Grafena Oksida Doped Sulfur Alkylated: Aditif Pelumas Anti-Aus Green Unggul

Abstrak

Grafena oksida doped sulfur (SA-GO) yang disiapkan melalui sulfurasi dan alkilasi grafena oksida diterapkan sebagai aditif anti-aus hijau yang efisien untuk kondisi operasi keras mesin. Analisis spektroskopi fotoelektron X-ray mengungkapkan bahwa kandungan sulfur dari SA-GO yang dimodifikasi oktiladesilamin (sulfurasi diikuti alkilasi) meningkat 79 kali lipat dibandingkan dengan proses terbalik yang alkilasi diikuti sulfurasi, yang menunjukkan bahwa jalur persiapan adalah faktor kunci proses sulfurasi. Kandungan sulfur yang lebih tinggi dan konstitusi ikatan sulfur –C–S–C– menghasilkan efek pelumasan yang lebih baik, sementara penelitian panjang rantai modifikasi alkilasi dan konsentrasi grafena oksida doped sulfur yang dialkilasi menunjukkan bahwa SA-GO yang dimodifikasi oktilamin menunjukkan diameter bekas aus yang lebih kecil dalam rentang konsentrasi antara 1 × 10⁻⁴ dan 2,5 × 10⁻⁴ wt%. Persentase penurunan diameter bekas aus adalah 43,2% dalam minyak pelumas 928 dan 17,2% dalam minyak PAO4 sementara SA-GO yang dimodifikasi oktilamin diterapkan dengan konsentrasi 2,5 × 10⁻⁴ wt% dalam PAO4 dan 1 × 10⁻⁴ wt% dalam minyak 928, masing-masing. Kandungan sulfur dalam sampel minyak hanya 0,006~0,001 wt%, yang jauh lebih rendah dari standar kandungan sulfur yang direkomendasikan oleh ILSAC yaitu 0,5 wt%. Penelitian ini menunjukkan bahwa aditif SA-GO lebih feasible untuk pengolahan polusi yang berfokus pada pengurangan substansial kandungan sulfur dalam minyak pelumas dengan syarat meningkatkan kemampuan pelumasan.

Pendahuluan

Aditif anti-aus organik berbasis sulfur banyak digunakan dalam aplikasi minyak pelumas untuk meningkatkan kemampuan anti-aus pasangan gesekan di bawah tekanan ekstrem di mana selang minyak gagal memisahkan bagian yang bergerak, seperti minyak gigi yang mengandung sulfur [1] dan polialfa-olefin [2]. Karena sulfur aktif yang berlebihan dalam senyawa organik dapat meracuni katalis ternari sistem pengurangan emisi saat beroperasi pada cincin piston dan dinding silinder, yang telah mengakibatkan polusi lingkungan yang serius, standar wajib yang akan datang dari Komite Standarisasi dan Persetujuan Pelumas Internasional (ILSAC) [3] mewajibkan kandungan sulfur minyak pelumas kurang dari 0,5 wt%, karena kandungan sulfur yang lebih tinggi dalam pelumas dapat menurunkan kualitas gas buang mesin [4]. Untuk menyelesaikan masalah ini, banyak strategi termasuk modifikasi friksi organik seperti alkyl-cyclens bebas sulfur [5], garam kuinolinium [6], dan aditif anti-aus nanomaterial seperti BN co-doped grafena [7], SiC@grafena [8], grafena keriput [9], dan nanoscroll grafena [10] telah dikembangkan untuk mengurangi atau menghilangkan kandungan sulfur minyak pelumas. Namun, metode pengembangan di atas masih membutuhkan waktu yang lama untuk memverifikasi efek pelumasan praktis, faktor lingkungan, keamanan, dan aspek lainnya untuk akhirnya mengonfirmasi hasil aplikasi aktual.

Pekerjaan ini berfokus untuk mempersiapkan grafena oksida doped sulfur sebagai aditif anti-aus rendah sulfur yang efisien untuk kondisi operasi keras pada suhu tinggi. Berdasarkan penelitian persiapan grafena doped sulfur, nanomaterial unik dapat diperoleh melalui reaksi tiourea [11], NaHSO₃ [12], K₂S₂O₈ [13], disulfide fenil [14, 15], sulfur [16], Na₂S [17], CS₂ [18], P₄S₁₀ [19], H₂S [20], SO₂ [21], CS₂ [21], disulfide benzil [22], dan grafena oksida bajo kondisi hidrotermal atau kondisi sederhana lainnya. Setelah proses doping sulfur, grafena oksida doped sulfur dapat secara signifikan meningkatkan properti anti-aus minyak dasar. Fitur terpenting dari aditif anti-aus unik ini adalah elemen sulfur yang diancarkan dalam struktur molekular grafena oksida doped sulfur. Menambahkan grafena oksida doped sulfur dalam minyak pelumas akan secara simultan mempertahankan keuntungan aditif anti-aus yang mengandung sulfur dan mengurangi kandungan sulfur hingga ~ 1/1000 dibandingkan dengan aditif sulfur organik.

Hasil dan Pembahasan

Analisis XPS (Fig. 1) menunjukkan bahwa empat elemen, oksigen, nitrogen, karbon, dan sulfur, ada dalam grafena oksida doped sulfur. Dua jalur persiapan yang diterapkan dalam penelitian menunjukkan bahwa metode modifikasi akan secara substansial mempengaruhi komposisi kimia grafena oksida alkylated yang doped sulfur.

Grafena Oksida Doped Sulfur Alkylated: Aditif Pelumas Anti-Aus Green Unggul

SA-GO dan AS-GO diperiksa oleh XPS untuk mengevaluasi efisiensi doping sulfur dari jalur persiapan. Dibandingkan dengan kandungan sulfur AS-GO, proses doping sulfur SA-GO jauh lebih baik daripada AS-GO. Seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 1, kandungan sulfur SA-GO (1,94–3,16 at%) adalah beberapa puluh kali lebih tinggi daripada AS-GO (0,04–0,08 at%). Hasil ini juga menunjukkan bahwa alkilasi sebelum sulfurasi akan secara dramatis mengurangi titik aktif pada grafena oksida, yang mengakibatkan penurunan efisiensi yang signifikan dari sulfurasi berikutnya dari AS-GO. Karena kandungan sulfur AS-GO berada dalam rentang 0,04–0,08 at%, persiapan AS-GO menunjukkan keuntungan yang jarang dan selektivitas alkilamin dari efisiensi proses doping sulfur. Seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 1, kandungan sulfur SA-GO yang dimodifikasi oktiladesilamin meningkat 79 kali lipat dibandingkan dengan AS-GO yang dimodifikasi oktiladesilamin.

Kandungan nitrogen juga dipengaruhi oleh jalur persiapan grafena oksida doped sulfur. Dimodifikasi pertama oleh alkilamin dan kemudian dengan P₄S₁₀, persentase atom nitrogen dalam AS-GO hanya 0,36–0,65 at%, yang jelas lebih rendah daripada SA-GO (3,42–3,83 at%). Namun, nitrogen dalam SA-GO dan AS-GO sangat berbeda dari nitrogen dari grafena doped nitrogen. Nitrogen dalam SA-GO dan AS-GO terutama terletak pada kelompok fungsional alkilamin, bukan dalam struktur grafena. Namun, berdasarkan jumlah SA-GO yang ditambahkan 1~5 × 10⁻⁴ wt% dalam sampel minyak, kandungan sulfur dalam sampel minyak hanya 0,006~0,001 wt%, yang jauh lebih rendah dari standar kandungan sulfur 0,5 wt% dari ILSAC [3].

Hasil fitting puncak menunjukkan bahwa konten ikatan sangat berbeda dalam SA-GO setelah grafena oksida doped sulfur bereaksi dengan butilamin, oktilamin, laurilamin, dan oktiladesilamin. Dalam analisis S2p resolusi tinggi dari SA-GO (Fig. 2), dua puncak yang berpusat pada 161,9 eV dan 164,1 eV harus ditetapkan kepada S2p_3/2 dan S2p_1/2, masing-masing, yang merupakan puncak yang timbul dari doublet spin-orbit S2p dari ikatan –C–S–C– [11, 13]. Konfigurasi ikatan S2p_3/2 dan S2p_1/2 dapat diatribusikan pada pembentukan ikatan C=S dan C–S dalam struktur SA-GO [16]. Dua puncak lainnya sekitar 165,2 eV dan 168,1 eV dapat ditetapkan kepada ikatan –C–SO_x–C–, yang terutama berasal dari spesies oksida sulfur dalam SA-GO [15,16,17, 22]. Berdasarkan hasil fitting puncak dari Fig. 2, konfigurasi ikatan –C–S–C– dan –C–SO_x–C– dalam SA-GO dihitung dan ditunjukkan dalam Tabel 2. Setelah sulfurasi dan alkilasi GO (GO disiapkan oleh oksidasi selama 24 jam), persentase atom ikatan –C–S–C– cukup serupa dalam SA-GO yang oktilamin, laurilamin, dan oktiladesilamin digunakan sebagai reagen untuk alkilasi.

Meskipun kandungan sulfur meningkat secara signifikan setelah sulfurasi, konfigurasi ikatan –C–S–C– menunjukkan ikatan sulfur dalam struktur molekular grafena oksida, dan konfigurasi ikatan –C–SO_x–C– diatribusikan pada reaksi reduksi yang tidak sempurna dalam sulfurasi sementara P₄S₁₀ digunakan untuk bereaksi dengan grafena oksida. Dalam analisis XPS sulfur resolusi tinggi, grafena oksida yang dimodifikasi butilamin menunjukkan konten –C–S–C– terendah di antara empat alkilamin yang diterapkan dalam penelitian ini. Hasil ini menunjukkan bahwa proses alkilasi berikutnya dapat mempengaruhi konfigurasi ikatan C–S.

Analisis termogravimetri (TGA) digunakan untuk menentukan efisiensi alkilasi dari reaksi antara butilamin (GO-C4), oktilamin (GO-C8), laurilamin (GO-C12), oktiladesilamin (GO-C18), dan grafena oksida doped sulfur (waktu oksidasi grafena oksida adalah 24 jam). Seperti yang ditunjukkan dalam Fig. 3, penurunan berat GO-C12 (80,9 wt%) dan GO-C18 (73,9 wt%) jauh lebih tinggi daripada GO-C4 (39,3 wt%) dan GO-C8 (42,6 wt%) dan menunjukkan bahwa konten senyawa organik yang tergrafir kimiawi dari GO-C12 dan GO-C18 jauh lebih tinggi. Namun, senyawa organik yang tergrafir dari GO-C4 dan GO-C8 bahkan tinggi, karena penurunan berat GO hanya 3,5 wt% pada 700 °C yang menunjukkan hampir tidak ada senyawa organik yang ada dalam GO.

Alkilasi SA-GO juga dapat dikonfirmasi oleh spektrum ATR-FTIR yang ditunjukkan dalam Fig. 4. Puncak absorpsi yang kuat yang terletak sekitar ~ 2848 cm⁻¹ dan ~ 2780 cm⁻¹ ditetapkan kepada getaran peregangan ikatan C–H dari kelompok –CH₃ dan –CH₂, yang sesuai dengan hasil TGA bahwa grafena oksida doped sulfur yang dialkilasi mengandung sejumlah besar organik. Puncak yang berpusat pada ~ 1540 cm⁻¹ mewakili getaran luar bidang dari kelompok –CH₂ dan getaran deformasi asimetris. Dan puncak absorpsi yang lebar dan intens pada ~ 1050 cm⁻¹ diatribusikan pada getaran peregangan ikatan –C–N, yang menyusun ikatan amid (CO–NH) antara grafena oksida dan alkilamin. Hasil ATR-FTIR (Fig. 4) menunjukkan bahwa proses alkilasi efektif untuk persiapan grafena oksida doped sulfur yang dialkilasi.

Citra TEM dan analisis profil dari struktur nano SA-GO tipikal ditunjukkan dalam Fig. 5. Setelah filtasi, SA-GO tumpuk dalam Fig. 5a; namun, struktur nano lembar grafena masih dapat digarisbawahi oleh zona garis putus. Gambar 5b adalah citra TEM resolusi tinggi dari zona persegi yang disorot dalam Fig. 5a. Menurut analisis profil (Fig. 5e), lima lapis yang diukur dalam Fig. 5b adalah 1,452 nm, dan jarak lapis rata-rata adalah 0,363 nm, yang sangat sesuai dengan jarak interplan grafit (kartu JCPDS no. 75-1621). Pola difraksi area terpilih (SAED) (Fig. 5d) dari SA-GO hampir merupakan cincin difraksi grafit [23]. Menurut kartu JCPDS no. 75-1621, cincin difraksi dalam harus diatribusikan pada bidang kristal (002) dan yang luar ditetapkan pada bidang (101), yang menunjukkan sifat grafena dari SA-GO.

Menurut analisis Raman dari SA-GO (Fig. 6) yang disiapkan melalui reaksi oktiladesilamin dan grafena oksida doped sulfur (waktu oksidasi grafena oksida adalah 24 jam), dua puncak yang berpusat pada 1350 dan 1584 cm⁻¹ dapat diatribusikan pada pita D dan G dari SA-GO, sementara puncak sekitar 2690 cm⁻¹ ditetapkan pada pita 2D dari SA-GO [23, 24]. Puncak Raman sekitar 2440 cm⁻¹ disarankan sebagai pita C [25] atau D + D″ [26] dari grafena dan dapat dilihat dalam spektrum Raman dalam kertas [27, 28]. Nilai I_D/I_G dari GO adalah 0,986, yang sedikit lebih rendah daripada SA-GO (I_D/I_G = 1,05), dan menunjukkan bahwa struktur grafena dalam reaksi modifikasi tidak berubah secara signifikan.

Minyak dasar minyak pelumas penerbangan 928 terutama polialfa-olefin, PAO, yang merupakan alkan jenuh yang memiliki ~ 30 atom karbon. Dalam penelitian ini, minyak pelumas penerbangan 928 dan PAO4 (viskositas kinematik ~ 4 mm²/s pada 100 °C) digunakan sebagai substrat, dan kemudian grafena oksida doped sulfur yang dialkilasi ditambahkan ke dalam minyak, masing-masing, untuk mengeksplorasi properti dispersinya. Seperti yang ditunjukkan dalam Fig. 7, foto sampel minyak SA-GO menunjukkan bahwa warna sampel minyak semakin gelap seiring dengan peningkatan jumlah SA-GO. Ini seharusnya peningkatan penyerapan cahaya terlihat sejak SA-GO ditambahkan ke dalam minyak. Namun, ada sedikit endapan di dasar cuvet meskipun grafena oksida telah dimodifikasi kimiawi untuk meningkatkan dispersi. Seperti yang ditunjukkan dalam Fig. 7b dan d, warna sampel minyak kuning muda dibandingkan dengan warna sampel minyak PAO4 yang kuning muda karena warna minyak pelumas 928 adalah kuning muda. Terlihat bahwa konsentrasi SA-GO dapat secara substansial mempengaruhi intensitas penyerapan.

Untuk menganalisis secara kuantitatif dispersi dari sampel minyak SA-GO, spektrofotometer UV-vis digunakan untuk menguji penyerapan sampel minyak SA-GO. Hasilnya ditunjukkan dalam Fig. 7e dan f. Setelah endapan selama 24 jam (1440 menit), penyerapan yang dinormalisasi dari sampel minyak SA-GO menurun. Menariknya, penurunan penyerapan yang dinormalisasi dari sampel minyak konsentrasi tinggi relatif lebih lambat daripada sampel minyak konsentrasi rendah. Fenomena ini menunjukkan peningkatan yang substansial dari dispersi SA-GO yang tidak menunjukkan agregasi yang nyata bahkan pada kondisi konsentrasi yang relatif tinggi.

Dari tren menurun kurva dalam Fig. 7e dan f, metode untuk menghitung kemiringan kurva fitting linear dari ujung linear ekor penyerapan yang dinormalisasi dari SA-GO dapat secara kuantitatif menunjukkan dispersi. Seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 3, hasil perhitungan menunjukkan bahwa tren menurun dari sampel minyak SA-GO konsentrasi tinggi lebih tinggi daripada sampel minyak SA-GO konsentrasi rendah, meskipun penurunan penyerapan yang dinormalisasi dari sampel minyak konsentrasi tinggi relatif lebih lambat daripada sampel minyak konsentrasi rendah. Analisis dispersi menunjukkan bahwa SA-GO memiliki dispersi yang unggul setelah modifikasi kimiawi bahkan pada konsentrasi yang relatif tinggi; namun, sampel minyak SA-GO konsentrasi tinggi memiliki tren menurun yang lebih tinggi pada jangka panjang. Properti tribologi sampel minyak SA-GO diukur oleh uji bola empat untuk mengevaluasi efek peningkatan pelumasan dari SA-GO yang dilakukan sebagai aditif pelumas. Seperti yang disebutkan dalam bagian “Metode”, diameter bekas aus diukur setelah pengujian selesai, dan nilai beban nonseizur maksimum (P_B) juga diperoleh. Rata-rata diameter bekas aus saat SA-GO diterapkan sebagai aditif pelumas ditunjukkan dalam Fig. 8.

Pertama, rata-rata diameter sampel minyak SA-GO 928 jauh lebih kecil daripada rata-rata diameter SA-GO yang tersebar dalam minyak dasar PAO4. Fenomena ini dapat diatribusikan pada minyak pelumas 928 yang mengandung aditif anti-aus fosfat organik yang dapat secara efektif mengurangi volume aus selama geseran [29]. Aditif anti-aus yang mengandung fosfat dapat bereaksi dengan pasangan gesekan baja untuk menghasilkan tribofilm termasuk fosfat besi, fosfat ferrous, dan senyawa fosfat lainnya dalam regime pelumasan batas.

Kedua, jalur modifikasi memainkan peran penting dalam perilaku anti-aus sampel minyak SA-GO [30, 31]. SA-GO yang dimodifikasi oktilamin menunjukkan properti pelumasan yang lebih baik di antara sampel minyak termasuk minyak pelumas PAO4 dan 928. Hasil ini sesuai dengan analisis TGA yang ditunjukkan dalam Fig. 4 dan struktur molekular PAO4 atau minyak dasar dari minyak pelumas 928. Menurut TGA, penurunan berat SA-GO (yang dimodifikasi oleh oktilamin) hanya sekitar setengah dibandingkan dengan SA-GO yang dimodifikasi oleh laurilamin dan oktiladesilamin, yang berarti jumlah grafena doped sulfur dalam SA-GO yang dimodifikasi laurilamin dan oktiladesilamin hanya sekitar setengah dibandingkan dengan SA-GO yang dimodifikasi oleh oktilamin. Karena jumlah SA-GO yang ditambahkan hanya 1, 2,5, dan 5 × 10⁻⁴ wt%, masing-masing, kekurangan serius dari grafena doped sulfur dalam SA-GO yang dimodifikasi laurilamin dan oktiladesilamin akan mengakibatkan penurunan kemampuan anti-aus mereka. Di sisi lain, SA-GO yang dimodifikasi butilamin memiliki konten grafena doped sulfur yang serupa dengan SA-GO yang dimodifikasi oleh oktilamin menurut analisis TGA. Namun, dispersi SA-GO yang dimodifikasi butilamin secara inheren lebih rendah daripada SA-GO yang dimodifikasi oktilamin karena rantai karbon alkilasi dari SA-GO yang dimodifikasi oktilamin cukup dekat dengan rantai samping PAO4 atau minyak dasar dari minyak pelumas 928 [32].

Ketiga, konsentrasi SA-GO dalam sampel minyak dapat mempengaruhi kapasitas anti-aus. Banyak penelitian telah membuktikan bahwa jika konsentrasi grafena dan/atau turunannya terlalu tinggi, grafena (atau turunannya) biasanya cenderung mengagregasi dalam cairan. Dalam aplikasi pelumasan, grafena yang teragregasi tidak dapat berfungsi sebagai aditif pelumasan yang efektif, bahkan berbahaya terhadap properti tribologi. Dalam hal ini, konsentrasi SA-GO 5 × 10⁻⁴ wt% terlalu tinggi untuk aplikasi pelumasan baik dalam minyak 928 maupun PAO4, karena peningkatan yang tidak normal dari diameter bekas aus. Jadi, konsentrasi SA-GO (yang dimodifikasi oleh oktilamin) 1 dan 2,5 × 10⁻⁴ wt% dikonfirmasi dalam penelitian yang memiliki efek pelumasan yang lebih baik dalam minyak pelumas 928 (diameter bekas aus 0,25 mm) dan minyak PAO4 (diameter bekas aus 0,53 mm), masing-masing. Dibandingkan dengan minyak pelumas 928 murni dan minyak PAO4 murni, penurunan diameter bekas aus adalah 43,2% dan 17,2% dalam minyak pelumas 928 dan minyak PAO4, masing-masing. Efek peningkatan pelumasan dari SA-GO dalam minyak pelumas 928 jauh lebih baik daripada dalam minyak dasar PAO4, yang menunjukkan efek pelumasan sinergi yang unggul dari SA-GO dalam minyak pelumas 928.

Nilai beban nonseizur maksimum (P_B) dari SA-GO (disiapkan oleh grafena oksida doped sulfur dan oktilamin) dalam minyak pelumas PAO4 (Fig. 9a) dan 928 (Fig. 9b) ditentukan oleh uji bola empat. Seperti yang ditunjukkan dalam Fig. 9a, peningkatan P_B dari SA-GO cukup besar yang memiliki kenaikan 55,6% untuk nilai P_B pada konsentrasi 1 × 10⁻⁴ wt% dan 72,2% untuk nilai P_B pada konsentrasi 5 × 10⁻⁴ wt%. Hasil nilai P_B menunjukkan bahwa kekuatan selang minyak secara substansial ditingkatkan sejak SA-GO ditambahkan ke dalam sampel minyak dasar PAO4. Nilai P_B dari SA-GO yang disiapkan oleh grafena oksida doped sulfur, butilamin (File tambahan 1: Gambar S2a), laurilamin (File tambahan 1: Gambar S2b), dan oktiladesilamin (File tambahan 1: Gambar S2c) dalam PAO4 ditampilkan dalam SI, yang menunjukkan hasil yang serupa bahwa konsentrasi SA-GO yang lebih tinggi dalam PAO4 akan membantu untuk promosi nilai beban nonseizur maksimum.

Nilai P_B dari SA-GO (disiapkan oleh grafena oksida doped sulfur dan oktilamin) dalam minyak pelumas 928 (Fig. 9b) juga meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi SA-GO hingga 2,5 × 10⁻⁴ wt%. Bahkan lebih, SA-GO ditambahkan ke dalam minyak pelumas 928, tetapi nilai P_B dari sampel minyak SA-GO tidak berubah pada konsentrasi 5 × 10⁻⁴ wt%. Dibandingkan dengan SA-GO yang disiapkan oleh grafena oksida doped sulfur dan butilamin (File tambahan 1: Gambar S3a), laurilamin (File tambahan 1: Gambar S3b), dan oktiladesilamin (File tambahan 1: Gambar S3c) dalam minyak pelumas 928, SA-GO yang dimodifikasi butilamin memiliki nilai P_B yang relatif lebih rendah (82 kg) pada konsentrasi 2,5 × 10^{− 4} wt%. Namun, SA-GO yang dimodifikasi laurilamin dan oktiladesilamin dalam minyak pelumas 928 menunjukkan nilai P_B yang serupa (92 kg) dengan SA-GO yang dimodifikasi oktilamin. Fenomena ini menunjukkan bahwa jumlah SA-GO yang ditambahkan harus 2,5 × 10⁻⁴ wt% untuk mempertimbangkan efek agregasi, properti anti-aus, dan nilai P_B.

Setelah geseran gesling, analisis SEM dan EDS dari bekas aus menunjukkan bahwa sulfur dari SA-GO mungkin memainkan peran kunci dalam perilaku pelumasan reaktif untuk membentuk pelumasan batas kimia yang mengandung sulfur. Seperti yang ditunjukkan dalam Fig. 10a (citra SEM bekas aus) dan b (spektra EDS dari Fig. 10a, hasil integrasi pemindaian garis yang ditunjukkan dalam Fig. 10a yang ditandai dengan garis putus), spektra EDS dari bekas aus menggambarkan lima elemen termasuk Fe, O, C, Cr, dan S yang ada dalam bekas aus.

Kandungan sulfur dari bekas aus mencapai sejauh 0,46 at% yang jauh lebih tinggi daripada kandungan sulfur dari bekas aus dari minyak pelumas 928 murni (kandungan sulfur sekitar 0%, File tambahan 1: Gambar S4). Oleh karena itu, kandungan sulfur yang lebih tinggi dalam tribofilm sangat terkait dengan analisis diameter bekas aus rata-rata, studi dispersi, dan analisis TGA, yang menunjukkan bahwa properti anti-aus mendukung kandungan sulfur yang lebih tinggi dan persentase berat grafena yang lebih tinggi, dan dispersi mendapat manfaat dari panjang rantai karbon yang mirip dengan rantai samping minyak dasar.

Kesimpulan

SA-GO disiapkan oleh sulfurasi dan alkilasi grafena oksida. Berdasarkan analisis XPS, jalur persiapan sulfurasi diikuti alkilasi (produk adalah SA-GO) jauh lebih baik daripada alkilasi diikuti sulfurasi (produk adalah AS-GO) untuk doping sulfur dari grafena oksida. Pengujian anti-aus mengungkapkan bahwa SA-GO yang disiapkan oleh grafena oksida doped sulfur dan oktilamin memiliki diameter bekas aus terkecil (0,25 mm) dalam minyak pelumas 928 pada konsentrasi 1 × 10⁻⁴ wt%, karena aditif memiliki persentase berat grafena yang relatif tinggi (57,4 wt%), kandungan sulfur yang tinggi, (2,49 at%) dan dispersi yang baik (oktilamin memiliki panjang rantai karbon yang serupa dengan PAO4 atau minyak dasar minyak pelumas 928). Dibandingkan dengan minyak pelumas 928 murni dan minyak PAO4, persentase penurunan diameter bekas aus adalah 43,2% dalam minyak pelumas 928 dan 17,2% dalam minyak PAO4 sementara SA-GO yang dimodifikasi oktilamin diterapkan dengan konsentrasi 2,5 × 10⁻⁴ wt% dalam PAO4 dan 1 × 10⁻⁴ wt% dalam minyak 928, masing-masing. Penelitian tribologi dari grafena oksida doped sulfur menunjukkan bahwa SA-GO adalah aditif anti-aus yang efisien.

Metode

Grafena oksida alkylated yang doped sulfur dalam penelitian ini disiapkan oleh modifikasi kimia dari grafena oksida oleh P₄S₁₀ dan empat alkilamin (termasuk oktiladesilamin, laurilamin, oktilamin, dan butilamin). Penting, dua jalur persiapan berbeda diterapkan untuk memperoleh grafena oksida alkylated yang doped sulfur dengan membandingkan satu sama lain. Satu jalur yang grafena oksida pertama bereaksi dengan P₄S₁₀ dan kemudian alkilamin menghasilkan produk SA-GO, dan jalur lain yang grafena oksida pertama bereaksi dengan alkilamin dan kemudian P₄S₁₀ menghasilkan produk AS-GO.

Seperti yang ditunjukkan dalam Fig. 11, penelitian SA-GO dan AS-GO dirancang untuk membandingkan hubungan antara komposisi kimia dan performa pelumasan. Kondisi eksperimen rinci dijelaskan sebagai berikut sesuai dengan jalur persiapan SA-GO.

Persiapan Grafena Oksida Doped Sulfur

Dalam penelitian ini, grafena oksida doped sulfur disiapkan oleh reaksi antara P₄S₁₀ (grade kimia) dan grafena oksida yang disiapkan oleh metode Hummers yang dimodifikasi [33]. Kondisi eksperimen rinci dijelaskan sebagai berikut:

Tiga kimia, 3 g bubuk grafit (3500 mesh, kekurnaan > 99,9 wt%, grafit yang digunakan dalam kertas ini tersedia secara komersial di XFNANO Ltd. Co.), 1,5 g NaNO₃, dan 138 mL H₂SO₄, ditambahkan ke dalam kolong leher tiga dan diaduk selama 3 menit. Setelah dipindahkan ke dalam mandi es, 3 g KMnO₄ (grade kimia) ditambahkan secara perlahan ke dalam campuran yang telah teraduk dengan baik untuk mencegah bahaya panas berlebih, kemudian campuran ditempatkan dalam mandi minyak untuk direfluks dan diaduk selama 6, 12, dan 24 jam, masing-masing.

100 mg grafena oksida yang disiapkan dalam prosedur di atas dan 300 mg P₄S₁₀ distribusi ultrasonik dalam 20 mL N,N-dimetilformamida (DMF) dalam kolong leher tiga. Kemudian campuran direfluks bajo atmosfer N₂ pada 100 °C selama 24 jam. Setelah itu, suhu diizinkan untuk pendingin hingga suhu ruangan dan dicuci dengan asetona, alkohol, dan air DI sambil filtrasi dengan tekanan negatif dilakukan pada saat yang sama.

Persiapan Grafena Oksida Doped Sulfur Alkylated

Grafena oksida doped sulfur yang disintesis (100 mg) distribusi ultrasonik dalam 5 mL DMF dan dicampur dengan 20 mL SOCl₂ (grade kimia) untuk bereaksi bajo kondisi reflu pada 80 °C selama 24 jam. Setelah dicuci dengan tetrahydrofuran (THF) untuk menghapus SOCl₂, produk distribusi ultrasonik dalam 2 mL THF yang ditambahkan dengan 1 mL alkilamin (oktiladesilamin, laurilamin, oktilamin, dan butilamin, masing-masing), dan sistem dipanaskan pada 80 °C dan diaduk selama 24 jam. Produk kuning muda, grafena oksida alkylated yang doped sulfur, dicuci secara menyeluruh dan dikeringkan dengan vakum untuk aplikasi lebih lanjut.

Instrumen Karakterisasi dan Uji Tribologi Grafena Oksida Doped Sulfur Alkylated

Produk dalam penelitian ini dikarakterisasi oleh spektroskopi inframerah transformasi Fourier total refleksi (ATR-FTIR, PerkinElmer Spectra Two), mikroskop elektron pencitraan (SEM, Hitachi SU-8000, mode elektron sekunder, tegangan percepatan 10 kV), transmisi mikroskop elektron (TEM, TECNAI-F20 dengan tegangan percepatan 300 kV, bidang terang), difraksi area terpilih (SAED), Raman (Senterra&Veate X70, dengan argon ion laser pada 514,5 nm) dan spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS, Escalab-250Xi; fitting kurva dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Thermo Avantage v4.87 berdasarkan metode iterasi Powell dan 100 iterasi maksimum.), spektrofotometer UV-vis (Thermal Fisher, Genesys180), dan pengukuran TGA dilakukan pada analyzer TGA 8000 (PerkinElmer) dari 50 hingga 550 °C bajo N₂ dengan laju pemanasan 10 °C/min.

Minyak pelumas penerbangan 928 (tersedia secara komersial di Henan Hangcai Science and Technology Co. Ltd.) dan minyak dasar polialfa-olefin (PAO, dibeli dari Shanghai Foxsyn Chemical Science and Technology Co. Ltd.) digunakan sebagai pelumas dalam eksperimen tribologi. Semua sampel minyak grafena doped sulfur alkylated diultrasonik selama 5 menit sebelum uji tribologi. Semua eksperimen tribologi dilakukan oleh uji bola empat jenis tuas (Jinan Shijin Group Co. Ltd., MRS-10G dan MRS-10P). Kecepatan rotasi MRS-10G adalah 1450 r/min, beban adalah 392 N, dan waktu pengujian adalah 30 menit; kecepatan rotasi MRS-10P adalah 1760 r/min dan waktu pengujian adalah 10 detik. Bola baja yang digunakan dalam kertas adalah bola baja krom GCr15 seragam 12,7 mm dengan kekerasan Rockwell 59-61 HRC. Diameter bekas aus diukur oleh mikroskop optik (resolusi ± 0,01 mm). Semua kimia yang digunakan dalam kertas ini adalah grade analitik kecuali minyak dasar, minyak pelumas formulasi lengkap, dan kimia yang secara khusus dinyatakan.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data TG, TEM, dan SEM tersedia di Analisis dan Pusat Pengukuran Universitas Pertambangan dan Teknologi China untuk pemeriksaan. Data XPS, Raman, dan pemindaian EDX tersedia di Analisis dan Pusat Pengujian Universitas Teknologi Tianjin untuk pemeriksaan lebih lanjut. Data lain diperoleh di Sekolah Logistik Angkatan Udara untuk pemeriksaan.

Singkatan

AS-GO:: Grafena oksida doped sulfur disiapkan oleh alkilasi dan kemudian diikuti sulfurasi dari grafena oksida
ATR-FTIR:: Spektroskopi inframerah transformasi Fourier total refleksi
BN:: Nitrid boron
DMF:: N,N-dimetilformamida
EDS:: Spektroskopi X-ray dispersi energi
GO:: Grafena oksida
GO-C12:: Grafena oksida alkylated yang disiapkan oleh laurilamin dan grafena oksida doped sulfur (waktu oksidasi grafena oksida adalah 24 jam)
GO-C18:: Grafena oksida alkylated yang disiapkan oleh oktiladesilamin dan grafena oksida doped sulfur (waktu oksidasi grafena oksida adalah 24 jam)
GO-C4:: Grafena oksida alkylated yang disiapkan oleh butilamin dan grafena oksida doped sulfur (waktu oksidasi grafena oksida adalah 24 jam)
GO-C8:: Grafena oksida alkylated yang disiapkan oleh oktilamin dan grafena oksida doped sulfur (waktu oksidasi grafena oksida adalah 24 jam)
ILSAC:: Komite Standarisasi dan Persetujuan Pelumas Internasional
JCPDS:: Komite Standar Difraksi Bubuk Bersama
PAO4:: Minyak dasar polialfa-olefin pada 100 °C viskositas kinematik ~ 4 mm²/s
SAED:: Difraksi area terpilih
SA-GO:: Grafena oksida doped sulfur disiapkan oleh sulfurasi dan kemudian diikuti alkilasi dari grafena oksida
SEM:: Mikroskop elektron pencitraan
SiC:: Karba silikon
TEM:: Transmisi mikroskop elektron
TGA:: Analisis termogravimetri
THF:: Tetrahydrofuran
UV-vis:: Spektroskopi ultraviolet-visible
XPS:: Spektroskopi fotoelektron X-ray

Pengaruh Doping Ag pada Tipis HfOx terhadap Perilaku Switching Ambang Array Nanowira Silikon Tercepat dan Terkontrol Arah melalui Penggorehan Kimia Bantu Logam dengan Bantuan Bidang Listrik

bahan nano