Tribology International | 氧化石墨烯助力润滑剂性能瓶颈的新策略！

研究背景

水是可持续且环境友好的润滑剂，由于其广泛的可用性和对环境的低影响，近年来成为了研究热点。然而，水作为润滑剂的应用面临着一些重大挑战，主要包括其有限的承载能力和较低的润滑性能。这些限制使得水在许多需要高效润滑的领域难以发挥作用。为了克服这些问题，研究人员一直在探索各种方法来提高水的润滑性能。

研究内容

在这种背景下，兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室王廷梅、兰州交通大学国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心田广科教授合作提出了通过化学改性的方法来增强水的润滑能力。具体来说，超支化聚硅氧烷（HBPSi）由于其优异的润滑性能和亲水性，被选中作为一种有效的润滑改性剂。HBPSi具有丰富的活性末端基团，如羟基（-OH）和胺基（-NH₂），这些基团可以显著提高材料在水中的分散性和稳定性。

为了进一步增强HBPSi的性能，研究人员将其接枝到氧化石墨烯（GO）表面，形成了HBPSi-GO复合材料。氧化石墨烯由于其独特的二维结构和优异的机械性能，成为了一种理想的基底材料。通过将HBPSi接枝到GO上，不仅增强了GO在水中的分散性，还提高了整体的润滑性能。以上成果在“Tribology International”期刊上发表了题为“The synthesis of hyperbranched polysiloxane-functionalized graphene oxide with excellent water lubrication performance”的最新文章。

实验结果表明，在0.8%的添加水平下，HBPSi-GO表现出了最佳的润滑性能，摩擦系数减少了86.1%，磨损率减少了84.2%。此外，HBPSi-GO在不同测试频率下（1 Hz至5 Hz）均展示了优异的润滑性能。这种改性方法通过提高水的承载能力和促进转移膜的形成，有效地增强了水的润滑效果。

图文解读

（1）实验首次将超支化聚硅氧烷（HBPSi）成功接枝到氧化石墨烯（GO）上，得到了具有优异润滑性能的水润滑添加剂HBPSi-GO。通过这一创新的合成方法，解决了传统水润滑剂承载能力有限和润滑性能下降的问题。

（2）实验通过以下几步实现了这一目标：

• 合成过程：首先设计并合成了不同链段的超支化聚硅氧烷（R-HBPSi），然后将其接枝到氧化石墨烯上，形成了HBPSi-GO复合材料。
• 表征与分析：利用1H核磁共振（NMR）谱图和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等手段对合成的聚合物进行表征，证实了HBPSi的成功合成及其结构特性。
• 性能测试：通过摩擦实验研究了HBPSi-GO的润滑性能。结果显示，当添加量为0.8%时，HBPSi-GO的摩擦系数降低了86.1%，磨损率降低了84.2%。此外，HBPSi-GO在1 Hz至5 Hz的不同测试频率下都表现出了优异的润滑性能。
• 机制探讨：研究表明，HBPSi-GO在水中的良好分散性和在摩擦表面的吸附增强了水的承载能力，促进了转移膜的形成，从而提升了水的润滑能力。
• 应用前景：本研究提出了一种可行的策略，通过设计和合成超支化聚硅氧烷接枝氧化石墨烯，为高性能水润滑添加剂的设计和开发提供了新的思路和技术支持。

图 1 | (a) 不同链段R-HBPSi的合成路线，(b) 1H核磁共振（NMR）谱图，(c) 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）合成聚合物的信息。

图 2 | 超支化聚硅氧烷接枝氧化石墨烯。

图 3 | α-C膜的制备及水润滑摩擦测试的示意图。

图 4 |  (a-c) 是i-HBPSi-GO的IR、TG和XRD图像，(d) 和(e) 是i-HBPSi-GO的SEM图像，(f-i) 是EDX元素映射图像。

图 5 | (a) 不同水润滑添加剂随时间的摩擦曲线，(b) 平均摩擦系数和磨损率。

图 6 | (a) 不同浓度水润滑添加剂的摩擦曲线，(b) 平均摩擦系数和磨损率，(c) 水和0.8%水润滑添加剂的SEM横截面、3D显微图像和磨损轨迹的横截面。

图 7 | (a) i-HBPSi-GO与水的摩擦曲线，(b) 平均摩擦系数和磨损率。

图 8 | (a) 和(b) 分别显示水润滑条件下3N和5N载荷下的SEM摩擦轨迹，(c) 和(d) 分别显示水润滑添加剂条件下3N和5N载荷下的摩擦轨迹。

图 9 | (a) 和(c) 显示C膜与钢球之间的摩擦轨迹的SEM图像，(b) 显示C膜摩擦轨迹的拉曼图像，(d)-(g) 显示钢球摩擦表面的EDX元素映射图像。

图 10 | i-HBPSi-GO的水润滑机制。

结论展望

这项研究展示了一种通过合成超支化聚硅氧烷（HBPSi）并将其接枝到氧化石墨烯（GO）表面来改进水润滑剂性能的创新方法，提供了若干重要的科学启迪。首先，通过这种方法，我们能够克服水作为润滑剂在承载能力和润滑性能上的固有局限性。超支化聚硅氧烷因其优异的亲水性和润滑特性，可以有效地分散氧化石墨烯在水中，显著提升水的润滑性能和承载能力。这种纳米材料的加入不仅提高了水的摩擦系数降低能力，还显著减少了磨损率，证明了其在各种操作条件下的广泛适用性。

其次，这项研究证明了通过化学改性和纳米材料的组合，传统润滑剂可以获得大幅度性能提升。HBPSi-GO在不同频率测试中均表现出优异的润滑性能，这表明其在实际应用中具有良好的稳定性和可靠性。通过在水中的稳定分散和在摩擦表面的有效吸附，HBPSi-GO增强了水的承载能力，促进了转移膜的形成，提供了优异的摩擦学性能。这一发现不仅对水基润滑剂的改进具有重要意义，也为其他液体润滑剂的性能提升提供了参考。

此外，本研究提供了一种可行的策略，为高性能水润滑添加剂的设计和开发提供了新的思路和方法。通过将功能性高分子材料与纳米材料结合，创造出具有特定性能的复合材料，可以显著改善传统润滑材料的性能。这一策略的成功应用，证明了通过材料科学和化学工程的结合，可以在多个领域实现技术突破。

该工作发表在Tribology International上

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109722