洋葱状富勒烯的制作方法及其润滑功能(2)

1、洋葱状富勒烯的制作方法及其润滑功能(2)针对传统 CVD 法制 NOLFs 的缺陷，李天保等15也进行了改进性研究。 他所采用的是以负载 Co2+的Y 型沸石为催化剂，乙炔为碳源，在石英管的温度达到 700 时单位催化剂的产碳率最高，可以达到66%. 电镜观察发现，此时 NOLFs 的产率也是最高的，可达产碳率体积分数的 20%以上，NOLFs 晶化程度高，直径约为 22 nm 且不含钴金属颗粒。 推测NOLFs 的生成是由于 Y 型沸石载体独特的孔笼结构选择性催化所致，其外孔笼直径为 0.74 nm,接近NOLFs 最内层碳球壳 C60的分子直径 0.71 nm.1.3 煤炭法煤炭储量丰富，

2、价格低廉，以煤炭为原材料制备 NOLFs 在经济上很有优势。但是目前用此方法制得的 NOLFs 产率极低，难以分离提纯，并且耗费大量的电能，过程难以控制，研究者们都在寻找一种低成本、低能耗及高纯度的制备方法。杜爱兵等16用低温、低能耗的射频等离子体法17,用煤炭制备了大量较纯净的石墨化程度很高的 NOLFs,并对可能的生成机理进行了讨论。 将选用的准葛尔煤干燥，粉碎，筛选后作为反应物，以及与 8%的石墨混合后作为反应物分别加入石英管反应器中，藉环绕在反应器外侧的高频线圈发生等离子体，反应完成后收集石英管壁上的产物。 XRD 图像表明，两组反应均有较多纯净的 NOLFs 生成，无CNTs 生成；

3、HRTEM 图像表明，添加石墨的煤样生成的 NOLFs 石墨化程度更高、结构更加规整、表面更光滑；单纯煤炭生成的 NOLFs 石墨化程度较低。作者认为煤炭中存在少量矿物质充当了 NOLFs 生成过程的催化剂，为其生长提供了依附体，煤中的有机大分子结构在射频等离子体作用下不断分解，在矿物质或其化合物表面生长 NOLFs.刘旭光等18则研究了以两种中国煤为原料，采用射频等离子体法制备 NOLFs 时压力对于产物的影响。作者分别采用准葛尔煤和峰峰煤，加入 8%石墨混合后作为反应物，控制反应室中的气压分别22 Pa,30 Pa 和 55 Pa. 当原料为准葛尔煤时，XRD图像表明，在 22 Pa 和

4、55 Pa 条件下生成产物相比较30 Pa 时，产生的 NOLFs 石墨化程度低、形态杂乱。由此推断，压力 30 Pa 较为适合 NOLFs 生长；对峰峰煤制得的 NOLFs 进行分析发现，和准葛尔煤所制备的 NOLFs 类似，只是石墨层数更多，颗粒更大。上述文献表明，目前 NOLFs 的制备主要还是停留在实验室制备阶段，在下一步的研究中要侧重于改进制备方法，为将来工业化制备打下基础。2 洋葱状富勒烯的润滑性能姚延立等人19将水下电弧放电法制备出的NOLFs 按照不同的质量分数添加在基础油中，并进行超声分散，利用 MRS-10A 型四球摩擦试验机测试载荷分别为 100 N,300 N 和 50

5、0 N 时的润滑性能。 添加有NOLFs 油品的摩擦因数随着添加量的增加呈现先减小后增大的趋势，在保持添加量为0.02%质量分数不变的情况下，载荷 100 N 时的摩擦因数 0.113,降幅 42%,载荷 300 N 时的摩擦因数0.073,降幅 40%,载荷 500 N 时的摩擦因数 0.089,降幅 27%.这可能是因为 NOLFs 的球状结构能够在摩擦副表面起到轴承;的作用，添加量继续增大后，由于添加剂发生团聚，可能破坏了油膜的完整性，所以使摩擦因数增大。 此外，对比载荷 300 N 时NOLFs 和碳纳米管（CNTs）的润滑性能，发现 NOLFs的减摩性能优于 CNTs,这可能是由于

6、CNTs 的链状结构容易缠结团聚所致。由于各种方法所制备的 NOLFs 中均含有大量的金属、金属氧化物及无定型碳等影响 NOLFs 润滑性能的杂质，因此孙瑞平20利用硝酸回流对NOLFs 进行了纯化处理，结果表明该法可以有效除去粗产品中的杂质，并且不会对 NOLFs 表面和结构产生影响。作者之后又通过甲苯回流法对 NOLFs进行表面化学修饰，当样品与甲苯的比例为 1 2,回流时间 2.5 h 时，NOLFs 羟基化合物形成好，修饰效果明显；而采用熔融盐法时，当样品与氢氧化钾的比例为 1 20,熔融时间为 5 min 时，有利于化合物的形成，修饰效果明显。蔺娴21则以宏源焦煤、淮南气煤为碳源，在

7、射频等离子条件下制备 NOLFs.通过控制反应中通入的氧气量，生成了 NOLFs 的羟基或羧基化合物。 研究表明，在氧气含量 4%时，NOLFs 表面所引入的羟基官能团最多。 这为 NOLFs 的化学修饰改性提供了一个方向，未来的研究可以沿着通过改性，提升其在润滑剂中的分散稳定性方向进行，可以将改性后的 NOLFs 以不同质量分数添加到基础油中，并对润滑性能进行分析。姚延立13281-286等还通过化学气相沉积法在二茂铁的催化作用下，利用乙炔为碳源制备 Fe/NOLFs,并将其作为添加剂分散在基础油中，利用四球机考察其润滑性能。 当添加量 0.02%时，极压负荷为740 N,此时磨损率达到最低

8、值，摩擦因数和基础油相比下降了 40%;添加量再继续增加，极压值和摩擦因数都显着增加，润滑性能降低。 这可能是由于Fe/NOLFs 发生聚结 ,破坏了油膜的整体性而使得润滑性能降低。因此，在下一步的研究中，可以尝试对其进行表面修饰或者采用其他的分散办法，提升Fe/NOLFs 在基础油中的分散性。在此基础上，王晓敏等22对CVD法制备的Fe/NOLFs进行硬脂酸修饰，通过四球机研究其润滑性能。将样品添加到基础油中，经过超声分散和去离子水冲洗，静止30天后观察样品，发现硬脂酸修饰的Fe/NOLFs在润滑油中没有出现明显的分层。这可能与修饰后的 Fe/NOLFs 表面能降低，具有亲油性有关。并且吸附

9、在 Fe/NOLFs 上的硬脂酸能在油中形成位阻层阻碍了 Fe/NOLFs 的碰撞团聚和重力沉淀。四球机摩擦试验表明，Fe/NOLFs 添加到基础油中确实起到了抗磨的作用，最佳的添加量约为 0.02%.这可能是由于 Fe/NOLFs 填充在摩擦副的凹坑起到了降低表面粗糙度的作用，铁颗粒在一定程度上还起到了修复的作用，其作用机理还需要进一步的研究。Jaekeun Lee 等人23研究了富勒烯纳米颗粒添加量对基础油润滑性能的影响。 作者利用圆盘-圆盘摩擦测试仪对不同体积浓度下的油样进行润滑性能测试。通过测量摩擦表面的温度及摩擦因数来评估摩擦学性能，可以得知高体积分数的富勒烯纳米颗粒有较小的摩擦因数

10、以及较低的磨损。Kwangho Lee 等24研究了富勒烯纳米颗粒在矿物油中的润滑性能。试验结果表明，含有 0.1%体积分数纳米微粒的油品有较好的润滑性能，摩擦因数相较于基础油下降了 90%.作者认为这是油品中的纳米微粒和样品粗糙表面间的相互作用产生的抛光效果，抛光效果增加，摩擦因数减小。C60可以看作是单层的NOLFs. 李积彬等25用四球机考察了 C60添加剂对液体石蜡抗磨和极压性能的影响。 结果表明，在高转速情况下，添加有C60的油样的极压性能更加优异；在转速相同的情况下，当 C60的含量达到 0.25 g/L 时，极压性能最优。通过上述文献可以看出，NOLFs 作为润滑剂添加剂有着极大

11、的潜力和发展空间，确实可以起到抗磨减摩的功效。但是目前的研究大都集中在磨损率以及摩擦因数的改变上，既没有对摩擦副表面进行深入分析，探究添加剂的作用机理，也没有研究该种添加剂对基础油的性质会带来怎样的改变。下一步的研究将侧重于作用机理和基础油性质的改变，同时研究不同的修饰改性办法提升 NOLFs 添加剂在基础油中的分散稳定性。3 结束语NOLFs 优良的润滑性能受到了越来越受到广泛的关注，就目前已有的制备方法以及作为润滑油添加剂的摩擦学性能进行了综述。之前的学者一直在试图通过改进制备方法，改变工艺流程制备出更加纯净，产量更大的 NOLFs;也有部分学者初步探究了 NOLFs 作为润滑油添加剂的摩

12、擦学性能，尝试通过表面改性提升其分散稳定性。这些研究成果都为日后 NOLFs 在工业领域的应用起着推动作用。 但是，对于 NOLFs 的生成机理以及生长过程控制的研究都还不够深入，对于 NOLFs 作为润滑油添加剂改进润滑性能的机理研究也不够深入。所以在 NOLFs 应用更加广泛的同时，还需要在宏量制备、修饰改性、作用机理等方面进行更加深入的探究，促进 NOLFs 在摩擦学领域的应用。参考文献1 Iijima S,Direct observation of the tetrahedral bonding ingraphitized carbon black by high-resolution electron mi-croscopyJ.Journal Crystals Growth,1980（50）：675-683.2 Ugarte D.Curling and closure of graphitic networks underelectron-beam irradiationJ.Nature,1992（359）：707-709.3 Sano N,Wang H,Chhowalla M,et a1.Synthesis of carbononions in waterJ.Nature,2001（