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褶皱石墨烯助力改善石油

发布时间:2019-03-12 00:58:50

摘要:与商业润滑剂相比,自分散在润滑油中的褶皱石墨烯能够更好地减少摩擦、保护发动机。

当一辆汽车的发动机润滑不够时,它可能对经济乃至环境造成重击。一般而言,汽车的燃油消耗有15%源于发动机及传动设备的润滑过程。摩擦严重时,齿轮需要更用力地工作才能转动。这也意味着汽车将会消耗更多的燃油,同时向环境中排放更多的CO2。“每一年,成百万吨燃料因为克服摩擦而被浪费掉,”美国西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程专业副教授Jiaxing Huang说道,“这是一个严峻的问题。”

人们一边利用润滑油降低摩擦,一边在寻找增强润滑油性能的添加剂。Huang以及他的合作者发现,

褶皱石墨烯助力改善石油

褶皱石墨烯球是一个极具潜力的润滑剂。在一系列测试中,加入褶皱石墨烯球的润滑油,无论是降低摩擦还是降低钢材表面磨损,润滑效果都比传统商业润滑剂高15%。

该研究项目获得了美国海军研究办公室的资助,相关成果已经以论文的形式发表于1月25日的《美国国家科学院院刊》上。 Huang所带的研究生Xuan Dou是该论文的作者。其他作者分别是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程专业教授Yip-Wah Chung、力学工程专业教授Q. Jane Wang。

大概五年前,Huang发现了褶皱石墨烯球。它是一种新的极细的粒子,形如褶皱的纸球。对带有石墨烯片材的细水滴进行干燥即可得到该粒子。“水蒸发过程中产生的毛细力可将片材蜷成一个尽可能小的纸球,”Huang说道,“就像我们用手将纸捏成球状一样。”不久之后,Huang在香港进午餐时对Chung解释了这个现象,他将一张餐巾捏成纸球状并将其抛着玩。“当球掉到桌面时,它会继续滚动,”Chung回忆道,“它使我想起了轴承,为了降低摩擦而在不同表面之间进行滚动。”那一瞬间就决定了后来两个教授以及Wang的合作。Wang和Chung正致力于编写一本新的摩擦学百科全书。

早期,人们便对纳米粒子特别是碳纳米颗粒对润滑油润滑效果的影响进行过研究。然而这些粒子不能很好地在石油中分散,倾向于聚集在一起,降低了原本的润滑效果。这些粒子可能在齿轮的界面之间形成聚集体,增加摩擦和损耗。为了克服这个问题,以前的研究人员试图通过加入表面活性剂促进它们的分散。但这并不能从根本上解决这个问题。“在摩擦过程中,表面活性剂分子极可能被移除或分解,”Chung说道,“如果发生了这种情况,这些纳米粒子又会重新聚集。”

由于褶皱石墨烯球本身独特的外形,它们不需要亲油性分散剂即可实现自分散。其尖尖的表面使得它们难以在彼此之间形成紧密联系。即使将它们揉在一起,在外力去除后也容易再次分开。

Huang以及他的团队也发现,褶皱石墨烯球的表现与其在润滑油中的浓度关系不大。“只需少量添加即可实现润滑效果增强,浓度超过10%以后,其性能提高并不明显,”Huang说道,“对于其他碳纳米粒子添加剂,其性能表现对浓度十分敏感。你必须找到合适的浓度。”

“寻找浓度的困难在于实际操作中,被润滑的表面周围,其粒子的局部浓度会发生浮动,”Wang补充说道,“对于大多数添加剂粒子而言,这会导致润滑效果的不稳定。”

接下来,这个团队计划探索褶皱的石墨烯粒子增强石油所带来的其他影响,比如它们可以作为载体。这种球状粒子具有高表面积以及较多的内部空间,可作为其他添加剂分子的良载体,比如缓蚀剂。

翻译/彭爽娟审稿/檀泽浩

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