專(zhuān)利名稱(chēng)：含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)異微/納摩擦學(xué)性能的含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜。
背景技術(shù)：
隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ、超高密度磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)、衛(wèi)星器件等高技術(shù)的發(fā)展，對(duì)應(yīng)用于其上的超薄潤(rùn)滑膜也提出了越來(lái)越高的要求，不僅要具有優(yōu)良的減摩抗磨性能，還應(yīng)具備在微摩擦副間隙下穩(wěn)定工作的物化性能。由陰陽(yáng)離子組成的室溫離子液體具有極低的揮發(fā)性，高的熱、化學(xué)穩(wěn)定性，良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)。這些特性完全符合高性能潤(rùn)滑劑的性能要求。國(guó)內(nèi)外許多研究結(jié)果也已經(jīng)報(bào)道了一些室溫離子液體作為潤(rùn)滑油和添加劑表現(xiàn)出的優(yōu)異宏觀摩擦學(xué)性能。近年來(lái)，作為MEMS等微器件有希望的候選潤(rùn)滑劑，室溫離子液體納米潤(rùn)滑膜得到了摩擦學(xué)界廣泛的關(guān)注。然而，其有限的抗磨和承載能力已經(jīng)限制了它在MEMS潤(rùn)滑上的進(jìn)一步發(fā)展。為了保持室溫離子液體納米潤(rùn)滑膜優(yōu)異潤(rùn)滑性能的同時(shí)，進(jìn)一步提高它的抗磨和承載能力，設(shè)計(jì)和制備一種兼有減摩相和抗磨相的離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜就具有重要的意義。石墨烯是一種由sp2雜化碳原子相互連接構(gòu)成的單原子層的二維石墨晶體?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在石墨烯平面上，碳原子的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)排列使它具有非常高的比強(qiáng)度， 這一優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)使它可以作為力學(xué)增強(qiáng)材料與其它材料復(fù)合。另外，石墨烯也是構(gòu)筑固體潤(rùn)滑劑石墨材料的基本組成單元，一些研究人員借助原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)石墨烯具有很好的納米摩擦學(xué)性能。因此，我們提出一種綜合了石墨烯高抗磨承載能力和離子液體優(yōu)異減摩潤(rùn)滑性能的納米復(fù)合潤(rùn)滑膜。這種納米復(fù)合潤(rùn)滑膜成功制備的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何獲得石墨烯和離子液體在有機(jī)溶劑中的穩(wěn)定混合分散液。目前已經(jīng)有許多制備石墨烯的方法，如微機(jī)械剝離法，溶劑熱法，溶劑剝離法，化學(xué)氣相沉積法，晶體外延生長(zhǎng)法，氧化-還原法等。相比之下，石墨的氧化-還原法以其簡(jiǎn)單和多元化的工藝成為大規(guī)模制備石墨烯的可行方案。然而，由于石墨烯片層間強(qiáng)的η-η 相互作用力和范德華力，很容易造成石墨烯的不可逆疊聚，這極大的增加了制備含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜的困難。目前，研究人員主要是通過(guò)添加大量表面活性劑來(lái)解決石墨烯的疊聚。但是效果并不理想。而且制備所得的石墨烯也只能分散于水中，不能分散與大多數(shù)的非極性有機(jī)溶劑中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜。本發(fā)明通過(guò)1- 丁基-3甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體([ΒΜΙΜ] [BF4])和石墨烯之間的η-η作用、氫鍵或靜電作用使其非共價(jià)吸附在石墨烯表面，從而使石墨烯帶有一定電荷，可以穩(wěn)定分散于水溶液中，也能和1-丁基-3甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體([ΒΜΙΜ] [PF6])形成均勻穩(wěn)定的有機(jī)溶劑分散液，進(jìn)而可以通過(guò)靜電吸附的方式從這種穩(wěn)定的分散液里制備出含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜。這種納米復(fù)合潤(rùn)滑膜可用于解決MEMS等微器件的潤(rùn)滑問(wèn)題?！N含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜，其特征在于納米復(fù)合潤(rùn)滑膜通過(guò)以下步驟來(lái)制備A.石墨烯和離子液體丙酮分散液的制備采用氧化石墨烯為原料，通過(guò)超聲分散形成均勻穩(wěn)定的氧化石墨烯去離子水分散液，然后將氧化石墨烯去離子水分散液和[BMIM] [BF4]去離子水溶液在超聲分散作用下充分混合；將85wt%水合胼(N2H4 ·Η20)加入到上述混合水溶液中，并于80-100°C水浴中攪拌反應(yīng)l_5h，溶液由黃褐色變?yōu)楹谏?，待溶液冷卻至室溫時(shí)，用去離子水反復(fù)清洗，抽濾，再通過(guò)離心去除多余的[BMIM] [BF4]，離心后的石墨烯室溫干燥；在超聲分散作用下將石墨烯添加到[BMIM] [PF6]丙酮溶液中，最終獲得穩(wěn)定的石墨烯和離子液體丙酮分散液；B.含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜的制備通過(guò)98wt% H2SO4和30wt% H2O2對(duì)單晶硅片表面羥基化處理；然后利用提拉鍍膜儀將羥基化單晶硅片浸漬在石墨烯和離子液丙酮分散液中，浸漬后在氮?dú)猸h(huán)境下熱處理， 最終得到含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜。在A步驟中，氧化石墨烯去離子水分散液的濃度為0. 5mg · mdmg · mL—1。在A步驟中，[BMIM] [BF4]去離子水溶液的濃度為5mg · mdOmg · ι Γ1。在A步驟中，氧化石墨烯去離子水分散液和[BMIM] [BF4]去離子水溶液的體積比為 2 1-1 2。在A步驟中，氧化石墨烯與85wt%水合胼的質(zhì)量比為3 1-1 1。在A步驟中，[BMIM] [PF6]丙酮溶液的濃度是Hmg · mL—1。在A步驟中，石墨烯和離子液體丙酮分散液的濃度是0. 005mg -mrVlmg -mL^-O. 4m g · mL-1/4mg · mL-1。在B步驟中，羥基化單晶硅片在石墨烯和離子液丙酮分散液中的浸漬時(shí)間是 l-5min。在B步驟中，羥基化單晶硅片從石墨烯和離子液丙酮分散液中退出的速度是 400-800um · s-1。在B步驟中，熱處理溫度是90-150°C，熱處理時(shí)間是20-60min。本發(fā)明所述的1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體能同時(shí)溶于水及丙酮等有機(jī)溶劑里，易于合成。1-丁基-3甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體在室溫呈一定粘度的液態(tài)， 易于合成，且具有低的微/納摩擦系數(shù)。步驟B中單晶硅片表面羥基化是為了提高[BMIM] [PF6]離子液體和石墨烯在單晶硅片表面的靜電吸附作用。步驟B中熱處理過(guò)程，是為了提高[BMIM] [PF6]離子液體和石墨烯在單晶硅片表面的結(jié)合力，另外可以除去薄膜中吸附的少量溶劑及水，以使薄膜更加均勻致密。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用[BMIM] [BF4]對(duì)石墨烯進(jìn)行非共價(jià)功能化，從而獲得穩(wěn)定的石墨烯和離子液體丙酮分散液，最后通過(guò)靜電吸附的原理從這種丙酮分散液中制備出含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜。本發(fā)明涉及的含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜綜合了石墨烯高的微摩擦承載力和離子液體低的微/納摩擦系數(shù)，具有優(yōu)異的微/納摩擦學(xué)性能，可用于解決MEMS等微器件的潤(rùn)滑問(wèn)題。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的氧化石墨烯和功能化的石墨烯的拉曼光譜圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的氧化石墨烯和功能化的石墨烯的紅外吸收光譜圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3所制得的含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜的微摩擦系數(shù)和Ih不破壞時(shí)的承載力。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在舉例加以說(shuō)明。實(shí)施例1 石墨烯的制備通過(guò)超聲分散配制25mL的Img -πιΓ1氧化石墨烯去離子水分散液，再配制25mL的 IOmg.mr1的[BMIM] [BF4]去離子水溶液，將氧化石墨烯去離子水分散液和[BMIM] [BF4]去離子水溶液在超聲分散作用下充分混合。然后將17mL的85wt%水合胼加入到去離子水混合溶液中，并于95°C水浴中攪拌反應(yīng)2h，反應(yīng)結(jié)束后將溶液自然冷卻至室溫，用去離子水反復(fù)清洗，過(guò)濾，再通過(guò)離心去除含有多余[BMIM] [BF4]的清液，將離心后的石墨烯室溫下干燥。拉曼光譜(附圖1)和紅外吸收光譜(附圖2)證明了功能化的石墨烯的成功制備。石墨烯和離子液體丙酮分散液的制備在超聲分散作用下將5mg石墨烯分散在500mL的2mg · mL—1的[BMIM] [PF6]丙酮溶液中，最終獲得0. Olmg · mL_72mg · mL—1石墨烯和離子液體丙酮分散液。含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜的制備利用提拉鍍膜儀將羥基化單晶硅片浸漬在石墨烯和離子液丙酮分散液中，浸漬 2min后，以600um · s—1的速度從分散液中退出，在氮?dú)猸h(huán)境下于120°C熱處理30min，最終得到厚度為5nm的含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜。用美國(guó)CETR公司UMT-2MT微摩擦試驗(yàn)機(jī)在100mN，2Hz的實(shí)驗(yàn)條件下，與3mmGCrl5鋼球?qū)ε寄Σ習(xí)r的微摩擦系數(shù)為0. 11，Ih 內(nèi)不破壞的承載力為IOOmN (附圖3)。實(shí)施例2 石墨烯的制備與實(shí)施例1相同。在超聲震蕩作用下，將5mg實(shí)施例1所制備的石墨烯分散在50mL的2mg · ml/1的 [BMIM] [PF6]丙酮溶液中，最終獲得0. Img · mL_72mg · mL—1的石墨烯和離子液體丙酮分散液。含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜的制備與實(shí)施例1相同。用美國(guó)CETR公司 UMT-2MT微摩擦試驗(yàn)機(jī)在lOOmN，2Hz的實(shí)驗(yàn)條件下，與3mmGCrl5鋼球?qū)ε寄Σ習(xí)r的微摩擦系數(shù)為0. 09，Ih內(nèi)不破壞的承載力達(dá)300mN(附圖3)。實(shí)施例3 石墨烯的制備與實(shí)施例1相同。在超聲震蕩作用下，將5mg實(shí)施例1所制備的石墨烯分散在25mL的2mg · ml/1的[BMIM] [PF6]丙酮溶液中，最終獲得0. 2mg · mL_72mg · mL—1的石墨烯和離子液體丙酮分散液。 含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜的制備與實(shí)施例1相同。用美國(guó)CETR公司 UMT-2MT微摩擦試驗(yàn)機(jī)在lOOmN，2Hz的實(shí)驗(yàn)條件下，與3mmGCrl5鋼球?qū)ε寄Σ習(xí)r的微摩擦系數(shù)為0. 136，Ih內(nèi)不破壞的承載力為200mN(附圖3)。
權(quán)利要求
1.一種含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜，其特征在于納米復(fù)合潤(rùn)滑膜通過(guò)以下步驟來(lái)制備A.石墨烯和離子液體丙酮分散液的制備采用氧化石墨烯為原料，通過(guò)超聲分散形成均勻穩(wěn)定的氧化石墨烯去離子水分散液， 然后將氧化石墨烯去離子水分散液和[BMIM] [BF4]去離子水溶液在超聲分散作用下充分混合；將85wt%水合胼加入到上述混合水溶液中，并于80-100°C水浴中攪拌反應(yīng)l_5h，溶液由黃褐色變?yōu)楹谏?，待溶液冷卻至室溫時(shí)，用去離子水反復(fù)清洗，抽濾，再通過(guò)離心去除多余的[BMIM] [BF4]，離心后的石墨烯室溫干燥；在超聲分散作用下將石墨烯添加到[BMIM] [PF6]丙酮溶液中，最終獲得穩(wěn)定的石墨烯和離子液體丙酮分散液；B.含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜的制備 通過(guò)98wt% H2SO4和30wt% H2O2對(duì)單晶硅片表面羥基化處理；然后利用提拉鍍膜儀將羥基化單晶硅片浸漬在石墨烯和離子液丙酮分散液中，浸漬后在氮?dú)猸h(huán)境下熱處理，最終得到含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜。
2.如權(quán)利要求1所述的潤(rùn)滑膜，其特征在于A步驟中氧化石墨烯去離子水分散液的濃度為 0. 5mg · mL_1-2mg · mL-1。
3.如權(quán)利要求1所述的潤(rùn)滑膜，其特征在于A步驟中[BMIM][BF4]去離子水溶液的濃度為 5mg · mL_1-20mg · mL-1。
4.如權(quán)利要求1所述的潤(rùn)滑膜，其特征在于A步驟中氧化石墨烯去離子水分散液和 [BMIM] [BF4]去離子水溶液的體積比為2 1-1 2。
5.如權(quán)利要求1所述的潤(rùn)滑膜，其特征在于A步驟中氧化石墨烯與85wt%水合胼的質(zhì)量比為3:1-1: 1。
6.如權(quán)利要求1所述的潤(rùn)滑膜，其特征在于A步驟中[BMIM][PF6]丙酮溶液的濃度是 l_4mg · mL—1O
7.如權(quán)利要求1所述的潤(rùn)滑膜，其特征在于A步驟中石墨烯和離子液體丙酮分散液的濃度是 0. 005mg · mL^/lmg · ml^-O. 4mg · mL_1/4mg · mL人
8.如權(quán)利要求1所述的潤(rùn)滑膜，其特征在于B步驟中羥基化單晶硅片在石墨烯和離子液丙酮分散液中的浸漬時(shí)間是l-5min。
9.如權(quán)利要求1所述的潤(rùn)滑膜，其特征在于B步驟中羥基化單晶硅片從石墨烯和離子液丙酮分散液中退出的速度是400-800um · s\
10.如權(quán)利要求1所述的潤(rùn)滑膜，其特征在于B步驟中熱處理溫度是90-150°C，熱處理時(shí)間是20-60min。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜。通過(guò)1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體對(duì)石墨烯非共價(jià)功能化處理，使獲得的石墨烯可以穩(wěn)定的分散在水和有機(jī)溶劑里，然后將石墨烯和1-丁基-3甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體混合分散在丙酮里，最后通過(guò)靜電吸附方式從分散液里制備出含石墨烯離子液體納米復(fù)合潤(rùn)滑膜。納米復(fù)合潤(rùn)滑膜兼有石墨烯高的微摩擦承載力和離子液體低的微/納摩擦系數(shù)，可用于解決MEMS等微器件的潤(rùn)滑問(wèn)題。
文檔編號(hào)C10M141/12GK102533406SQ20101060998
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者王立平, 蒲吉斌, 薛群基 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所