纳米级石墨的制备及其在水和润滑油中的分散稳定性研究

摘要

石墨是我国丰富的无机矿物，具有优异的润滑性能。通过对石墨进行进一步加工而制备出的纳米石墨，是一种高附加值的新型纳米材料。它具有优异的抗磨损、耐高压、自润滑、吸收电磁波、储放氢、灭火阻燃等功能，随着纳米石墨的制备技术的日益成熟，成本降低，应用范围日益广泛，因此纳米石墨的相关研究备受关注。本文以研究和制备具有良好抗磨减磨性能、高承载能力、对磨损表面有一定自修复功能的润滑油添加剂为背景，对纳米石墨在水和非水体系中的分散稳定性进行了分析对比，分别讨论了在水和非极性液相中影响石墨悬浮液稳定性的各种因素。最后分析了纳米石墨在这两种体系中的分散稳定机理。 本文结合文献介绍，首先利用化学插层氧化法制备了纳米石墨，采用透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)及纳米粒度分析仪分别对它们的形貌和结构进行了表征。结果表明利用化学氧化插层法制备的纳米石墨为椭球状，粒径为30～250nm，平均粒径98nm。表面含有极性基团-OH、-COOH及非极性基团-CH<,2>等在水性分散体系中，用Zeta电位法、吸光光度法、粒度分析法、离心分离法、黏度法等方法分别考察了纳米石墨用量、pH：值、分散介质及分散剂对纳米石墨的分散稳定性的影响；讨论了溶剂极性对纳米级石墨颗粒的分散稳定性的影响。实验结果表明：纳米石墨的Zeta电位在pH=2～12范围内恒为负值，而且绝对值恒大于30 mv。极性大的体系，对应的Zeta电位绝对值也大。在水性体系中借助超声波作用，可以实现纳米粒子的原生粒子态均匀分布，需要解决的难题是长期稳定问题。在含量不太大的情况下(0.05％以内)纳米石墨即使不加分散剂也可稳定悬浮在水中15天。加入分散剂羟甲基纤维素钠(CMC)和六偏磷酸钠后纳米石墨的悬浮稳定性增加，其稳定机理应该是空间位阻稳定作用和双电层稳定作用。 在润滑油中首先比较了三种粉碎方法对纳米石墨分散效果的影响。然后测试了溶剂极性、溶剂黏度对纳米石墨润滑油悬浮液分散稳定性的影响。结合实验结果，根据文献介绍及所用溶剂的物化性质，选择了多种表面活性剂：司盘-80、羟甲基纤维素钠(CMC)、吐温-20、钛酸酯偶联剂NDZ-105、聚乙二醇、六偏磷酸钠、硬脂酸、油酸、磷酸三丁酯并采用两种不同的方法对纳米石墨分散体系进行表面亲油改性。方法1为直接添加法，方法2是先在汽油中进行表面修饰反应，然后再将修饰后的纳米石墨添加到润滑油中，结果表明：在润滑油中，纳米石墨的稳定主要依靠空间位阻作用；方法2的效果优于方法1。实验结果表明利用表面活性剂复配(司盘-80：油酸：磷酸三丁酯1：1：1)，可以使体系的吸光度增加37％，粘度减小21.35％，纳米石墨在非水体系的稳定性有较好的改善。最后分析了两种体系中纳米石墨的分散稳定机理，润滑油中为溶剂化吸附层理论，水中为氢键和表面活性剂吸附作用理论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2石墨简介

1.2.1石墨的晶体结构和表面特征

1.2.2纳米碳(石墨)粉的特性

1.2.3纳米石墨的应用领域

1.3润滑油纳米添加剂的研究现状

1.3.1我国润滑油的发展现状

1.3.2纳米材料用于润滑油中的研究进展

1.3.3纳米石墨润滑油的研究进展

1.4纳米微粒的团聚与控制

1.4.1纳米微粒团聚的形成机理

1.4.2液体介质中纳米微粒的团聚和分散

1.4.3液体介质中纳米微粒的分散机理

1.4.4液体介质中纳米微粒团聚的控制方法

1.5纳米石墨在液相中分散研究进展

1.6本课题的研究目的、意义和研究内容

1.6.1目的意义

1.6.2研究内容

1.6.3本文特色

第二章氧化插层法制备纳米级石墨粉

2.1纳米石墨的常见制备方法

2.1.1爆炸法

2.1.2超声波法

2.1.3脉冲激光液相沉积法

2.1.4电化学氧化法

2.1.5高能球磨法

2.1.6化学气相沉积法(CVD)

2.2原料与设备

2.3实验流程

2.4化学插层氧化法的实验原理

2.5粉体表征

2.5.1粒度分布(LSPSA)测试

2.5.2透射电镜(TEM)分析

2.5.3红外光谱(FTIR)分析

2.5.4 X射线衍射(XRD)分析

2.6本章小结

第三章纳米石墨在水中的分散稳定性研究

3.1引言

3.2纳米颗粒的液相分散

3.2.1纳米颗粒分散机理

3.2.2纳米颗粒的常用分散方法

3.2.3纳米分散体系分散稳定性的表征

3.3实验部分

3.3.1主要实验原料及设备

3.3.2实验方案

3.4实验结果与讨论

3.4.1纳米石墨的亲油化度

3.4.2纳米石墨的添加量对悬浮液稳定性的影响

3.4.3 pH值对纳米石墨悬浮稳定性的影响

3.4.4分散介质对纳米石墨分散性的影响

3.4.5分散剂对纳米石墨的分散效果的影响

3.5本章小结

第四章纳米石墨在润滑油中的分散与稳定性分析

4.1引言

4.1.1纳米石墨润滑油分散的研究进展

4.1.2纳米颗粒—润滑油体系的分散理论

4.2纳米石墨在润滑油中的分散稳定性影响因素初步研究

4.2.1主要实验原料及设备

4.2.2实验方案

4.3实验结果与讨论

4.3.1分散方式对纳米石墨悬浮稳定性的影响

4.3.2纳米石墨的油溶性分析

4.3.3分散工艺对纳米石墨颗粒分散性的影响

4.3.4分散介质对纳米石墨分散性和稳定性的影响

4.4分散剂对纳米石墨的分散稳定效果的影响

4.4.1常用表面改性方法

4.4.2实验方案

4.4.3分散改性剂剂直接添加法对纳米石墨悬浮体系分散性的影响

4.4.4分散改性剂复配对纳米石墨的改性效果

4.4.5表面修饰法改性纳米石墨

4.5纳米石墨的稳定机理讨论

4.5.1纳米石墨在水相中的稳定机理

4.5.2纳米石墨在油相中的稳定机理

4.6本章小结

结论与建议

参考文献

攻读学位期间发表的与学位论文相关的学术论文

致谢

评定意见