3/2 en S2p_1/2 , die respectievelijk de pieken zijn die het resultaat zijn van het S2p-spin-orbit-doublet van de -C-S-C- binding [11, 13]. De S2p_3/2 en S2p_1/2 bindingsconfiguraties kunnen worden toegeschreven aan de vorming van C=S- en C-S-bindingen in de structuur van de SA-GO [16]. De andere twee pieken rond 165,2 eV en 168,1 eV kunnen worden toegewezen aan –C–SO_x –C– binding, die voornamelijk is afgeleid van zwaveloxidesoorten in SA-GO [15,16,17, 22]. Gebaseerd op de resultaten van de piekaanpassing van Fig. 2, de –C–S–C– en –C–SO_x –C– bindingsconfiguraties in de SA-GO worden berekend en gedemonstreerd in Tabel 2. Na de sulfatering en alkylering van de GO (de GO wordt bereid door oxidatie gedurende 24 h), wordt het atoompercentage van –C–S–C– binding is vrij gelijkaardig in de SA-GO dat octylamine, laurylamine en octadecylamine worden gebruikt als reagens voor alkylering.

De hoge resolutie zwavel (2p) XPS-analyse van de SA-GO die wordt bereid door de reacties van butylamine (a ), octylamine (b ), laurylamine (c ), octadecylamine (d ), en het met zwavel gedoteerde grafeenoxide (de oxidatietijd van het grafeenoxide is 24 h)

Hoewel het zwavelgehalte aanzienlijk toeneemt na sulfatering, geeft de –C–S–C– bindingsconfiguratie de binding van zwavel in de moleculaire structuur van grafeenoxide aan, en de –C–SO_x –C– bindingsconfiguratie wordt toegeschreven aan de onvolledige reductiereactie in de zwavelvorming terwijl P₄ S₁₀ toegepast om te reageren met grafeenoxide. In de XPS-analyse van zwavel met hoge resolutie vertoont het met butylamine gemodificeerde grafeenoxide het laagste gehalte aan -C-S-C- van de vier alkylaminen die in dit artikel worden toegepast. De resultaten gaven aan dat het daaropvolgende alkyleringsproces de C-S-bindingsconfiguraties zou kunnen beïnvloeden.

De thermogravimetrische analyse (TGA) wordt toegepast om de alkyleringsefficiëntie te bepalen van de reacties tussen de butylamine (GO-C4), octylamine (GO-C8), laurylamine (GO-C12), octadecylamine (GO-C18) en de zwavel- gedoteerd grafeenoxide (de oxidatietijd van het grafeenoxide is 24 h). Zoals getoond in Fig. 3, is het gewichtsverlies van GO-C12 (80,9 wt%) en GO-C18 (73,9 wt%) veel hoger dan dat van GO-C4 (39,3 wt%) en GO-C8 (42,6 wt%) ) en geeft aan dat het gehalte aan chemisch geënte organische verbindingen van GO-C12 en GO-C18 veel hoger is. De geënte organische verbindingen van GO-C4 en GO-C8 zijn echter zelfs hoog, aangezien het gewichtsverlies van GO slechts 3,5 wt% is bij 700 °C, wat suggereert dat er bijna geen organische verbindingen in GO voorkomen.

De TGA-analyse van SA-GO die wordt bereid door de reacties van butylamine (GO-C4), octylamine (GO-C8), laurylamine (GO-C12), octadecylamine (GO-C18) en het met zwavel gedoteerde grafeenoxide ( de oxidatietijd van het grafeenoxide is 24 h)

De alkylering van SA-GO kon ook worden bevestigd door ATR-FTIR-spectra getoond in Fig. 4. Sterke absorptiepieken op ~ 2848 cm ⁻¹ en ~ 2780 cm ⁻¹ worden toegewezen aan de rektrilling van C–H-bindingen van –CH₃ en –CH₂ groepen, wat samenvalt met de resultaten van TGA dat het gealkyleerde met zwavel gedoteerde grafeenoxide een aanzienlijke hoeveelheid organisch materiaal bevat. De piek gecentreerd op ~ 1540 cm ⁻¹ vertegenwoordigt de out-plane trilling van de –CH₂ groep en asymmetrische vervorming trillingen. En de brede en intensieve absorptiepiek bij ~ 1050 cm ⁻¹ wordt toegeschreven aan de uitrekkende vibratie van de -C-N-binding, die de amidobinding (CO-NH) tussen grafeenoxide en alkylaminen vormt. De resultaten van ATR-FTIR (Fig. 4) laten zien dat het alkyleringsproces effectief is voor de bereiding van gealkyleerd met zwavel gedoteerd grafeenoxide.

De ATR-FTIR-spectra van de SA-GO die wordt bereid door de reacties van butylamine, octylamine, laurylamine, octadecylamine en het met zwavel gedoteerde grafeenoxide (de oxidatietijd van het grafeenoxide is 24 h)

De TEM-afbeeldingen en profielanalyse van de typische SA-GO-nanostructuur worden getoond in Fig. 5. Na filtratie wordt de SA-GO gestapeld in Fig. 5a; een bladachtige nanostructuur van grafeen kan echter nog steeds worden afgebakend door een streepjeslijnzone. Afbeelding 5b is het TEM-beeld met hoge resolutie van de vierkante zone gemarkeerd in Fig. 5a. Volgens de profielanalyse (Fig. 5e) zijn de vijf lagen gemeten in Fig. 5b 1,452 nm, en dus is de gemiddelde laagafstand 0,363 nm, wat sterk samenvalt met de interplanaire afstand van grafiet (JCPDS-kaart nr. 75- 1621). Geselecteerde gebied elektronendiffractie (SAED) patronen (Fig. 5d) van SA-GO zijn bijna diffractieringen van grafiet [23]. Volgens de JCPDS-kaart nr. 75-1621, moet de binnenste diffractiering worden toegeschreven aan het (002) kristallijne vlak en de buitenste wordt toegewezen aan het (101) vlak, wat de aard van grafeen van de SA-GO suggereert.

De TEM-analyse van SA-GO (die wordt bereid door de reacties van octadecylamine en het met zwavel gedoteerde grafeenoxide; de ​​oxidatietijd van het grafeenoxide is 24 h). Inclusief de gestapelde SA-GO (a ), het TEM-beeld met hoge resolutie van de vierkante zone gemarkeerd in a (b ), de verspreide SA-GO (c ), het SAED-diffractiepatroon van de vierkante zone gemarkeerd in c (d ), en de analyse van de kristallijne ruimte van de positie gemarkeerd in b (e)

Volgens de Raman-analyse van de SA-GO (Fig. 6) die is bereid door de reacties van octadecylamine en het met zwavel gedoteerde grafeenoxide (de oxidatietijd van het grafeenoxide is 24 h), zijn de twee pieken gecentreerd op 1350 en 1584 cm ⁻¹ kan worden toegeschreven aan de D- en G-band van SA-GO, terwijl de piek rond 2690 cm ⁻¹ is toegewezen aan de 2D-banden van de SA-GO [23, 24]. De Raman-piek op ongeveer 2440 cm ⁻¹ wordt gesuggereerd als de C [25] of D + D″ [26] band van grafeen en kan worden gezien in de Raman-spectra in artikelen [27, 28]. De I_D /I_G waarde van GO is 0,986, wat iets lager is dan die van SA-GO (I_D /I_G =-1,05), en geeft aan dat de grafeenstructuur in de modificatiereacties niet significant is veranderd.

Het typische Raman-spectrum van SA-GO (dat wordt bereid door de reacties van octadecylamine en het met zwavel gedoteerde grafeenoxide; de ​​oxidatietijd van het grafeenoxide is 24 h) en GO (de oxidatietijd van het grafeenoxide is 24 h)

De basisolie van 928-smeerolie voor de luchtvaart is voornamelijk poly-α-olefine, PAO, dit zijn verzadigde alkanen met ~  30 koolstofatomen. In dit artikel, de 928 luchtvaart smeerolie en PAO4 (de kinematische viscositeit is ~ 4 mm ² /s bij 100 ° C) worden gebruikt als substraat, en vervolgens wordt het gealkyleerde met zwavel gedoteerde grafeenoxide aan respectievelijk de oliën toegevoegd om hun dispergerende eigenschappen te onderzoeken. Zoals weergegeven in Fig. 7, toonden de foto's van SA-GO-oliemonsters aan dat de kleur van oliemonsters geleidelijk donkerder werd met de toenemende hoeveelheid SA-GO. Dit zou de toenemende absorptie van zichtbaar licht moeten zijn sinds de SA-GO aan de oliën is toegevoegd. Er is echter een beetje sediment op de bodem van de cuvetten, zelfs als het grafeenoxide chemisch is gemodificeerd om de dispersiteit te verbeteren. Zoals weergegeven in Fig. 7b en d, is de kleur van de oliemonsters lichtgeel in vergelijking met de kleur van de PAO4-oliemonsters, omdat de kleur van de 928-smeerolie lichtgeel is. Blijkbaar kan de concentratie van de SA-GO de absorptie-intensiteit aanzienlijk beïnvloeden.

De optische foto's van de SA-GO (die is gemaakt door de reacties van octadecylamine en het met zwavel gedoteerde grafeenoxide; de ​​oxidatietijd van het grafeenoxide is 24 h) ultrasoon gedispergeerd in de PAO4-basisolie (a ) en de 928 luchtvaart smeerolie (b ) en de PAO4 (c ) en 928 (d ) oliemonster staat respectievelijk 24 h stil; de genormaliseerde adsorptie van de SA-GO in PAO4 (e ) en 928 (f ) oliemonsters (a –d , onderzocht met een UV-vis-spectrofotometer) met een SA-GO-concentratie van 1, 2,5 en 5 × 10 ⁻⁴ gew% binnen 1440 min

Om de dispersiteit van de SA-GO-oliemonsters kwantitatief te analyseren, wordt de UV-vis-spectrofotometer toegepast om de absorptie van de SA-GO-oliemonsters te testen. De resultaten worden getoond in Fig. 7e en f. Na precipitatie gedurende 24 h (1440  min), is de genormaliseerde absorptie van de SA-GO-oliemonsters verminderd. Interessant is dat de vermindering van de genormaliseerde absorptie van oliemonsters met een hoge concentratie relatief langzamer is dan die van oliemonsters met een lage concentratie. Het fenomeen duidt op de aanzienlijk verbeterde dispersiteit van de SA-GO, die zelfs bij een relatief hoge concentratie niet voor de hand liggende aggregatie leek.

Uit de afnemende tendens van de curve in Fig. 7e en f, zou een methode voor het berekenen van de helling van de lineaire fittingcurve van het lineaire uiteinde van de genormaliseerde adsorptie van de SA-GO de dispersiteit kwantitatief kunnen aantonen. Zoals weergegeven in tabel 3, geven de berekeningsresultaten aan dat de afnemende neiging van SA-GO-oliemonsters met een hoge concentratie groter is dan die van SA-GO-oliemonsters met een lage concentratie, hoewel de vermindering van de genormaliseerde absorptie van oliemonsters met een hoge concentratie relatief langzamer is dan die van de oliemonsters met een lage concentratie. De dispersieanalyse suggereert dat de SA-GO een uitstekende dispersiteit heeft na chemische modificatie, zelfs bij een relatief hoge concentratie; de SA-GO-oliemonsters met een hoge concentratie hebben echter een hogere neiging tot dalen op lange termijn. De tribologische eigenschappen van SA-GO-oliemonsters worden gemeten door vierkogeltesters voor het evalueren van het smeerverhogende effect van SA-GO, dat werd uitgevoerd als smeermiddeladditief. Zoals vermeld in de sectie "Methode", wordt de diameter van slijtagelittekens gemeten nadat het testen is voltooid, en de maximale niet-epileptische belasting (P _B ) waarde wordt ook verworven. De gemiddelde diameter van de slijtagelittekens terwijl de SA-GO wordt toegepast als smeermiddeladditief is weergegeven in Fig. 8.

De gemiddelde diameter van het slijtagelitteken terwijl de SA-GO (bereid door met zwavel gedoteerd GO en butylamine, octylamine, laurylamine en octadecylamine; de ​​oxidatietijd van het GO is 24 h) wordt toegepast als smeermiddeladditief in PAO4 (a ) en 928 (b ) oliën

Ten eerste is de gemiddelde diameter van SA-GO 928-oliemonsters veel kleiner dan die van SA-GO-dispersie in PAO4-basisolie. Dit fenomeen kan te wijten zijn aan de 928-smeerolie die organische fosfaat-anti-slijtage-additieven bevat die het slijtagevolume tijdens het glijden effectief zouden kunnen verminderen [29]. Het fosfaatbevattende antislijtageadditief zou kunnen reageren met de stalen wrijvingsparen om tribofilm te genereren, waaronder ijzerfosfaat, ijzerfosfaat en andere fosfaatbevattende verbindingen onder een grenssmeringregime.

Ten tweede speelt de modificatieroute een belangrijke rol in het antislijtagegedrag van SA-GO-oliemonsters [30, 31]. De met octylamine gemodificeerde SA-GO vertoont betere smeereigenschappen bij de oliemonsters, waaronder zowel PAO4- als 928-smeeroliën. De resultaten komen overeen met de analyse van TGA getoond in Fig. 4 en de moleculaire structuur van PAO4 of de basisolie van de 928 smeerolie. Volgens de TGA is het gewichtsverlies van SA-GO (gemodificeerd door octylamine) slechts ongeveer de helft vergeleken met de SA-GO gemodificeerd door laurylamine en octadecylamine, wat betekent dat de hoeveelheid met zwavel gedoteerd grafeen in het met laurylamine en octadecylamine gemodificeerde SA-GO is slechts ongeveer de helft in vergelijking met SA-GO gemodificeerd door octylamine. Aangezien de toegevoegde hoeveelheid SA-GO slechts 1, 2,5 en 5 × 10 ⁻⁴ is gew.%, respectievelijk, zal het ernstige tekort aan met zwavel gedoteerd grafeen in de met laurylamine en octadecylamine gemodificeerde SA-GO resulteren in een verslechtering van hun anti-slijtagevermogen. Aan de andere kant heeft de met butylamine gemodificeerde SA-GO een vergelijkbaar zwavelgedoteerd grafeengehalte als de SA-GO gemodificeerd door octylamine volgens de TGA-analyse. De dispersiteit van met butylamine gemodificeerd SA-GO is echter intrinsiek lager dan met octylamine gemodificeerd SA-GO, aangezien de gealkyleerde koolstofketen van met octylamine gemodificeerde SA-GO vrij dicht bij de zijketen van PAO4 of de basisolie van de 928-smering ligt. olie [32].

Ten derde kan de concentratie van SA-GO in de oliemonsters het antislijtagevermogen beïnvloeden. Veel onderzoeken hebben aangetoond dat als de concentratie van grafeen en/of zijn derivaten te hoog is, het grafeen (of de derivaten) meestal de neiging heeft om in vloeistof te aggregeren. Bij smeertoepassingen kon het geaggregeerde grafeen niet worden gebruikt als een effectief smeermiddeladditief, zelfs schadelijk voor de tribologische eigenschappen. In dit geval is de SA-GO-concentratie van 5 × 10 ⁻⁴ gew% is te hoog voor smeertoepassingen in zowel 928- als PAO4-oliën, vanwege de abnormale toename van de diameter van het slijtagelitteken. Dus de SA-GO (gemodificeerd door octylamine) concentraties van 1 en 2,5 × 10 ⁻⁴ wt% is bevestigd in het onderzoek dat een beter smerend effect heeft in respectievelijk 928-smeerolie (de diameter van het slijtagelitteken is 0,25 mm) en PAO4-olie (de diameter van het slijtagelitteken is 0,53 mm). Vergeleken met de zuivere 928-smeerolie en PAO4-olie, is de afname van de slijtagelittekendiameter respectievelijk 43,2% en 17,2% in de 928-smeerolie en PAO4-olie. Het smeringsverbeterende effect van SA-GO in de 928-smeerolie is veel beter dan dat in PAO4-basisolie, wat het uitstekende synergetische smeereffect van SA-GO in de 928-smeerolie aantoont.

De maximale niet-epileptische belasting (P _B ) waarde van de SA-GO (bereid door met zwavel gedoteerd GO en octylamine) in PAO4 (Fig. 9a) en 928 (Fig. 9b) smeeroliën werd bepaald door de vierballentester. Zoals weergegeven in Afb. 9a, is de P _B verbetering van de SA-GO is behoorlijk aanzienlijk, met een toename van 55,6% voor de P _B waarde bij de concentratie van 1 × 10 ⁻⁴ wt% en 72,2% voor P _B waarde bij de concentratie van 5 × 10 ⁻⁴ gew%. De resultaten van P _B waarde suggereert dat de sterkte van het oliemembraan aanzienlijk is verbeterd sinds de SA-GO werd toegevoegd aan de PAO4-basisoliemonsters. De P _B waarden van de SA-GO bereid door met zwavel gedoteerde GO, butylamine (aanvullend bestand 1:figuur S2a), laurylamine (aanvullend bestand 1:figuur S2b) en octadecylamine (aanvullend bestand 1:figuur S2c) in PAO4 worden weergegeven in SI, die de vergelijkbare resultaten aangeven dat de hogere concentratie van SA-GO in PAO4 nuttig zou zijn voor de bevordering van de maximale niet-epileptische ladingswaarde.

een , b De maximale non-seizure load (PB) waarde terwijl SA-GO (bereid door met zwavel gedoteerd GO en octylamine, de oxidatietijd van het GO is 24 uur) wordt toegepast als smeermiddeladditief met een bepaalde concentratie in PAO4 (a ) en 928 (b ) olie

De P _B waarde van de SA-GO (bereid door met zwavel gedoteerde GO en octylamine) in 928 smeeroliën (Fig. 9b) neemt ook toe met een toenemende concentratie van de SA-GO tot 2,5 × 10 ⁻⁴ gew%. Sterker nog, SA-GO wordt toegevoegd aan smeerolie 928, maar de P _B waarde van het SA-GO-oliemonster was onveranderd bij de concentratie van 5 × 10 ⁻⁴ gew%. Vergeleken met de SA-GO bereid door met zwavel gedoteerd GO en butylamine (aanvullend bestand 1:figuur S3a), laurylamine (aanvullend bestand 1:figuur S3b) en octadecylamine (aanvullend bestand 1:figuur S3c) in de 928 smeerolie, is de met butylamine gemodificeerd SA-GO heeft een relatief lagere P _B waarde (82 kg) bij een concentratie van 2,5 × 10 ^− 4 gew%. De met laurylamine en octadecylamine gemodificeerde SA-GO in smeerolie 928 vertoont echter vergelijkbare P _B waarde (92 kg) met de met octylamine gemodificeerde SA-GO. Het fenomeen suggereert dat de toegevoegde hoeveelheid SA-GO 2,5 × 10 ⁻⁴ moet zijn. gew% om rekening te houden met het aggregatie-effect, anti-slijtage-eigenschappen en P _B waarde.

Na wrijvingsverschuiving geeft de SEM- en EDS-analyse van slijtagelittekens aan dat de zwavel van SA-GO waarschijnlijk een sleutelrol speelt in het reactieve smeergedrag om zwavelhoudende chemische grenssmeerfilm te vormen. Zoals getoond in Fig. 10a (SEM-beeld van slijtagelitteken) en b (EDS-spectrum van Fig. 10a, de integratieresultaten van de lijnscanning getoond in Fig. 10a die is gemarkeerd als een streepjeslijn), het EDS-spectrum van slijtagelitteken toont vijf elementen, waaronder Fe, O, C, Cr en S die voorkomen in het slijtagelitteken.

De SEM-afbeelding (a ) en EDS-elementanalyse (b , de integratieresultaten van de lijnscanning weergegeven in a die is gemarkeerd als een streepjeslijn) van het slijtagelitteken, terwijl de SA-GO (bereid door met zwavel gedoteerde GO en octylamine; de ​​oxidatietijd van de GO is 24 h en de concentratie van SA-GO is 0,025 wt%) fungeerde als smeermiddeladditief in de 928 smeerolie

Het zwavelgehalte van slijtagelittekens bereikt wel 0,46 at%, wat veel hoger is dan dat van het slijtagelitteken van de pure 928 die als smeermiddel wordt gebruikt (het zwavelgehalte is ~ 0%, aanvullend bestand 1:figuur S4). Het hogere zwavelgehalte in tribofilm is dus sterk gerelateerd aan de gemiddelde diameter van slijtagelittekenanalyse, de dispersiestudie en de TGA-analyse, wat suggereert dat de antislijtage-eigenschappen het hogere zwavelgehalte en het hogere grafeengewichtspercentage en de dispersiteit bevorderen. profiteert van de koolstofketenlengte die vergelijkbaar is met de zijketen van basisoliën.

Conclusies

De SA-GO wordt bereid door de sulfatering en alkylering van grafeenoxide. Op basis van de XPS-analyse volgt de sulfatering de alkyleringsroute (het product is SA-GO) die veel beter is dan de sulfatering (het product is AS-GO) voor de zwaveldotering van grafeenoxide. Uit anti-slijtage testen blijkt dat de SA-GO, bereid door met zwavel gedoteerd GO en octylamine, de kleinste diameter van het slijtagelitteken (0,25 mm) in de 928 smeerolie heeft bij een concentratie van 1 × 10 ⁻⁴ gew%, aangezien het additief een relatief hoog grafeengewichtspercentage (57,4 wt%), hoog zwavelgehalte (2,49 at%) en een goede dispersiteit heeft (het octylamine heeft een vergelijkbare koolstofketenlengte in vergelijking met de PAO4 of de basisolie van 928-smering olie). Vergeleken met de pure 928-smeerolie en PAO4-olie, is het afnamepercentage van de slijtagelittekendiameter 43,2% in de 928-smeerolie en 17,2% in de PAO4-olie, terwijl de SA-GO gemodificeerd door octylamine wordt toegepast met de concentraties van 2,5 × 10 ⁻⁴ wt% in PAO4 en 1 × 10 ⁻⁴ gew% in 928 olie, respectievelijk. Het tribologische onderzoek van met zwavel gedoteerd grafeenoxide suggereert dat de SA-GO een efficiënt anti-slijtage additief is.

Methode

Met zwavel gedoteerd gealkyleerd grafeenoxide in dit artikel wordt bereid door de chemische modificatie van grafeenoxide door P₄ S₁₀ en vier alkylaminen (waaronder octadecylamine, laurylamine, octylamine en butylamine). Belangrijk is dat twee verschillende bereidingsroutes worden toegepast om met zwavel gedoteerd gealkyleerd grafeenoxide te verkrijgen door onderling te vergelijken. Eén route waarop grafeenoxide eerst reageert met P₄ S₁₀ en dan resulteert alkylaminen in het product SA-GO, en een andere route die grafeenoxide eerst reageert met alkylaminen en dan P₄ S₁₀ geeft het product AS-GO.

Zoals te zien is in figuur 11, is het onderzoek van SA-GO en AS-GO bedoeld om de relatie tussen chemische samenstelling en smeerprestaties op contrastrijke wijze te bestuderen. De gedetailleerde experimentomstandigheden worden als volgt beschreven volgens de bereidingsroute van SA-GO.

De contrastieve onderzoeksroutes van SA-GO en AS-GO

De bereiding van het met zwavel gedoteerde grafeenoxide

In dit artikel wordt het met zwavel gedoteerde grafeenoxide bereid door de reacties tussen de P₄ S₁₀ (chemisch zuiver) en grafeenoxide dat wordt bereid met de gemodificeerde Hummers-methode [33]. De gedetailleerde experimentconditie wordt als volgt beschreven:

Drie chemicaliën, 3 g grafietpoeder (3500 mesh, zuiverheid> 99,9 wt%, grafiet gebruikt in het papier is in de handel verkrijgbaar bij XFNANO Ltd. Co.), 1,5 g NaNO₃ , en 138 mL H₂ SO₄ , werden toegevoegd aan een driehalskolf en gedurende 3 min geroerd. Na te zijn overgebracht naar een ijsbad, 3 g KMnO₄ (chemisch zuiver) werd langzaam toegevoegd aan het goed gemengde mengsel om het gevaar van oververhitting te voorkomen, daarna werd het mengsel in een oliebad geplaatst om te worden gerefluxt en geroerd gedurende respectievelijk 6, 12 en 24 h.

Het 100 mg als bereid grafeenoxide in de bovenstaande procedure en 300 mg P₄ S₁₀ werden ultrasoon gedispergeerd in 20 mL N ,N -dimethylformamide (DMF) in een driehalskolf. Vervolgens werd het mengsel gerefluxt in N₂ atmosfeer bij 100 °C gedurende 24  uur. After that, the temperature was allowed to cool down at room temperature and washed by acetone, alcohol, and DI water while negative-pressure filtration was carried out at the same time.

The Preparation of the Sulfur-Doped Alkylated Graphene Oxide

The as-synthesized sulfur-doped graphene oxide (100 mg) was ultrasonically dispersed in 5 mL DMF and mixed with 20 mL SOCl₂ (chemical pure) to react under a refluxing condition at 80 °C for 24 h. After being washed by tetrahydrofuran (THF) for removing SOCl₂ , the product ultrasonically dispersed in 2 mL THF which was added with 1 mL alkylamine (octadecylamine, laurylamine, octylamine, and butylamine, respectively), and the system was heated at 80 °C and stirred for 24 h. The light-yellow product, sulfur-doped alkylated graphene oxide, was thoroughly washed and vacuum-dried for further applications.

The Characterization Instruments and Tribological Tests of the Sulfur-Doped Alkylated Graphene Oxide

Products in this paper were characterized by the attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR, PerkinElmer Spectra Two), scanning electron microscopy (SEM, Hitachi SU-8000, secondary electron modes, acceleration voltage is 10 kV), transmission electron microscopy (TEM, TECNAI-F20 with accelerating voltage of 300 kV, bright field), selected area electron diffraction (SAED), Raman (Senterra&Veate X70, with excitation argon ion laser at 514.5 nm) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, Escalab-250Xi; the curve fitting was done by using the Thermo Avantage v4.87 software based on Powell’s iteration method and 100 maximum iterations.), UV-vis spectrophotometer (Thermal Fisher, Genesys180), and TGA measurements were carried out on a TGA 8000 (PerkinElmer) analyzer from 50 to 550 °C under N₂ with a heating rate of 10 °C/min.

The 928 aviation lubrication oil (commercially available in Henan Hangcai Science and Technology Co. Ltd.) and poly-α-olefin base oil (PAO, purchased from Shanghai Foxsyn Chemical Science and Technology Co. Ltd.) are applied as lubricants in tribological experiments. All of the sulfur-doped alkylated graphene oil samples were sonicated for 5 min before tribological tests. All of the tribological experiments were performed by a lever-type four-ball tester (Jinan Shijin Group Co. Ltd., MRS-10G and MRS-10P). The rotation speed of MRS-10G is 1450 r/min, the load is 392 N, and the testing time is 30 min; the rotation speed of MRS-10P is 1760 r/min and the testing time is 10 s. Steel balls used in the paper are uniform 12.7-mm GCr15 chrome steel ball which Rockwell hardness is 59-61HRC. The diameter of wear scar was measured by an optical microscope (resolution is ± 0.01 mm). All of the chemicals used in this paper are analytically pure except for the base oils, fully formulated lubricant oils, and the chemicals specifically stated.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

The TG, TEM, and SEM data are available in the Analysis and Measurement Center of China University of Mining and Technology for inspection. The XPS, Raman, and line scanning EDX is available in the Analysis and Testing Center of Tianjin University of Technology for further inspection. Other data are acquired in Air Force Logistics College for inspection.

Afkortingen

AS-GO:

Sulfur-doped graphene oxide prepared by alkylation and then followed by sulfuration of graphene oxide

ATR-FTIR:

Attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy

BN:

Boornitride

DMF:

N ,N -dimethylformamide

EDS:

Energiedispersieve röntgenspectroscopie

GO:

Grafeenoxide

GO-C12:

The alkylated graphene oxide prepared by laurylamine and the sulfur-doped graphene oxide (the oxidation time of the graphene oxide is 24 h)

GO-C18:

The alkylated graphene oxide prepared by octadecylamine and the sulfur-doped graphene oxide (the oxidation time of the graphene oxide is 24 h)

GO-C4:

The alkylated graphene oxide prepared by butylamine and the sulfur-doped graphene oxide (the oxidation time of the graphene oxide is 24 h)

GO-C8:

The alkylated graphene oxide prepared by octylamine and the sulfur-doped graphene oxide (the oxidation time of the graphene oxide is 24 h)

ILSAC:

International Lubricant Standardization and Approval Committee

JCPDS:

Joint Committee on Powder Diffraction Standards

PAO4:

The poly-α-olefin base oil at 100 °C kinematic viscosity is ~ 4 mm ² /s

SAED:

Geselecteerd gebied elektronendiffractie

SA-GO:

Sulfur-doped graphene oxide prepared by sulfuration and then followed alkylation of graphene oxide

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

SiC:

Siliciumcarbide

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

TGA:

Thermogravimetrische analyse

THF:

Tetrahydrofuran

UV-vis:

Ultraviolet-visible spectroscopy

XPS:

Röntgenfoto-elektronenspectroscopie