本发明涉及一种矿井提升钢丝绳用十八胺官能化氧化石墨烯润滑油的制备方法。
背景技术：
目前，矿井提升系统朝着大型化方向发展，矿井多层缠绕提升钢丝绳末端载荷可达110吨以上，提升钢丝绳属于线接触钢丝绳，钢丝绳表面的接触应力较大。然而，矿井提升机井筒运行环境恶劣，钢丝绳表面润滑油极易失效而导致钢丝绳摩擦磨损严重，直接威胁提升钢丝绳使用寿命和矿井提升安全可靠性。因此，亟需对现有提升钢丝绳润滑油进行改性，以提高其润滑性能，为降低提升钢丝绳表面摩擦磨损进而提高矿井提升钢丝绳服役寿命提供重要基础数据和技术支撑。
石墨烯是优异的减摩材料，能有效降低接触面之间的粘附和摩擦，但由于石墨烯在化学上呈惰性及其层间π-π键的相互堆叠作用，使其难以化学改性进而在润滑油中极易沉降和团聚，限制了其在润滑油中的应用。氧化石墨烯表面含有很多含氧官能团，为其化学改性提供了可能性，已有学者通过在氧化石墨烯表面接枝亲油基团提高其在非极性烃溶剂中分散稳定性，但很少有将改性材料直接添加到成品油之中。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了一种矿井提升钢丝绳用十八胺官能化氧化石墨烯润滑油的制备方法，该方法通过对添加剂的改性处理大幅提高了其在非极性润滑油中的分散稳定性，并提升了原润滑油的极压性能与抗磨性能，在较高的接触载荷下使钢丝绳的磨损面积降低40％，在较低的滑动速度下使钢丝绳摩擦系数和磨损面积分别最多降低约27％和55％。
为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种矿井提升钢丝绳用十八胺官能化氧化石墨烯润滑油的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将氧化石墨烯(go)加入到含有n-甲基吡咯烷酮(nmp)溶液的锥形瓶中，搅拌后超声分散，接着加入1-羟基-7-偶氮苯并三氮唑(hoat)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(edci)，加热搅拌后加入十八胺(oda)，升温至90-100℃并连续搅拌24h；反应结束后，用热无水乙醇多次离心洗涤沉淀物，并将沉淀物真空干燥12h，最后得到的黑色产物即为十八胺官能化氧化石墨烯(oda-go)；
步骤2，将十八胺官能化氧化石墨烯(oda-go)添加到非极性成品润滑油中制得混合物，并连续加热搅拌；
步骤3，将混合物转移到超声波清洗器之中，加热并超声分散后待油样冷却制得改性润滑油。
作为改进的是，步骤1中所述氧化石墨烯、脱水缩合剂1-羟基-7-偶氮苯并三氮唑、脱水缩合剂1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和十八胺的质量比为5:1:5:20。
作为改进的是，步骤2中非极性成品润滑油为矿井提升钢丝绳润滑油iris-550a。
作为改进的是，步骤2中搅拌速度为1000r/min，加热温度不超过50℃，时间为30min。
作为改进的是，步骤3中加热温度不超过50℃，时间为30min，超声频率为40khz。
有益效果：
与现有技术相比，本发明一种矿井提升钢丝绳用十八胺官能化氧化石墨烯润滑油的制备方法，步骤简单、可操作性高，实现石墨烯基材料在成品钢丝绳润滑油中的较稳定分散并提高了原润滑油的润滑能力，其在高载下使钢丝绳磨损面积降低40％，在低速下使钢丝绳摩擦系数和磨损面积分别最多降低约27％和55％。
附图说明
图1为氧化石墨烯go和十八胺官能化氧化石墨烯oda-go的红外吸收光谱；
图2为氧化石墨烯go和十八胺官能化氧化石墨烯oda-go的扫描电镜和透射电镜图像，其中(a)为go的扫描电镜图像，(b)为oda-go的扫描电镜图像，(c)为go的透射电镜图像，(d)为oda-go的透射电镜图像；
图3为氧化石墨烯go和十八胺官能化氧化石墨烯oda-go在iris中的分散稳定性随时间变化图像；
图4为氧化石墨烯go和十八胺官能化氧化石墨烯oda-go上层油液的吸光度值随时间变化规律，其中(a)、(b)分别为go、oda-go在iris-550a中上层油液的吸光度值随静置天数的变化情况，(c)为go、oda-go上层油样的相对吸光度在不同静置天数下的对比情况；
图5为不同添加量下十八胺官能化氧化石墨烯oda-go改性润滑油的摩擦系数曲线随时间变化规律；
图6(a)为十八胺官能化氧化石墨烯oda-go改性油的平均摩擦系数随添加量的变化情况；
图6(b)为钢球平均磨斑直径随添加量的变化情况；
图7为不同载荷下iris和十八胺官能化氧化石墨烯oda-go改性油摩擦系数及磨损面积对比，其中(a)为iris润滑、不同载荷下摩擦系数的变化规律，(b)为oda-go改性油润滑、不同载荷下摩擦系数的变化规律，(c)为iris润滑和oda-go改性油润滑下的平均摩擦系数随载荷变化情况对比，(d)为iris润滑和oda-go改性油润滑下的磨损面积随载荷变化情况对比；
图8为不同滑动速度下iris和十八胺官能化氧化石墨烯oda-go改性油摩擦系数及磨损面积对比，其中(a)为iris润滑、不同滑动速度下摩擦系数的变化规律，(b)为oda-go改性油润滑、不同滑动速度下摩擦系数的变化规律，(c)为iris润滑和oda-go改性油润滑下的平均摩擦系数随滑动速度变化情况对比，(d)为iris润滑和oda-go改性油润滑下的磨损面积随滑动速度变化情况对比。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。下列实施例中未注明具体条件的实施方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
(1)将500mg的go加入到含有500mlnmp溶液的锥形瓶中，磁力搅拌30min后超声分散30min，以保证go在nmp中完全分散；
(2)加入100mghoat、500mgedci，60-80℃下磁力搅拌30min；
(3)加入2goda，升温至90-100℃连续搅拌24h；
(4)反应结束后，用热无水乙醇多次离心洗涤沉淀物，并在80℃下真空干燥12h，得到的黑色产物即为oda-go；
(5)用球磨机将干燥后的oda-go磨细以备后续使用。
实施例1制备的oda-go粉末表征其化学结构与表面形貌。图1为go和oda-go的红外吸收光谱，特征吸收峰的位置及振型已在图上标出，其中各符号的含义为：υs为对称伸缩振动、υas为反对称伸缩振动、δ为剪切振动、ρ为平面摇摆振动。可以看出，go中各含氧官能团的振动强度都较高对应数量较多，而oda-go中含氧官能团的振动强度大幅降低对应数量大幅减少，与此同时其ch2各种类型振动峰的强度都较高(特别是在2919、2849cm-1处的υasch2和υsch2)，说明烷基链接枝密度较高，此外，对比go其c＝o(1735cm-1)振动信号的消失及新出现的c＝o(1647cm-1)、n-h(3261，1572cm-1)和c-n(1162cm-1)振动峰说明十八胺通过酰胺键嫁接在go的羧基上。
图2为go和oda-go的电镜图像，其中图2(a)，2(b)分别为go和oda-go的扫描电镜图像、图2(c)，图2(d)分别为go和oda-go的透射电镜图像。由图可知，go为较薄的片层状结构，表面有细微的褶皱，褶皱与含氧官能团的外引入缺陷有关，oda-go为无序且较厚的片层状结构，褶皱和堆叠形貌较多，部分小的碎片堆积在基体表面或者四处散落，说明烷基链的大量接枝导致其层状结构部分被破坏。
实施例2
(1)将100g矿井提升钢丝绳润滑油iris-550a加入洁净的烧杯中；
(2)称取0.05ggo粉末加入烧杯，将烧杯放入磁力搅拌器中，水浴加热至不超过50℃，并以1000r/min的速率连续搅拌30min；
(3)将烧杯转移到加热至不超过50℃的超声波清洗器中，并以40khz的频率超声分散30min；
(4)将烧杯取出并冷却至室温，得到go分散浓度为0.05wt％的矿井提升钢丝绳改性润滑油，即为go改性油_0.05wt％。
实施例3
(1)将100g矿井提升钢丝绳润滑油iris-550a加入洁净的烧杯中；
(2)称取0.025goda-go粉末加入烧杯，将烧杯放入磁力搅拌器中，水浴加热至不超过50℃，并以1000r/min的速率连续搅拌30min；
(3)将烧杯转移到加热至不超过50℃的超声波清洗器中，并以40khz的频率超声分散30min；
(4)将烧杯取出并冷却至室温，得到oda-go分散浓度为0.025wt％的矿井提升钢丝绳改性润滑油，即为oda-go改性油_0.025wt％。
实施例4
(1)将100g矿井提升钢丝绳润滑油iris-550a加入洁净的烧杯中；
(2)称取0.05goda-go粉末加入烧杯，将烧杯放入磁力搅拌器中，水浴加热至不超过50℃，并以1000r/min的速率连续搅拌30min；
(3)将烧杯转移到加热至不超过50℃的超声波清洗器中，并以40khz的频率超声分散30min；
(4)将烧杯取出并冷却至室温，得到oda-go分散浓度为0.05wt％的矿井提升钢丝绳改性润滑油，即为oda-go改性油_0.05wt％。
实施例5
(1)将100g矿井提升钢丝绳润滑油iris-550a加入洁净的烧杯中；
(2)称取0.075goda-go粉末加入烧杯，将烧杯放入磁力搅拌器中，水浴加热至不超过50℃，并以1000r/min的速率连续搅拌30min；
(3)将烧杯转移到加热至不超过50℃的超声波清洗器中，并以40khz的频率超声分散30min；
(4)将烧杯取出并冷却至室温，得到oda-go分散浓度为0.075wt％的矿井提升钢丝绳改性润滑油，即为oda-go改性油_0.075wt％。
实施例6
(1)将100g矿井提升钢丝绳润滑油iris-550a加入洁净的烧杯中；
(2)称取0.1goda-go粉末加入烧杯，将烧杯放入磁力搅拌器中，水浴加热至不超过50℃，并以1000r/min的速率连续搅拌30min；
(3)将烧杯转移到加热至不超过50℃的超声波清洗器中，并以40khz的频率超声分散30min；
(4)将烧杯取出并冷却至室温，得到oda-go分散浓度为0.1wt％的矿井提升钢丝绳改性润滑油，即为oda-go改性油_0.1wt％。
通过观察记录实施例2、4所制备的go/oda-go分散浓度为0.05wt％的矿井提升钢丝绳改性润滑油的沉淀情况，验证oda-go对比go在iris中分散稳定性的提升。图3为go和oda-go在iris中的分散稳定性随时间变化图像，as代表超声分散结束之后，可以看出，go在iris中的沉淀速率较快，其在静置1天后已明显沉淀，静置5天后基本沉淀完全，然而oda-go油样在外观上一直呈现致密的黑色，即使一个月后分散体也没有明显的褪色，说明其分散稳定性很好。
为进一步定量分析两种材料的沉淀情况，采用紫外可见分光光度计测试实施例2、4所制备的go/oda-go改性油(分散浓度都为0.05wt％)上层油液的吸光度值随时间变化情况，其结果如图4和表1所示。
表1oda-go对比go在iris-550a中的相对吸光度随静置时间的变化情况
从表1可以看出，随着静置天数的增加，油样的吸光度呈下降趋势，go油样在静置两天后的相对吸光度下降至22.25％，综合图4(c)直线斜率的绝对值较大说明go在前两天内沉淀速率较快(第一天最快)，后面沉淀速率逐步减慢，而oda-go油样在静置5天后的相对吸光度只下降了5％左右，说明前5天其基本无沉淀，静置10天后其相对吸光度为68.53％，远大于go油样的11.79％，说明oda-go较go在iris中的分散稳定性有了很大提升。
下面通过四球机试验测试实施例3-6所制备的矿井提升钢丝绳改性氧化石墨烯润滑油的润滑性能，极压性能试验(依据gb/t3142-2019(试验温度为常温、主轴转速为1450r/min、试验时间为10s))结果见表2。
表2oda-go改性油的pb值随添加量的变化情况
pb值代表油膜的强度，由表2可知，iris的pb值最低为265n，改性油的pb值随着oda-go添加量的增多而增大，当添加量为0.1wt％时，改性油的pb值提高了26％。
抗磨减摩性能试验(依据nb/sh/t0189-2017(试验温度为75℃、主轴转速为1200r/min、试验加载力为147n，试验时间为60min))结果见图5和图6。
图5为不同添加量下oda-go改性油的摩擦系数曲线随时间变化规律，可以看出，iris具有数值较高且波幅较大的摩擦系数曲线，在2800s附近，摩擦系数激增、油膜破裂，说明其减摩能力和极压性能较差。相比而言，oda-go油样的摩擦系数及其波幅较小，说明改性材料的加入提高了油膜的强度和稳定性，同时起到了减摩的作用。
如图6所示，随着添加量的增多，oda-go油样的平均摩擦系数和钢球平均磨斑直径都呈现出先减小后增大的趋势，这是由于当添加量过少时，改性材料形成的油膜强度较低，而当添加量过多时，它们又会团聚及沉淀，团聚体不能有效进入极小的摩擦间隙之间或者其充当磨粒产生磨粒磨损。当oda-go的添加量为0.05wt％时，改性油的平均摩擦系数和平均磨斑直径分别为(0.113，537μm)，较iris(0.143，590μm)分别减少了(21％，9％)。因此，oda-go在iris中的最优添加量为0.05wt％。
考虑到钢丝绳间的接触应力较大，选取实施例6所制备的oda-go分散浓度为0.1wt％的矿井提升钢丝绳改性润滑油进行钢丝绳滑动摩擦磨损试验，分别考虑不同接触载荷和滑动速度下oda-go改性油对比iris对钢丝绳摩擦磨损的影响。试验选用6×19 fc右交互捻热镀锌麻芯钢丝绳，该类钢丝绳由6股(每股19根丝)独立的钢丝绳股围绕中间麻芯交互捻制而成，其化学组成见表3，结构参数见表4。
表3试验用钢丝绳化学元素组成
表4试验用钢丝绳参数
图7为不同载荷下iris和oda-go改性油摩擦系数及磨损面积对比，所有试验钢丝绳间的滑动速度都为18mm/s，滑动距离都为16200mm，各例取滑动距离最后1200mm内摩擦系数的平均值作为平均摩擦系数。由图7(a)可知，iris润滑时，随着滑动距离的增加，各接触载荷下摩擦系数都呈现出先增大后减小最后平稳的趋势，当载荷为230n时，摩擦系数曲线在前中期呈现锯齿状，说明该载荷下油膜发生破裂产生暂时性的局部干摩擦，随后油膜修复，摩擦系数逐步降低并达到平稳。由图7(b)可知，oda-go改性油润滑时，不同载荷下的摩擦系数曲线都呈现出先增大后减小最后平稳的趋势，当载荷为230n时，绳间摩擦系数始终较平稳且数值较低，未像iris一样产生干摩擦的状态，说明oda-go改性油的极压性能较iris有所提高，油膜的稳定性较好，这与四球机的结果相一致。由图7(c)可知，iris和oda-go改性油润滑下的平均摩擦系数都具有随接触载荷的增大而减小的总体趋势，但oda-go改性油润滑下的平均摩擦系数普遍较高。如图7(d)所示，两种油样的磨损面积都随接触载荷的增大而增大，但oda-go改性油润滑下的磨损面积均减少，特别是在接触载荷为230n时，由于未产生干摩擦，其磨损面积降低了40％左右。综上所述，oda-go改性油较iris在大部分载荷下提高了绳间摩擦系数，但增强了油膜的强度，有效降低了磨损，最多降低40％。
图8为不同滑动速度下iris和oda-go改性油摩擦系数及磨损面积对比，所有试验钢丝绳间的接触载荷都为100n，滑动距离都为16200mm，各例取滑动距离最后1200mm内摩擦系数的平均值作为平均摩擦系数。由图8(a)可知，iris润滑时，随着滑动距离的增加，各滑动速度下摩擦系数都呈现出先增大后减小最后平稳的特征，当滑动速度为6mm/s时，其最大摩擦系数达到0.225(摩擦系数最大峰值点处)，明显高于滑动速度为12mm/s和18mm/s的情形，说明低滑动速度下绳间磨合期较长，摩擦系数也相对较大。由图8(b)可知，oda-go油样润滑时，不同滑动速度下摩擦系数曲线较iris变化更平稳且数值较低，磨合期所历经的滑动距离较iris有所减少。由图8(c)可知，iris润滑绳间平均摩擦系数随滑动速度的增大而减小，oda-go改性油润滑则略有不同，在滑动速度为6mm/s、12mm/s和18mm/s时，绳间平均摩擦系数较iris润滑分别降低15％、27％和11％。由图8(d)可知，iris润滑时，磨损面积随滑动速度的增大递减，而oda-go改性油润滑时略有不同，在滑动速度为6、12、18mm/s下对应的磨损面积较iris润滑分别减少55％、0.6％、26％。综上所述，oda-go改性油较iris在不同滑动速度下均降低绳间摩擦磨损，摩擦系数最多降低27％，磨损最多降低55％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
1.一种矿井提升钢丝绳用十八胺官能化氧化石墨烯润滑油的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将氧化石墨烯加入到含有n-甲基吡咯烷酮溶液的锥形瓶中，搅拌后超声分散，接着加入1-羟基-7-偶氮苯并三氮唑、1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亚胺盐酸盐，加热搅拌后加入十八胺，升温至90-100℃并连续搅拌24h；反应结束后，用热无水乙醇多次离心洗涤沉淀物，并将沉淀物真空干燥12h，最后得到的黑色产物即为十八胺官能化氧化石墨烯；
步骤2，将十八胺官能化氧化石墨烯添加到非极性成品润滑油中制得混合物，并连续加热搅拌；
步骤3，将混合物转移到超声波清洗器之中，加热并超声分散后待油样冷却制得改性润滑油。
2.根据权利要求1所述的一种矿井提升钢丝绳用十八胺官能化氧化石墨烯润滑油的制备方法，其特征在于，步骤1中所述氧化石墨烯、脱水缩合剂1-羟基-7-偶氮苯并三氮唑、脱水缩合剂1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亚胺盐酸盐和十八胺的质量比为5:1:5:20。
3.根据权利要求1所述的一种矿井提升钢丝绳用十八胺官能化氧化石墨烯润滑油的制备方法，其特征在于，步骤2中非极性成品润滑油为矿井提升钢丝绳润滑油iris-550a。
4.根据权利要求1所述的一种矿井提升钢丝绳用十八胺官能化氧化石墨烯润滑油的制备方法，其特征在于，步骤2中搅拌速度为1000r/min，加热温度不超过50℃，时间为30min。
5.根据权利要求1所述的一种矿井提升钢丝绳用十八胺官能化氧化石墨烯润滑油的制备方法，其特征在于，步骤3中加热温度不超过50℃，时间为30min，超声频率为40khz。
技术总结