Óxido de grafeno alquilado dopado com enxofre como aditivo lubrificante de alto desempenho

Resumo

O óxido de grafeno dopado com enxofre (SA-GO) preparado por sulfuração e alquilação de óxido de grafeno é aplicado como um aditivo anti-desgaste verde eficiente para condições de operação severas de motores. A análise de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X revela que o teor de enxofre de SA-GO modificado com octadecilamina (sulfuração segue alquilação) é aumentado em 79 vezes em comparação com o processo reverso que alquilação segue sulfuração, sugerindo que a rota de preparação é um fator chave do processo de sulfuração. O maior teor de enxofre e a constituição de ligação de enxofre –C – S – C– resultam em um melhor efeito de lubrificação, enquanto a investigação do comprimento da cadeia de modificação de alquilação e concentração do óxido de grafeno dopado com enxofre alquilado indica que o SA-GO modificado com octilamina mostra diâmetro menor de cicatriz de desgaste dentro da faixa de concentração entre 1 × 10 ⁻⁴ e 2,5 × 10 ⁻⁴ % em peso. A porcentagem de redução do diâmetro da cicatriz de desgaste é de 43,2% no óleo de lubrificação 928 e de 17,2% no óleo PAO4, enquanto o SA-GO modificado por octilamina é aplicado com as concentrações 2,5 × 10 ⁻⁴ % em peso em PAO4 e 1 × 10 ⁻⁴ % em peso em 928 óleo, respectivamente. O teor de enxofre nas amostras de óleo é de apenas 0,006 ~ 0,001% em peso, que é muito menor do que o padrão de teor de enxofre recomendado pela ILSAC, que é de 0,5% em peso. O trabalho de pesquisa indica que o aditivo SA-GO é mais viável para o tratamento da poluição que visa a redução substancial do teor de enxofre no óleo de lubrificação na premissa de melhorar a capacidade de lubrificação.

Introdução

Aditivos orgânicos antidesgaste à base de enxofre são amplamente utilizados na aplicação de óleos de lubrificação para promover a capacidade antidesgaste de pares de fricção sob extrema pressão em que a membrana de óleo falhou em separar as partes móveis, como óleo de engrenagem contendo enxofre [1 ] e poli-α-olefina [2]. Uma vez que o excesso de enxofre ativo em compostos orgânicos pode envenenar o catalisador ternário do sistema de redução de emissões, enquanto atua no anel do pistão e na parede do cilindro, o que tem resultado em séria poluição ambiental, o próximo padrão obrigatório do Comitê Internacional de Aprovação e Padronização de Lubrificantes (ILSAC ) [3] exige que o teor de enxofre do óleo de lubrificação seja inferior a 0,5% em peso, pois o maior teor de enxofre no lubrificante pode deteriorar a qualidade dos gases de escape do motor [4]. A fim de resolver o problema, muitas estratégias, incluindo o modificador de atrito orgânico, como alquil-ciclenos sem enxofre [5], sais de quinolínio [6] e aditivos antidesgaste de nanomateriais como grafeno co-dopado com BN [7], SiC @ grafeno [8], grafeno amassado [9] e nanoscroll de grafeno [10] têm sido desenvolvidos para reduzir ou remover o teor de enxofre de óleos lubrificantes. No entanto, os métodos de desenvolvimento acima ainda precisam de muito tempo para verificar o efeito prático da lubrificação, fator ambiental, segurança e outros aspectos para finalmente confirmar os resultados reais da aplicação.

Este artigo tem como objetivo preparar o óxido de grafeno dopado com enxofre para atuar como um aditivo antidesgaste de baixo teor de enxofre eficiente para condições operacionais adversas em alta temperatura. Com base nas pesquisas de preparação de grafeno dopado com enxofre, os nanomateriais únicos poderiam ser obtidos pelas reações de tioureia [11], NaHSO ₃ [12], K ₂ S ₂ O ₈ [13], dissulfeto de fenil [14, 15], enxofre [16], Na ₂ S [17], CS ₂ [18], P ₄ S ₁₀ [19], H ₂ S [20], SO ₂ [21], CS ₂ [21], dissulfeto de benzila [22] e óxido de grafeno sob a hidrotérmica ou outras condições simples. Após o processo de dopagem com enxofre, o óxido de grafeno dopado com enxofre pode melhorar significativamente as propriedades antidesgaste do óleo à base de enxofre. A característica mais importante do aditivo antidesgaste exclusivo é o elemento de enxofre que foi ancorado na estrutura molecular do óxido de grafeno dopado com enxofre. Adicionar óxido de grafeno dopado com enxofre no óleo de lubrificação manteria simultaneamente as vantagens dos aditivos antidesgaste contendo enxofre e reduziria o teor de enxofre para ~ 1/1000 em comparação com aditivos de enxofre orgânicos.

Resultados e discussão

A análise XPS (Fig. 1) sugere que os quatro elementos, oxigênio, nitrogênio, carbono e enxofre, existem no óxido de grafeno dopado com enxofre. Duas rotas de preparação diferentes aplicadas na pesquisa indicam que o método de modificação afetaria substancialmente a composição química do óxido de grafeno alquilado dopado com enxofre.

O inquérito XPS do SA-GO que é preparado a partir das reações da butilamina ( a ), octilamina ( b ), laurilamina ( c ), octadecilamina ( d ), e o óxido de grafeno dopado com enxofre (o tempo de oxidação do óxido de grafeno é de 24 h)

O SA-GO e o AS-GO foram examinados pelo XPS para avaliar a eficiência de dopagem com enxofre das rotas de preparação. Em comparação com o teor de enxofre do AS-GO, o processo de dopagem com enxofre do SA-GO é muito melhor do que o do AS-GO. Conforme mostrado na Tabela 1, o teor de enxofre de SA-GO (1,94–3,16 em%) é algumas dezenas de vezes do que o de AS-GO (0,04–0,08 em%). Os resultados também indicam que a alquilação antes da sulfuração reduziria dramaticamente os pontos ativos no óxido de grafeno, o que resulta em decréscimo significativo da eficiência da sulfuração seguida de AS-GO. Uma vez que o teor de enxofre do AS-GO está dentro da faixa de 0,04–0,08 a%, a preparação do AS-GO mostra uma rara vantagem e seletividade da alquilamina da eficiência do processo de dopagem com enxofre. Conforme mostrado na Tabela 1, o teor de enxofre de SA-GO modificado com octadecilamina é aumentado em 79 vezes em comparação com AS-GO modificado com octadecilamina.

O conteúdo de nitrogênio também é afetado pelas rotas de preparação do óxido de grafeno dopado com enxofre. Sendo inicialmente modificado por alquilamina e depois com P ₄ S ₁₀ , a porcentagem atômica de nitrogênio em AS-GO é apenas 0,36–0,65 em%, que é obviamente menor do que SA-GO (3,42–3,83 em%). No entanto, o nitrogênio em SA-GO e AS-GO é muito diferente do nitrogênio do grafeno dopado com nitrogênio. O nitrogênio de SA-GO e AS-GO está localizado principalmente nos grupos funcionais da alquilamina, não na estrutura do grafeno. No entanto, com base na quantidade adicionada de SA-GO de 1 ~ 5 × 10 ⁻⁴ % em peso em amostras de óleo, o teor de enxofre nas amostras de óleo é de apenas 0,006 ~ 0,001% em peso, que é muito menor do que o padrão de teor de enxofre de 0,5% em peso do ILSAC [3].

Os resultados de ajuste de pico mostram que o conteúdo da ligação é muito diferente no SA-GO após o óxido de grafeno dopado com enxofre reagir com butilamina, octilamina, laurilamina e octadecilamina. Na análise S2p de alta resolução de SA-GO (Fig. 2), dois picos centrados em 161,9 eV e 164,1 eV devem ser atribuídos a S2p _3/2 e S2p _1/2 , respectivamente, que são os picos resultantes do dupleto spin-órbita S2p da ligação –C – S – C– [11, 13]. O S2p _3/2 e S2p _1/2 as configurações de ligação podem ser atribuídas à formação das ligações C =S e C – S na estrutura do SA-GO [16]. Os outros dois picos em torno de 165,2 eV e 168,1 eV podem ser atribuídos a –C – SO _x Ligação –C–, que é principalmente derivada de espécies de óxido de enxofre em SA-GO [15,16,17, 22]. Com base nos resultados de ajuste de pico da Fig. 2, o –C – S – C– e –C – SO _x As configurações de ligação –C– no SA-GO são calculadas e demonstradas na Tabela 2. Após a sulfuração e alquilação do GO (o GO é preparado pela oxidação por 24 h), a porcentagem atômica de –C – S – C– ligação é bastante semelhante no SA-GO que octilamina, laurilamina e octadecilamina são usadas como reagentes para alquilação.

A análise de enxofre de alta resolução (2p) XPS do SA-GO que é preparado pelas reações de butilamina ( a ), octilamina ( b ), laurilamina ( c ), octadecilamina ( d ), e o óxido de grafeno dopado com enxofre (o tempo de oxidação do óxido de grafeno é de 24 h)

Embora o teor de enxofre aumente significativamente após a sulfuração, a configuração da ligação –C – S – C– indica a ligação do enxofre na estrutura molecular do óxido de grafeno, e o –C – SO _x –C– a configuração da ligação é atribuída à reação de redução incompleta na sulfuração enquanto P ₄ S ₁₀ aplicado para reagir com óxido de grafeno. Na análise XPS de enxofre de alta resolução, o óxido de grafeno modificado com butilamina mostra o menor teor de –C – S – C– entre as quatro alquilaminas aplicadas neste artigo. Os resultados indicaram que o processo de alquilação subsequente pode afetar as configurações de ligação C – S.

A análise termogravimétrica (TGA) é aplicada para determinar a eficiência de alquilação das reações entre a butilamina (GO-C4), octilamina (GO-C8), laurilamina (GO-C12), octadecilamina (GO-C18), e o enxofre óxido de grafeno dopado (o tempo de oxidação do óxido de grafeno é de 24 h). Como mostrado na Fig. 3, a perda de peso de GO-C12 (80,9% em peso) e GO-C18 (73,9% em peso) é muito maior do que a de GO-C4 (39,3% em peso) e GO-C8 (42,6% em peso ) e indica que o conteúdo dos compostos orgânicos enxertados quimicamente de GO-C12 e GO-C18 é muito mais alto. No entanto, os compostos orgânicos enxertados de GO-C4 e GO-C8 são ainda altos, uma vez que a perda de peso do GO é de apenas 3,5% em peso a 700 ° C, o que sugere que quase nenhum composto orgânico existe no GO.

A análise TGA de SA-GO que é preparada pelas reações de butilamina (GO-C4), octilamina (GO-C8), laurilamina (GO-C12), octadecilamina (GO-C18) e óxido de grafeno dopado com enxofre ( o tempo de oxidação do óxido de grafeno é de 24 h)

A alquilação de SA-GO também pode ser confirmada por espectros de ATR-FTIR mostrados na Fig. 4. Picos de absorção fortes localizados a ~ 2848 cm ^-1 e ~ 2780 cm ⁻¹ são atribuídos à vibração de alongamento das ligações C – H de –CH ₃ e –CH ₂ , o que é coincidente com os resultados de TGA de que o óxido de grafeno dopado com enxofre alquilado contém uma quantidade considerável de matéria orgânica. O pico centrado em ~ 1540 cm ⁻¹ representa a vibração fora do plano do –CH ₂ grupo e vibração de deformação assimétrica. E o pico de absorção amplo e intensivo em ~ 1050 cm ⁻¹ é atribuído ao alongamento da vibração da ligação –C – N, que compõe a ligação amido (CO – NH) entre o óxido de grafeno e as alquilaminas. Os resultados de ATR-FTIR (Fig. 4) mostram que o processo de alquilação é eficaz para a preparação de óxido de grafeno dopado com enxofre alquilado.

Os espectros ATR-FTIR do SA-GO que é preparado pelas reações de butilamina, octilamina, laurilamina, octadecilamina e óxido de grafeno dopado com enxofre (o tempo de oxidação do óxido de grafeno é de 24 h)

As imagens TEM e a análise de perfil da nanoestrutura típica do SA-GO são mostradas na Fig. 5. Após a filtração, o SA-GO é empilhado na Fig. 5a; no entanto, uma nanoestrutura semelhante a uma folha de grafeno ainda pode ser delineada por uma zona de linha tracejada. A Figura 5b é a imagem TEM de alta resolução da zona quadrada destacada na Fig. 5a. De acordo com a análise de perfil (Fig. 5e), as cinco camadas medidas na Fig. 5b são 1,452 nm e, portanto, a distância média da camada é 0,363 nm, que é altamente coincidente com o espaçamento interplanar de grafite (cartão JCPDS nº 75- 1621). Os padrões de difração de elétrons de área selecionada (SAED) (Fig. 5d) de SA-GO são quase anéis de difração de grafite [23]. De acordo com o cartão JCPDS nº. 75-1621, o anel de difração interno deve ser atribuído ao plano cristalino (002) e o externo ao plano (101), o que sugere a natureza do grafeno do SA-GO.

A análise TEM de SA-GO (que é preparada pelas reações da octadecilamina e do óxido de grafeno dopado com enxofre; o tempo de oxidação do óxido de grafeno é de 24 h). Incluindo SA-GO empilhado ( a ), a imagem TEM de alta resolução da zona quadrada marcada em a ( b ), o SA-GO disperso ( c ), o padrão de difração SAED da zona quadrada marcada em c ( d ), e a análise do espaço cristalino da posição marcada em b (e)

De acordo com a análise Raman do SA-GO (Fig. 6) que é preparada pelas reações da octadecilamina e do óxido de grafeno dopado com enxofre (o tempo de oxidação do óxido de grafeno é de 24 h), os dois picos estão centrados em 1350 e 1584 cm ⁻¹ poderia ser atribuído à banda D e G de SA-GO, enquanto o pico em torno de 2690 cm ⁻¹ é atribuído às bandas 2D do SA-GO [23, 24]. O pico Raman em cerca de 2440 cm ⁻¹ é sugerido como a banda C [25] ou D + D ″ [26] do grafeno e pode ser visto nos espectros Raman em artigos [27, 28]. O I _D / I _G valor de GO é 0,986, que é ligeiramente inferior ao de SA-GO (I _D / I _G =1,05), e indica que a estrutura do grafeno nas reações de modificação não mudou significativamente.

O espectro Raman típico de SA-GO (que é preparado pelas reações de octadecilamina e óxido de grafeno dopado com enxofre; o tempo de oxidação do óxido de grafeno é de 24 h) e GO (o tempo de oxidação do óxido de grafeno é de 24 h)

O óleo de base do óleo de lubrificação de aviação 928 é principalmente poli-α-olefina, PAO, que são alcanos saturados com ~ 30 átomos de carbono. Neste documento, o óleo de lubrificação de aviação 928 e PAO4 (a viscosidade cinemática é de ~ 4 mm ² / s a 100 ° C) são usados como substrato e, em seguida, o óxido de grafeno dopado com enxofre alquilado é adicionado aos óleos, respectivamente, para explorar suas propriedades de dispersão. Conforme mostrado na Fig. 7, as fotos das amostras de óleo SA-GO mostraram que a cor das amostras de óleo tornou-se gradualmente mais escura com o aumento da quantidade de SA-GO. Esta deve ser a crescente absorção de luz visível desde que o SA-GO foi adicionado aos óleos. No entanto, existe um pouco de sedimento no fundo das cubetas, mesmo que o óxido de grafeno tenha sido modificado quimicamente para melhorar a dispersidade. Conforme mostrado nas Fig. 7b e d, a cor das amostras de óleo é amarelo claro em comparação com a cor das amostras de óleo PAO4, porque a cor do óleo de lubrificação 928 é amarelo claro. Aparentemente, a concentração do SA-GO pode afetar substancialmente a intensidade de absorção.

As fotografias ópticas do SA-GO (que é preparado pelas reações da octadecilamina e do óxido de grafeno dopado com enxofre; o tempo de oxidação do óxido de grafeno é de 24 h) ultrassonicamente disperso no óleo base PAO4 ( a ) e o óleo de lubrificação de aviação 928 ( b ) e o PAO4 ( c ) e 928 ( d ) amostra de óleo em repouso por 24 h, respectivamente; a adsorção normalizada do SA-GO em PAO4 ( e ) e 928 ( f ) amostras de óleo ( a - d , examinado por espectrofotômetro UV-vis) com a concentração de SA-GO é 1, 2,5 e 5 × 10 ⁻⁴ % em peso em 1440 min

Para analisar quantitativamente a dispersão das amostras de óleo SA-GO, o espectrofotômetro UV-vis é aplicado para testar a absorção das amostras de óleo SA-GO. Os resultados são mostrados nas Fig. 7e e f. Após precipitação por 24 h (1440 min), a absorção normalizada das amostras de óleo SA-GO é diminuída. Curiosamente, a redução da absorção normalizada da amostra de óleo de alta concentração é relativamente mais lenta do que a das amostras de óleo de baixa concentração. O fenômeno indica a dispersão substancialmente melhorada do SA-GO, que não parecia uma agregação óbvia, mesmo sob a condição de uma concentração relativamente alta.

A partir da tendência decrescente da curva nas Fig. 7e e f, um método de cálculo da inclinação da curva de ajuste linear da extremidade da cauda linear da adsorção normalizada do SA-GO poderia demonstrar quantitativamente a dispersidade. Conforme mostrado na Tabela 3, os resultados do cálculo indicam que a tendência decrescente das amostras de óleo SA-GO de alta concentração é maior do que as amostras de óleo SA-GO de baixa concentração, embora a redução da absorção normalizada da amostra de óleo de alta concentração seja relativamente mais lenta do que isso das amostras de óleo de baixa concentração. A análise de dispersão sugere que o SA-GO tem excelente dispersão após a modificação química, mesmo em uma concentração relativamente alta; entretanto, as amostras de óleo SA-GO de alta concentração têm maior tendência de redução em longo prazo. As propriedades tribológicas das amostras de óleo SA-GO são medidas por testadores de quatro bolas para avaliar o efeito de aprimoramento da lubrificação do SA-GO, que foi realizado como um aditivo de lubrificante. Conforme mencionado na seção "Método", o diâmetro das cicatrizes de desgaste é medido após a conclusão do teste e a carga máxima de não apreensão ( P _B ) valor também é adquirido. O diâmetro médio das cicatrizes de desgaste enquanto o SA-GO é aplicado como aditivo de lubrificação é mostrado na Fig. 8.

O diâmetro médio da cicatriz de desgaste enquanto o SA-GO (preparado por GO dopado com enxofre e butilamina, octilamina, laurilamina e octadecilamina; o tempo de oxidação do GO é de 24 h) é aplicado como aditivo de lubrificação em PAO4 ( a ) e 928 ( b ) óleos

Em primeiro lugar, o diâmetro médio das amostras de óleo SA-GO 928 é muito menor do que o SA-GO disperso em óleo base PAO4. Este fenômeno pode ser um atributo do óleo lubrificante 928 que contém aditivos antidesgaste de fosfato orgânico que podem efetivamente reduzir o volume de desgaste durante o deslizamento [29]. O aditivo antidesgaste contendo fosfato pode reagir com os pares de atrito de aço para gerar tribofilme incluindo fosfato de ferro, fosfato ferroso e outros compostos contendo fosfato sob um regime de lubrificação de limite.

Em segundo lugar, a rota de modificação desempenha um papel importante no comportamento antidesgaste das amostras de óleo SA-GO [30, 31]. O SA-GO modificado com octilamina mostra melhores propriedades de lubrificação entre as amostras de óleo, incluindo os óleos de lubrificação PAO4 e 928. Os resultados são coincidentes com a análise de TGA mostrada na Fig. 4 e a estrutura molecular de PAO4 ou o óleo de base do óleo de lubrificação 928. De acordo com o TGA, a perda de peso de SA-GO (modificado por octilamina) é apenas cerca de metade em comparação com o SA-GO modificado por laurilamina e octadecilamina, o que significa a quantidade de grafeno dopado com enxofre no modificado com laurilamina e octadecilamina SA-GO é apenas cerca de metade em comparação com SA-GO modificado pela octilamina. Uma vez que a quantidade adicionada de SA-GO é apenas 1, 2,5 e 5 × 10 ⁻⁴ % em peso, respectivamente, a séria escassez de grafeno dopado com enxofre no SA-GO modificado com laurilamina e octadecilamina resultará na deterioração de sua capacidade antidesgaste. Por outro lado, o SA-GO modificado com butilamina tem conteúdo de grafeno dopado com enxofre semelhante ao SA-GO modificado por octilamina de acordo com a análise de TGA. No entanto, a dispersidade do SA-GO modificado com butilamina é intrinsecamente inferior do que SA-GO modificado com octilamina, uma vez que a cadeia de carbono alquilada do SA-GO modificado com octilamina está muito perto da cadeia lateral do PAO4 ou do óleo base da lubrificação 928 óleo [32].

Em terceiro lugar, a concentração de SA-GO nas amostras de óleo pode afetar a capacidade antidesgaste. Muitas pesquisas têm comprovado que se a concentração de grafeno e / ou seus derivados for muito alta, o grafeno (ou seus derivados) geralmente tende a se agregar em líquido. Na aplicação de lubrificação, o grafeno agregado não poderia ser realizado como um aditivo de lubrificação eficaz, mesmo prejudicial às propriedades tribológicas. Neste caso, a concentração de SA-GO de 5 × 10 ⁻⁴ % em peso é muito alto para aplicação de lubrificação em óleos 928 e PAO4, devido ao aumento anormal do diâmetro da cicatriz de desgaste. Assim, as concentrações de SA-GO (modificado pela octilamina) de 1 e 2,5 × 10 ⁻⁴ % em peso são confirmados na pesquisa que têm melhor efeito de lubrificação no óleo de lubrificação 928 (o diâmetro da cicatriz de desgaste é 0,25 mm) e óleo PAO4 (o diâmetro da cicatriz de desgaste é 0,53 mm), respectivamente. Comparado com o óleo de lubrificação 928 puro e o óleo PAO4, o decréscimo do diâmetro da cicatriz de desgaste é de 43,2% e 17,2% no óleo de lubrificação 928 e óleo PAO4, respectivamente. O efeito de aprimoramento da lubrificação do SA-GO no óleo de lubrificação 928 é muito melhor do que no óleo base PAO4, o que demonstra o excelente efeito de lubrificação sinérgica do SA-GO no óleo de lubrificação 928.

A carga máxima de não apreensão ( P _B ) o valor do SA-GO (preparado por GO dopado com enxofre e octilamina) em óleos de lubrificação PAO4 (Fig. 9a) e 928 (Fig. 9b) foi determinado pelo testador de quatro esferas. Conforme mostrado na Fig. 9a, o P _B o aprimoramento do SA-GO é bastante considerável, com um incremento de 55,6% para o P _B valor na concentração de 1 × 10 ⁻⁴ % em peso e 72,2% para P _B valor na concentração de 5 × 10 ⁻⁴ % em peso. Os resultados de P _B O valor sugere que a resistência da membrana de óleo é substancialmente aumentada desde que o SA-GO foi adicionado às amostras de óleo de base PAO4. O P _B os valores do SA-GO preparado por GO dopado com enxofre, butilamina (arquivo adicional 1:Figura S2a), laurilamina (arquivo adicional 1:Figura S2b) e octadecilamina (arquivo adicional 1:Figura S2c) em PAO4 são mostrados em SI, que indicam resultados semelhantes de que a concentração mais alta de SA-GO em PAO4 seria útil para a promoção do valor máximo de carga não apreensiva.

a , b O valor de carga máxima não apreensiva (PB) enquanto SA-GO (preparado por GO dopado com enxofre e octilamina, o tempo de oxidação do GO é de 24 h) é aplicado como aditivo de lubrificação com certa concentração em PAO4 ( a ) e 928 ( b ) óleo

O P _B valor do SA-GO (preparado por GO dopado com enxofre e octilamina) em 928 óleos lubrificantes (Fig. 9b) também aumenta com o aumento da concentração do SA-GO até 2,5 × 10 ⁻⁴ % em peso. Ainda mais, SA-GO é adicionado ao óleo de lubrificação 928, mas o P _B o valor da amostra de óleo SA-GO permaneceu inalterado na concentração de 5 × 10 ⁻⁴ % em peso. Em comparação com o SA-GO preparado por GO dopado com enxofre e butilamina (Arquivo adicional 1:Figura S3a), laurilamina (Arquivo adicional 1:Figura S3b) e octadecilamina (Arquivo adicional 1:Figura S3c) no óleo de lubrificação 928, o SA-GO modificado com butilamina tem P relativamente menor _B valor (82 kg) na concentração de 2,5 × 10 ^{- 4} % em peso. No entanto, o SA-GO modificado com laurilamina e octadecilamina em óleo de lubrificação 928 mostra P semelhante _B valor (92 kg) com o SA-GO modificado com octilamina. O fenômeno sugere que a quantidade adicionada de SA-GO deve ser 2,5 × 10 ⁻⁴ % em peso por considerar o efeito de agregação, propriedades antidesgaste e P _B valor.

Após o deslizamento por fricção, a análise de SEM e EDS da cicatriz de desgaste indica que o enxofre do SA-GO provavelmente desempenha um papel fundamental no comportamento da lubrificação reativa para formar um filme lubrificante de limite químico contendo enxofre. Como mostrado na Fig. 10a (imagem SEM da cicatriz de desgaste) e b (espectro de EDS da Fig. 10a, os resultados de integração da varredura de linha mostrada na Fig. 10a que é marcada como uma linha tracejada), o espectro de EDS da cicatriz de desgaste retrata cinco elementos, incluindo Fe, O, C, Cr e S que existem na cicatriz de desgaste.

A imagem SEM ( a ) e análise elementar EDS ( b , os resultados de integração da varredura de linha mostrados em a que é marcado como uma linha tracejada) da cicatriz de desgaste enquanto o SA-GO (preparado por GO dopado com enxofre e octilamina; o tempo de oxidação do GO é de 24 he a concentração de SA-GO é de 0,025% em peso) agiu como aditivo lubrificante no óleo de lubrificação 928

O teor de enxofre da cicatriz de desgaste chega a 0,46 em%, o que é muito maior do que o da cicatriz de desgaste do 928 puro aplicado como lubrificante (o teor de enxofre é de ~ 0%, Arquivo adicional 1:Figura S4). Assim, o maior teor de enxofre no tribofilme está fortemente relacionado com o diâmetro médio da análise de cicatriz de desgaste, o estudo de dispersão e a análise de TGA, o que sugere que as propriedades antidesgaste favorecem o maior teor de enxofre e maior porcentagem em peso de grafeno, e a dispersidade benefícios do comprimento da cadeia de carbono semelhante à cadeia lateral dos óleos básicos.

Conclusões

O SA-GO é preparado pela sulfuração e alquilação do óxido de grafeno. Com base na análise XPS, a sulfuração segue a rota de alquilação (o produto é SA-GO) que é muito melhor do que a alquilação do que a sulfuração (o produto é AS-GO) para a dopagem de óxido de grafeno com enxofre. Os testes de antidesgaste revelam que o SA-GO preparado por GO dopado com enxofre e octilamina tem o menor diâmetro de cicatriz de desgaste (0,25 mm) no óleo de lubrificação 928 na concentração de 1 × 10 ⁻⁴ % em peso, uma vez que o aditivo tem uma porcentagem em peso de grafeno relativamente alto (57,4% em peso), alto teor de enxofre (2,49 em%) e boa dispersão (a octilamina tem comprimento de cadeia de carbono semelhante em comparação com o PAO4 ou o óleo base de lubrificação 928 óleo). Comparado com o óleo de lubrificação 928 puro e o óleo PAO4, a porcentagem de redução do diâmetro da cicatriz de desgaste é de 43,2% no óleo lubrificante 928 e de 17,2% no óleo PAO4, enquanto o SA-GO modificado por octilamina é aplicado com as concentrações de 2,5 × 10 ⁻⁴ % em peso em PAO4 e 1 × 10 ⁻⁴ % em peso em 928 óleo, respectivamente. A pesquisa tribológica de óxido de grafeno dopado com enxofre sugere que o SA-GO é um aditivo antidesgaste eficiente.

Método

O óxido de grafeno alquilado dopado com enxofre neste artigo é preparado pela modificação química do óxido de grafeno por P ₄ S ₁₀ e quatro alquilaminas (incluindo octadecilamina, laurilamina, octilamina e butilamina). É importante ressaltar que duas rotas de preparação diferentes são aplicadas para obter óxido de grafeno alquilado dopado com enxofre, comparando-se mutuamente. Uma rota pela qual o óxido de grafeno reage primeiro com P ₄ S ₁₀ e então alquilaminas resulta no produto SA-GO, e outra rota que o óxido de grafeno reage primeiro com alquilaminas e então P ₄ S ₁₀ dá o produto AS-GO.

Conforme mostrado na Fig. 11, as pesquisas do SA-GO e do AS-GO são projetadas para estudar de forma contrastante a relação entre a composição química e o desempenho da lubrificação. As condições detalhadas do experimento são descritas a seguir de acordo com a rota de preparação do SA-GO.

As rotas de pesquisa contrastiva de SA-GO e AS-GO

A preparação do óxido de grafeno dopado com enxofre

Neste artigo, o óxido de grafeno dopado com enxofre é preparado pelas reações entre o P ₄ S ₁₀ (químico puro) e óxido de grafeno que é preparado pelo método Hummers modificado [33]. A condição detalhada do experimento é descrita a seguir:

Três produtos químicos, 3 g de pó de grafite (3500 mesh, pureza> 99,9% em peso, grafite usada no papel está disponível comercialmente em XFNANO Ltd. Co.), 1,5 g de NaNO ₃ , e 138 mL H ₂ SO ₄ , foram adicionados a um frasco de três gargalos e agitados durante 3 min. Depois de ser transferido para um banho de gelo, 3 g KMnO ₄ (químico puro) foi adicionado lentamente à mistura bem combinada para evitar o perigo de superaquecimento, então a mistura foi colocada em um banho de óleo para ser refluxada e agitada por 6, 12 e 24 h, respectivamente.

100 mg de óxido de grafeno preparado no procedimento acima e 300 mg P ₄ S ₁₀ foram dispersos por ultrassom em 20 mL N , N -dimetilformamida (DMF) em um frasco de três gargalos. Em seguida, a mistura foi submetida a refluxo em N ₂ atmosfera a 100 ° C durante 24 h. Depois disso, a temperatura foi deixada esfriar até a temperatura ambiente e lavada com acetona, álcool e água DI enquanto a filtração de pressão negativa foi realizada ao mesmo tempo.

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.

Disponibilidade de dados e materiais

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.

Abreviações

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:: Nitreto de boro
DMF:: N , N -dimethylformamide
EDS:: Espectroscopia de energia dispersiva de raios-X
GO:: Óxido de grafeno
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:: Comitê Conjunto de Padrões de Difração de Pó
PAO4:: The poly-α-olefin base oil at 100 °C kinematic viscosity is ~ 4 mm² /s
SAED:: Difração de elétrons de área selecionada
SA-GO:: Sulfur-doped graphene oxide prepared by sulfuration and then followed alkylation of graphene oxide
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura
SiC:: Carboneto de silício
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
TGA:: Análise termogravimétrica
THF:: Tetrahydrofuran
UV-vis:: Espectroscopia ultravioleta-visível
XPS:: espectroscopia de fotoelétrons de raios-X

Efeito da concentração de Ag disperso em filmes finos HfOx na troca de limiar Formação em alta velocidade e direção controlada de matrizes de nanofio de silício assistida por campo elétrico

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias