Sulfur-Doped Alkylated Graphene Oxide sebagai Aditif Pelumas Berkinerja Tinggi

Hasil dan Diskusi

Analisis XPS (Gbr. 1) menunjukkan bahwa empat elemen, oksigen, nitrogen, karbon, dan belerang, ada dalam oksida graphene yang didoping belerang. Dua rute preparasi berbeda yang diterapkan dalam penelitian menunjukkan bahwa metode modifikasi akan secara substansial mempengaruhi komposisi kimia dari grafena oksida teralkilasi yang didoping belerang.

Survei XPS SA-GO yang disiapkan oleh reaksi butilamin (a ), oktilamin (b ), laurilamine (c ), oktadesilamina (d ), dan graphene oxide yang didoping sulfur (waktu oksidasi graphene oxide adalah 24 h)

SA-GO dan AS-GO diperiksa oleh XPS untuk mengevaluasi efisiensi doping belerang dari rute persiapan. Dibandingkan dengan kandungan belerang AS-GO, proses doping belerang SA-GO jauh lebih baik daripada AS-GO. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, kandungan sulfur SA-GO (1,94–3,16 at%) beberapa lusin kali lipat dari AS-GO (0,04–0,08 at%). Hasilnya juga menunjukkan bahwa alkilasi sebelum sulfurasi akan secara dramatis mengurangi titik aktif pada oksida graphene, yang menghasilkan penurunan efisiensi yang signifikan dari sulfurasi AS-GO yang diikuti. Karena kandungan belerang AS-GO berada dalam kisaran 0,04-0,08 at%, persiapan AS-GO menunjukkan keuntungan yang langka dan selektivitas alkilamin dari efisiensi proses doping belerang. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, kandungan sulfur dari SA-GO yang dimodifikasi oktadesilamin meningkat 79 kali lipat dibandingkan AS-GO yang dimodifikasi oktadesilamin.

Kandungan nitrogen juga dipengaruhi oleh rute persiapan graphene oxide yang didoping belerang. Dimodifikasi terlebih dahulu oleh alkilamin dan kemudian dengan P₄ S₁₀ , persen atom nitrogen di 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 jauh berbeda dari nitrogen dari graphene doping nitrogen. Nitrogen SA-GO dan AS-GO terutama terletak pada gugus fungsi alkilamin, bukan pada struktur graphene. Namun, berdasarkan SA-GO menambahkan jumlah 1~5 × 10 ⁻⁴ wt% dalam sampel minyak, kandungan sulfur dalam sampel minyak hanya 0,006~0,001 wt%, yang jauh lebih kecil dari standar kandungan sulfur 0,5 wt% dari ILSAC [3].

Hasil peak fitting menunjukkan bahwa kandungan ikatan pada SA-GO jauh berbeda setelah graphene oxide yang didoping sulfur direaksikan dengan butylamine, octylamine, laurylamine, dan octadecylamine. Dalam analisis S2p ​​resolusi tinggi SA-GO (Gbr. 2), dua puncak berpusat pada 161.9 eV dan 164.1 eV harus ditetapkan ke S2p_3/2 dan S2p_1/2 , masing-masing, yang merupakan puncak yang dihasilkan dari doublet spin-orbit S2p dari ikatan –C–S–C– [11, 13]. S2p_3/2 dan S2p_1/2 konfigurasi ikatan dapat dikaitkan dengan pembentukan ikatan C=S dan C-S dalam struktur SA-GO [16]. Dua puncak lainnya di sekitar 165.2 eV dan 168.1 eV dapat ditetapkan ke –C–SO_x –C– ikatan, yang terutama berasal dari spesies oksida belerang di SA-GO [15,16,17, 22]. Berdasarkan hasil pas puncak dari Gambar. 2, –C–S–C– dan –C–SO_x Konfigurasi ikatan –C– dalam SA-GO dihitung dan ditunjukkan pada Tabel 2. Setelah sulfurasi dan alkilasi GO (GO dibuat dengan oksidasi selama 24 h), persentase atom –C–S–C– ikatan sangat mirip di SA-GO bahwa oktilamin, laurilamin, dan oktadesilamin digunakan sebagai reagen untuk alkilasi.

Analisis XPS sulfur (2p) resolusi tinggi dari SA-GO yang dibuat dengan reaksi butylamine (a ), oktilamin (b ), laurilamine (c ), oktadesilamina (d ), dan graphene oxide yang didoping sulfur (waktu oksidasi graphene oxide adalah 24 h)

Meskipun kandungan belerang meningkat secara signifikan setelah belerang, konfigurasi ikatan –C–S–C– menunjukkan ikatan belerang dalam struktur molekul grafena oksida, dan –C–SO_x Konfigurasi ikatan –C– dikaitkan dengan reaksi reduksi yang tidak sempurna dalam sulfurasi sedangkan P₄ S₁₀ diterapkan untuk bereaksi dengan graphene oxide. Dalam analisis XPS belerang resolusi tinggi, oksida graphene termodifikasi butilamina menunjukkan kandungan –C–S–C– yang paling rendah di antara empat alkilamin yang diterapkan dalam makalah ini. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses alkilasi selanjutnya dapat mempengaruhi konfigurasi ikatan C–S.

Analisis termogravimetri (TGA) diterapkan untuk menentukan efisiensi alkilasi reaksi antara butilamina (GO-C4), oktilamin (GO-C8), laurilamine (GO-C12), oktadesilamin (GO-C18), dan sulfur- oksida graphene yang didoping (waktu oksidasi graphene oxide adalah 24 h). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, penurunan berat badan 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 kandungan senyawa organik yang dicangkok secara kimia dari GO-C12 dan GO-C18 jauh lebih tinggi. Namun, senyawa organik yang dicangkok dari GO-C4 dan GO-C8 bahkan lebih tinggi, karena kehilangan berat GO hanya 3,5 wt% pada 700 °C yang menunjukkan bahwa hampir tidak ada senyawa organik di GO.

Analisis TGA SA-GO yang dibuat dari reaksi butylamine (GO-C4), octylamine (GO-C8), laurylamine (GO-C12), octadecylamine (GO-C18), dan graphene oxide yang didoping sulfur ( waktu oksidasi grafena oksida adalah 24 h)

Alkilasi SA-GO juga dapat dikonfirmasi dengan spektrum ATR-FTIR yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Puncak serapan kuat terletak di ~ 2848 cm ⁻¹ dan ~ 2780 cm ⁻¹ ditugaskan untuk vibrasi regangan ikatan C–H dari –CH₃ dan –CH₂ kelompok, yang bertepatan dengan hasil TGA bahwa graphene oksida yang didoping belerang teralkilasi mengandung sejumlah besar bahan organik. Puncaknya berpusat di ~ 1540 cm ⁻¹ mewakili getaran bidang luar –CH₂ grup dan getaran deformasi asimetris. Dan puncak penyerapan yang luas dan intensif pada ~ 1050 cm ⁻¹ disebabkan oleh vibrasi regangan ikatan –C–N, yang membentuk ikatan amido (CO–NH) antara grafena oksida dan alkilamina. Hasil ATR-FTIR (Gbr. 4) menunjukkan bahwa proses alkilasi efektif untuk pembuatan graphene oksida yang didoping belerang teralkilasi.

Spektrum ATR-FTIR SA-GO yang dibuat dari reaksi butilamina, oktilamina, laurilamina, oktadesilamina, dan graphene oksida yang didoping belerang (waktu oksidasi grafena oksida adalah 24 h)

Gambar TEM dan analisis profil dari struktur nano SA-GO khas ditunjukkan pada Gambar 5. Setelah penyaringan, SA-GO ditumpuk pada Gambar 5a; namun, struktur nano seperti lembaran graphene masih dapat digambarkan dengan zona garis putus-putus. Gambar 5b adalah gambar TEM resolusi tinggi dari zona persegi yang disorot pada Gambar 5a. Menurut analisis profil (Gbr. 5e), lima lapisan yang diukur pada Gbr. 5b adalah 1,452 nm, dan dengan demikian jarak lapisan rata-rata adalah 0,363 nm, yang sangat bertepatan dengan jarak antar planar grafit (kartu JCPDS no. 75- 1621). Pola difraksi elektron area terpilih (SAED) (Gbr. 5d) SA-GO hampir merupakan cincin difraksi grafit [23]. Menurut kartu JCPDS no. 75-1621, cincin difraksi bagian dalam harus dikaitkan dengan bidang kristal (002) dan yang terluar ditetapkan ke bidang (101), yang menunjukkan sifat graphene dari SA-GO.

Analisis TEM SA-GO (yang dibuat dengan reaksi oktadesilamina dan oksida graphene yang didoping belerang; waktu oksidasi oksida graphene adalah 24 h). Termasuk SA-GO yang ditumpuk (a ), gambar TEM resolusi tinggi dari zona persegi yang ditandai dalam a (b ), SA-GO yang tersebar (c ), pola difraksi SAED dari zona persegi yang ditandai dalam c (d ), dan analisis ruang kristal dari posisi yang ditandai dalam b (e)

Menurut analisis Raman dari SA-GO (Gbr. 6) yang dibuat dengan reaksi oktadesilamina dan oksida graphene yang didoping belerang (waktu oksidasi oksida graphene adalah 24 h), dua puncak berpusat pada 1350 dan 1584 cm ⁻¹ dapat dikaitkan dengan pita D dan G SA-GO, sedangkan puncaknya sekitar 2690 cm ⁻¹ ditugaskan ke pita 2D SA-GO [23, 24]. Puncak Raman sekitar 2440 cm ⁻¹ disarankan sebagai pita graphene C [25] atau D + D″ [26] dan dapat dilihat dalam spektrum Raman dalam makalah [27, 28]. I_D /I_G nilai GO adalah 0,986, yang sedikit lebih rendah dari SA-GO (I_D /I_G = 1.05), dan menunjukkan bahwa struktur graphene dalam reaksi modifikasi tidak berubah secara signifikan.

Spektrum Raman khas SA-GO (yang dibuat dari reaksi octadecylamine dan graphene oxide yang didoping belerang; waktu oksidasi graphene oxide adalah 24 h) dan GO (waktu oksidasi graphene oxide adalah 24 h)

Minyak dasar dari 928 minyak pelumas penerbangan terutama poli-α-olefin, PAO, yang merupakan alkana jenuh yang memiliki ~ 30 atom karbon. Dalam makalah ini, minyak pelumas penerbangan 928 dan PAO4 (viskositas kinematik adalah ~ 4 mm ² /s pada 100 °C) digunakan sebagai substrat, dan kemudian graphene oksida yang didoping belerang dialkilasi ditambahkan ke dalam minyak, masing-masing, untuk mengeksplorasi sifat pendispersinya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, foto sampel oli SA-GO menunjukkan bahwa warna sampel oli secara bertahap menjadi lebih gelap dengan meningkatnya jumlah SA-GO. Ini harus menjadi peningkatan penyerapan cahaya tampak sejak SA-GO ditambahkan ke dalam minyak. Namun, ada sedikit endapan di dasar kuvet meskipun oksida graphene telah dimodifikasi secara kimia untuk meningkatkan dispersi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7b dan d, warna sampel oli adalah kuning muda dibandingkan dengan warna sampel oli PAO4 karena warna oli pelumas 928 berwarna kuning muda. Rupanya, konsentrasi SA-GO secara substansial dapat mempengaruhi intensitas penyerapan.

Foto-foto optik SA-GO (yang dibuat dengan reaksi oktadesilamin dan oksida graphene yang didoping belerang; waktu oksidasi oksida graphene adalah 24 h) yang didispersikan secara ultrasonik dalam minyak dasar PAO4 (a ) dan minyak pelumas penerbangan 928 (b ) dan PAO4 (c ) dan 928 (d ) sampel minyak diam selama 24 h, masing-masing; adsorpsi SA-GO yang dinormalisasi dalam PAO4 (e ) dan 928 (f ) sampel minyak (a –d , diperiksa dengan spektrofotometer UV-vis) dengan konsentrasi SA-GO adalah 1, 2.5, dan 5 × 10 ⁻⁴ wt% dalam 1440 min

Untuk menganalisis secara kuantitatif dispersi sampel minyak SA-GO, spektrofotometer UV-vis diterapkan untuk menguji penyerapan sampel minyak SA-GO. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 7e dan f. Setelah pengendapan selama 24 h (1440 min), penyerapan normal sampel minyak SA-GO menurun. Menariknya, pengurangan penyerapan normal sampel minyak konsentrasi tinggi relatif lebih lambat daripada sampel minyak konsentrasi rendah. Fenomena tersebut menunjukkan peningkatan dispersi SA-GO secara substansial yang tidak tampak agregasi yang jelas bahkan di bawah kondisi konsentrasi yang relatif tinggi.

Dari kecenderungan penurunan kurva pada Gambar. 7e dan f, metode penghitungan kemiringan kurva pas linier dari ujung ekor linier dari adsorpsi SA-GO yang dinormalisasi secara kuantitatif dapat menunjukkan dispersi. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3, hasil perhitungan menunjukkan bahwa kecenderungan penurunan sampel minyak SA-GO konsentrasi tinggi lebih tinggi daripada sampel minyak SA-GO konsentrasi rendah, meskipun pengurangan penyerapan normal sampel minyak konsentrasi tinggi relatif lebih lambat dari itu. sampel minyak konsentrasi rendah. Analisis dispersi menunjukkan bahwa SA-GO memiliki dispersi yang sangat baik setelah modifikasi kimia bahkan pada konsentrasi yang relatif tinggi; Namun, sampel minyak SA-GO konsentrasi tinggi memiliki kecenderungan penurunan yang lebih tinggi dalam jangka panjang. Sifat tribologi sampel minyak SA-GO diukur dengan penguji empat bola untuk mengevaluasi efek peningkatan pelumasan SA-GO yang dilakukan sebagai aditif pelumas. Seperti disebutkan di bagian "Metode", diameter bekas luka aus diukur setelah pengujian selesai, dan beban nonseizure maksimum (P _B ) nilai juga diperoleh. Diameter rata-rata bekas luka aus saat SA-GO diterapkan sebagai aditif pelumasan ditunjukkan pada Gambar. 8.

Diameter rata-rata bekas luka aus saat SA-GO (disiapkan oleh GO dan butylamine, octylamine, laurylamine, dan octadecylamine; waktu oksidasi GO adalah 24 h) diterapkan sebagai aditif pelumasan di PAO4 (a ) dan 928 (b ) minyak

Pertama, diameter rata-rata sampel oli SA-GO 928 jauh lebih kecil daripada diameter dispersi SA-GO pada base oil PAO4. Fenomena ini dapat menjadi atribut untuk minyak pelumas 928 yang mengandung aditif anti-aus fosfat organik yang secara efektif dapat mengurangi volume keausan selama meluncur [29]. Aditif anti-aus yang mengandung fosfat dapat bereaksi dengan pasangan gesekan baja untuk menghasilkan tribofilm termasuk fosfat besi, fosfat besi, dan senyawa yang mengandung fosfat lainnya di bawah rezim pelumasan batas.

Kedua, rute modifikasi memainkan peran penting dalam perilaku anti-aus sampel minyak SA-GO [30, 31]. SA-GO yang dimodifikasi dengan oktilamin menunjukkan sifat pelumasan yang lebih baik di antara sampel oli termasuk oli pelumas PAO4 dan 928. Hasilnya bertepatan dengan analisis TGA yang ditunjukkan pada Gambar 4 dan struktur molekul PAO4 atau minyak dasar dari minyak pelumas 928. Menurut TGA, penurunan berat SA-GO (dimodifikasi oleh octylamine) hanya sekitar setengah dibandingkan dengan SA-GO yang dimodifikasi oleh laurilamine dan octadecylamine, yang berarti jumlah graphene yang didoping sulfur dalam laurilamine- dan octadecylamine-modified SA-GO hanya sekitar setengahnya dibandingkan dengan SA-GO yang dimodifikasi oleh octylamin. Karena jumlah tambahan SA-GO hanya 1, 2.5, dan 5 × 10 ⁻⁴ wt%, masing-masing, kekurangan serius graphene yang didoping sulfur dalam SA-GO yang dimodifikasi laurilamine dan octadecylamine akan mengakibatkan penurunan kemampuan anti-aus mereka. Di sisi lain, SA-GO yang dimodifikasi butilamina memiliki kandungan graphene yang didoping belerang yang serupa dengan SA-GO yang dimodifikasi oleh oktilamin menurut analisis TGA. Namun, dispersi SA-GO termodifikasi butilamina secara intrinsik lebih rendah daripada SA-GO termodifikasi oktilamina karena rantai karbon teralkilasi SA-GO termodifikasi oktilamina cukup dekat dengan rantai samping PAO4 atau minyak dasar pelumasan 928. minyak [32].

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

Beban nonseizure maksimum (P _B ) nilai SA-GO (disiapkan oleh GO dan oktilamina yang didoping belerang) dalam minyak pelumas PAO4 (Gbr. 9a) dan 928 (Gbr. 9b) ditentukan oleh penguji empat bola. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9a, P _B peningkatan SA-GO cukup besar yang memiliki peningkatan 55,6% untuk P _B nilai pada konsentrasi 1 × 10 ⁻⁴ wt% dan 72,2% untuk P _B nilai pada konsentrasi 5 × 10 ⁻⁴ berat%. Hasil P _B nilai menunjukkan bahwa kekuatan membran minyak secara substansial ditingkatkan sejak SA-GO ditambahkan ke dalam sampel minyak dasar PAO4. P _B nilai SA-GO yang disiapkan oleh GO yang didoping sulfur, butylamine (File tambahan 1:Gambar S2a), laurylamine (File tambahan 1:Gambar S2b), dan octadecylamine (File tambahan 1:Gambar S2c) di PAO4 ditampilkan dalam SI, yang menunjukkan hasil serupa bahwa konsentrasi SA-GO yang lebih tinggi di PAO4 akan membantu untuk meningkatkan nilai beban nonseizure maksimum.

a , b Nilai nonseizure load (PB) maksimum saat SA-GO (disiapkan oleh GO dan oktilamina yang didoping sulfur, waktu oksidasi GO adalah 24 jam) diterapkan sebagai aditif pelumasan dengan konsentrasi tertentu dalam PAO4 (a ) dan 928 (b ) minyak

P _B nilai SA-GO (disiapkan oleh GO dan oktilamina yang didoping belerang) dalam 928 minyak pelumas (Gbr. 9b) juga meningkat dengan meningkatnya konsentrasi SA-GO hingga 2,5 × 10 ⁻⁴ berat%. Terlebih lagi, SA-GO ditambahkan ke dalam minyak pelumas 928, tetapi P _B nilai sampel minyak SA-GO tidak berubah pada konsentrasi 5 × 10 ⁻⁴ berat%. Dibandingkan dengan SA-GO yang dibuat oleh GO dan butylamine yang didoping sulfur (File tambahan 1:Gambar S3a), laurylamine (File tambahan 1:Gambar S3b), dan octadecylamine (File tambahan 1:Gambar S3c) dalam minyak pelumas 928, SA-GO yang dimodifikasi butylamine memiliki P . yang relatif lebih rendah _B nilai (82 kg) pada konsentrasi 2,5 × 10 ^− 4 berat%. Namun, SA-GO yang dimodifikasi laurilamine dan octadecylamine dalam minyak pelumas 928 menunjukkan P yang serupa _B nilai (92 kg) dengan SA-GO yang dimodifikasi oktilamin. Fenomena tersebut menunjukkan bahwa jumlah tambahan SA-GO seharusnya 2,5 × 10 ⁻⁴ wt% untuk mempertimbangkan efek agregasi, sifat anti-aus, dan P _B nilai.

Setelah gesekan geser, analisis SEM dan EDS dari bekas luka aus menunjukkan belerang dari SA-GO mungkin memainkan peran kunci dalam perilaku pelumasan reaktif untuk membentuk film pelumas batas kimia yang mengandung belerang. Seperti ditunjukkan pada Gambar 10a (gambar SEM bekas luka aus) dan b (spektrum EDS Gambar 10a, hasil integrasi pemindaian garis yang ditunjukkan pada Gambar 10a yang ditandai sebagai garis putus-putus), spektrum EDS bekas luka aus menggambarkan lima elemen termasuk Fe, O, C, Cr, dan S yang ada di bekas luka aus.

Gambar SEM (a ) dan analisis unsur EDS (b , hasil integrasi pemindaian garis ditunjukkan pada a yang ditandai sebagai garis putus-putus) dari bekas luka aus sementara SA-GO (disiapkan oleh GO dan oktilamina yang didoping belerang; waktu oksidasi GO adalah 24 h dan konsentrasi SA-GO adalah 0,025 wt%) bertindak sebagai aditif pelumas dalam minyak pelumas 928

Kandungan belerang pada bekas luka aus mencapai 0,46 pada% yang jauh lebih tinggi daripada bekas luka aus dari 928 murni yang diaplikasikan sebagai pelumas (kandungan belerang berada pada ~ 0%, File tambahan 1:Gambar S4). Dengan demikian, kandungan belerang yang lebih tinggi dalam tribofilm sangat terkait dengan diameter rata-rata analisis bekas luka keausan, studi dispersi, dan analisis TGA, yang menunjukkan bahwa sifat anti-aus mendukung kandungan belerang yang lebih tinggi dan persen berat graphene yang lebih tinggi, dan dispersi. manfaat dari panjang rantai karbon yang mirip dengan rantai samping oli dasar.

Kesimpulan

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

Metode

Grafena oksida teralkilasi yang didoping sulfur dalam makalah ini dibuat dengan modifikasi kimia grafena oksida oleh P₄ S₁₀ dan empat alkilamina (termasuk oktadesilamina, laurilamina, oktilamina, dan butilamin). Yang penting, dua rute preparasi yang berbeda diterapkan untuk mendapatkan oksida graphene teralkilasi yang didoping belerang dengan membandingkan satu sama lain. Salah satu rute dimana graphene oxide pertama kali bereaksi dengan P₄ S₁₀ dan kemudian alkilamin menghasilkan produk SA-GO, dan rute lain di mana grafena oksida pertama-tama bereaksi dengan alkilamina dan kemudian P₄ S₁₀ memberikan produk AS-GO.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11, penelitian SA-GO dan AS-GO dirancang untuk mempelajari secara kontras hubungan antara komposisi kimia dan kinerja pelumasan. Kondisi eksperimen rinci dijelaskan sebagai berikut sesuai dengan rute persiapan SA-GO.

Rute penelitian kontras SA-GO dan AS-GO

Persiapan Grafena Oksida yang Didoping Sulfur

Dalam makalah ini, oksida graphene yang didoping belerang dibuat dengan reaksi antara P₄ S₁₀ (kimia murni) dan grafena oksida yang dibuat dengan metode Hummers yang dimodifikasi [33]. Kondisi percobaan rinci dijelaskan sebagai berikut:

Tiga bahan kimia, bubuk grafit 3 g (3500 mesh, kemurnian> 99,9 wt%, grafit yang digunakan dalam kertas tersedia secara komersial di XFNANO Ltd. Co.), 1,5 g NaNO₃ , dan 138 mL H₂ JADI₄ , ditambahkan ke dalam labu leher tiga dan diaduk selama 3 menit. Setelah dipindahkan ke penangas es, 3 g KMnO₄ (kimia murni) perlahan-lahan ditambahkan ke dalam campuran yang tercampur dengan baik untuk mencegah bahaya overheating, kemudian campuran ditempatkan dalam penangas minyak untuk direfluks dan diaduk selama 6, 12, dan 24 h, masing-masing.

Grafena oksida yang disiapkan 100 mg dalam prosedur di atas dan 300 mg P₄ S₁₀ didispersikan secara ultrasonik dalam 20 mL N ,T -dimetilformamida (DMF) dalam labu leher tiga. Kemudian campuran direfluks dalam N₂ atmosfer pada 100 °C selama 24 jam. After that, the temperature was allowed to cool down at room temperature and washed by acetone, alcohol, and DI water while negative-pressure filtration was carried out at the same time.

The Preparation of the Sulfur-Doped Alkylated Graphene Oxide

The as-synthesized sulfur-doped graphene oxide (100 mg) was ultrasonically dispersed in 5 mL DMF and mixed with 20 mL SOCl₂ (chemical pure) to react under a refluxing condition at 80 °C for 24 h. After being washed by tetrahydrofuran (THF) for removing SOCl₂ , the product ultrasonically dispersed in 2 mL THF which was added with 1 mL alkylamine (octadecylamine, laurylamine, octylamine, and butylamine, respectively), and the system was heated at 80 °C and stirred for 24 h. The light-yellow product, sulfur-doped alkylated graphene oxide, was thoroughly washed and vacuum-dried for further applications.

The Characterization Instruments and Tribological Tests of the Sulfur-Doped Alkylated Graphene Oxide

Products in this paper were characterized by the attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR, PerkinElmer Spectra Two), scanning electron microscopy (SEM, Hitachi SU-8000, secondary electron modes, acceleration voltage is 10 kV), transmission electron microscopy (TEM, TECNAI-F20 with accelerating voltage of 300 kV, bright field), selected area electron diffraction (SAED), Raman (Senterra&Veate X70, with excitation argon ion laser at 514.5 nm) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, Escalab-250Xi; the curve fitting was done by using the Thermo Avantage v4.87 software based on Powell’s iteration method and 100 maximum iterations.), UV-vis spectrophotometer (Thermal Fisher, Genesys180), and TGA measurements were carried out on a TGA 8000 (PerkinElmer) analyzer from 50 to 550 °C under N₂ with a heating rate of 10 °C/min.

The 928 aviation lubrication oil (commercially available in Henan Hangcai Science and Technology Co. Ltd.) and poly-α-olefin base oil (PAO, purchased from Shanghai Foxsyn Chemical Science and Technology Co. Ltd.) are applied as lubricants in tribological experiments. All of the sulfur-doped alkylated graphene oil samples were sonicated for 5 min before tribological tests. All of the tribological experiments were performed by a lever-type four-ball tester (Jinan Shijin Group Co. Ltd., MRS-10G and MRS-10P). The rotation speed of MRS-10G is 1450 r/min, the load is 392 N, and the testing time is 30 min; the rotation speed of MRS-10P is 1760 r/min and the testing time is 10 s. Steel balls used in the paper are uniform 12.7-mm GCr15 chrome steel ball which Rockwell hardness is 59-61HRC. The diameter of wear scar was measured by an optical microscope (resolution is ± 0.01 mm). All of the chemicals used in this paper are analytically pure except for the base oils, fully formulated lubricant oils, and the chemicals specifically stated.

Ketersediaan Data dan Materi

The TG, TEM, and SEM data are available in the Analysis and Measurement Center of China University of Mining and Technology for inspection. The XPS, Raman, and line scanning EDX is available in the Analysis and Testing Center of Tianjin University of Technology for further inspection. Other data are acquired in Air Force Logistics College for inspection.

Singkatan

AS-GO:

Sulfur-doped graphene oxide prepared by alkylation and then followed by sulfuration of graphene oxide

ATR-FTIR:

Attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy

BN:

Boron nitride

DMF:

T ,T -dimethylformamide

EDS:

Energy dispersive X-ray spectroscopy

PERGI:

Grafena oksida

GO-C12:

The alkylated graphene oxide prepared by laurylamine and the sulfur-doped graphene oxide (the oxidation time of the graphene oxide is 24 h)

GO-C18:

The alkylated graphene oxide prepared by octadecylamine and the sulfur-doped graphene oxide (the oxidation time of the graphene oxide is 24 h)

GO-C4:

The alkylated graphene oxide prepared by butylamine and the sulfur-doped graphene oxide (the oxidation time of the graphene oxide is 24 h)

GO-C8:

The alkylated graphene oxide prepared by octylamine and the sulfur-doped graphene oxide (the oxidation time of the graphene oxide is 24 h)

ILSAC:

International Lubricant Standardization and Approval Committee

JCPDS:

Joint Committee on Powder Diffraction Standards

PAO4:

The poly-α-olefin base oil at 100 °C kinematic viscosity is ~ 4 mm ² /s

SAED:

Difraksi elektron area yang dipilih

SA-GO:

Sulfur-doped graphene oxide prepared by sulfuration and then followed alkylation of graphene oxide

SEM:

Pemindaian mikroskop elektron

SiC:

Silikon karbida

TEM:

Mikroskop elektron transmisi

TGA:

Analisis termogravimetri

THF:

Tetrahidrofuran

UV-vis:

Spektroskopi sinar ultraviolet

XPS:

Spektroskopi fotoelektron sinar-X

Pengaruh Konsentrasi Ag yang Didispersikan dalam Film Tipis HfOx pada Pengalihan Ambang Formasi Berkecepatan Tinggi dan Terkendali Arah dari Silicon Nanowire Arrays Dibantu oleh Medan Listrik