Page 172 - 《摩擦学学报》2021年第5期
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第 5 期 陈广炎, 等: 石墨烯润滑添加剂合成与结构调控 761
(a) (b) (c) (d)
500 nm 100 nm 100 nm 100 nm
Fig. 1 Topography of less-wrinkled graphene by assisted thermal reduction(a, b) and graphene with direct thermal reduction(c, d) [91]
图 1 辅助热还原的少褶皱石墨烯(a，b)与直接热还原的石墨烯(c，d)形貌图 [91]
2.1 物理修饰 墨烯，该石墨烯作为水基添加剂具有良好的润滑效果.
在合成过程中，通过非共价官能化进行物理修饰 石墨烯的含氧量越高，极性越大，在水基润滑剂中分
是改善石墨烯界面性质的一种途径. 常见的方法就是 散越好. Song等 [101] 通过改进的Hummers方法制备了不
添加表面活性剂，如油酸、吐温80等. 这些表面活性剂 需任何分散剂或改性剂就能在水中稳定分散的氧化
可以包裹在石墨烯周围，从而形成石墨烯的可溶性复 石墨烯纳米片，该添加剂能明显提高水的减摩抗磨性
合物. 该修饰方法是通过石墨烯和表面活性剂分子之 能. 此外，还可以对石墨烯进行羧基改性 [102] ，即使数周
间强大的物理相互作用力(范德华力、氢键等)实现的. 之后仍然具有出色的分散稳定性.
这种物理作用降低了石墨烯的表面张力，从而防止了 尽管化学改性法能使石墨烯具备良好的分散性
石墨烯之间的团聚. 而表面带有活性剂分子的石墨烯 能，但是在化学反应过程中石墨烯的微观结构遭到破
之间也可通过静电/空间斥力来克服相互吸引，从而实 坏，其本征润滑性能受到影响. 因此，研究人员希望能
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现稳定分散 . 然而，这种物理修饰的石墨烯的润滑 从石墨烯自身出发来提高其分散稳定性，而不添加其
稳定性较差，这是因为表面活性剂分子在恶劣的摩擦 他化学试剂.
工况下易分解和退化. 2.3 微观结构调控
2.2 化学结构改性 研究表明，调整石墨烯润滑添加剂自身的微观结
石墨烯的化学结构主要包括含氧量、原子掺杂和 构也能实现良好的分散稳定性. 二维的石墨烯正如一
官能团修饰. 对其化学结构改性是当前广泛使用的主 张纸，几张纸堆叠在一起不易分开，但只要把纸揉成
要基于石墨烯上含氧官能团共价反应(酯化反应、酰 纸团，就能使纸团之间的相互作用力非常低，这与其
胺反应和羰基反应)的石墨烯润滑添加剂的合成方 粗糙的表面纹理和较小的接触面积有关 [103] . 受此启
法 [94-97] . 对于不同极性的润滑液介质，石墨烯的改性方 发，通过气溶胶毛细管压缩方法合成的 “纸团型”石
法也大不相同：(1)油基润滑剂. 对于非极性油而言，如 墨烯球可以依靠自身结构稳定地分散在润滑剂中，而
PAO基础油、液体石蜡等，常见的改性剂有十八烷基 无需任何表面改性 [104-106] ，如图2所示. 此外，还可以通
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胺、伯胺和氨基硅氧烷等 ，它们具有两亲性，亲水基 过调控石墨烯的层间距来减少石墨烯添加剂之间的
团可以与石墨烯上的羟基、羧基形成共价键，而亲油 相互作用. 通过KOH辅助合成的具有高剥离态的石墨
的烷烃基则易于溶解在润滑液中，从而促进了石墨烯 烯纳米片更易与润滑液分子相互作用，从而增加了石
在有机润滑液中的分散. Zhang等 将烷烃基修饰到 墨烯的空间位阻以防止其团聚 [107] . 类似地，通过在石
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氧化石墨烯边缘上，得到的烷基化石墨烯润滑添加剂 墨烯表面负载纳米颗粒的合成方法也是利用了纳米
分散性良好，其摩擦系数一直在0.1附近波动. 对于极 颗粒来扩大石墨烯的层间距，减少石墨烯片层间的紧
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性油而言，如PEG基础油、菜籽油、大豆油等，石墨烯 密接触，从而使其更稳定地分散在润滑液中 .
则需修饰羟基、氨基等极性基团. Song等 [100] 通过聚多 综上所述，为了提高石墨烯润滑添加剂的分散稳
巴胺上富含的极性基团对石墨烯进行改性，制备了在 定性，物理修饰法是较为简便和经济的方法，但也存
豆油中稳定分散的铜/聚多巴胺/石墨烯复合润滑添加 在着活性剂退化的问题，不适用于需要长期润滑的工
剂，摩擦系数稳定在0.05左右. (2)水基润滑剂. 石墨烯 况. 化学结构改性法能提供非常理想的分散性能，但
通常带有一些含氧官能团，在水中有一定的分散能力. 改性的同时也破坏了石墨烯原始的结构和性能. 对石
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赵海朝等 采用液相超声直接剥离法制备出少层石 墨烯进行微观结构调控以实现其自分散是一种有前
