碳点润滑添加剂的绿色溶剂热合成及其摩擦学性能研究

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随着世界各国不断提高的环境保护标准和日益加重的能源危机,推动了绿色环保的新型润滑剂及其添加剂的发展。传统润滑剂因其含有磷、硫和氯等对环境有害元素而面临淘汰。聚乙二醇200(PEG200)润滑剂因其绿色无毒、可降解和低摩擦的特性,成为了传统润滑剂潜在的替代品。而润滑添加剂作为润滑剂中不可或缺的一部分,成为了科研人员的研究重点,碳纳米材料作为其中的佼佼者,也受到了广泛关注。但大量的研究表明,传统碳纳米材料经过繁琐复杂的改性后,仍然有可能在基础油中出现团聚现象,导致润滑失效甚至恶化。碳点(CDs)作为一种新型的碳纳米润滑添加剂,具有极小的尺寸(<10 nm)、良好的生物相容性、类球型的结构以及表面丰富的含氧基团等特点。研究表明,相对于传统碳纳米润滑添加剂,碳点在基础油中拥有更好的分散稳定性,且它的制备、纯化和改性过程也相对廉价与环保。然而,目前为了使碳点在PEG200中保持稳定和长久分散,还是依赖于耗时和耗能的改性,且大多数制备方案,都需要额外的后处理过程。本文针对以上问题,基于溶剂热法设计了一种方便、环保的方法一步制备生物质和糖类碳点,这种方法制备的碳点表面保留了大量的羟基,使其在PEG200基础油中拥有良好的分散稳定性。并且系统的研究了其作为PEG200润滑添加剂的摩擦学性能,以及探讨了其潜在的润滑机理,具体的工作内容如下:1.以银杏叶为原料,无水乙醇为绿色反应介质,H2O2为清洁氧化剂,通过溶剂热法一步制备醇溶性银杏叶碳点(GCDs)。GCDs的平均粒径为5.8 nm,且在PEG200中表现出优异的分散稳定性。通过热重分析仪测试表明其拥有出色的热稳定性;在往复摩擦仪上测试其作为PEG200润滑添加剂的减摩抗磨性能,在最佳浓度(0.20 wt%)下,它使平均摩擦系数和磨损量分别下降了34.7%和70.5%。即使在高负载(40~100 N)、高滑动速度(4~10 cm/s)和长工作时间(300 min)下,仍然能保持良好的润滑性能。经过对磨损表面进行分析,揭示了其具备的滚珠、填充、成膜和修复等润滑特性。2.通过上述方法制备了四种不同分子结构的糖类碳点(CNPs),以此来探究该方法的普适性和不同分子结构对于CNPs摩擦学性能的影响。各CNPs在PEG200中仍保持了良好的分散稳定性。通过摩擦学性能测试,发现各CNPs的润滑性能存在差异,但相比于纯PEG200,仍具备更加优异的减摩抗磨性能。其中以壳聚糖为原料制备的CNPs-c拥有最佳的摩擦学性能。通过对磨损轨迹的表面分析,CNPs可以在摩擦表面形成由C、O和N元素组成的摩擦保护膜,从而降低了摩擦副之间的摩擦和磨损。
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