离子液体功能化石墨烯的制备及其聚氨酯复合材料的摩擦学行为研究

There are many problems in the process of preparation and life in the course of service of polymer based water lubricated bearings. For example, the solid lubricants dispersion difficulties, poor interface compatibility and high friction coefficient under dry friction and boundary lubrication conditions. To address these problems, this project intends to use ionic liquids to modify graphene by cation-π and π-π stacking interactions. The N, F, P, B or other active elements are intruduced on the surface of graphene. Then the high performance of ionic liquids-graphene (IGNs)/polyurethane (PU) composites were prepared by a two-step synthesis route. The influences of the species of ionic liquids, amount of IGNs and interfacial interactions on the tribological, mechanical and thermal properties of IGNs/PU composites were systematically studied. Additionally, the chemical reaction mechanism and formation mechanism of transfer film were investigated to reveal the synergistic lubricating mechanism of ionic liquids and graphene. A solid theoretical foundation for the design and preparation of high performance polymer-based water lubricated bearings were provided.

针对目前聚合物基水润滑轴承复合材料在制备和使役过程中存在的固体润滑剂分散困难及界面相容性差、干摩擦和边界润滑条件下材料的摩擦系数高等问题。本项目拟利用离子液体与石墨烯之间的π-π和阳离子-π相互作用对石墨烯表面进行离子液体功能化修饰，在石墨烯表面引入N、F、P或B等摩擦活性元素，同时提高石墨烯与聚氨酯基体的相互作用，并通过对聚氨酯的分子结构设计和两步法合成工艺，制备高性能离子液体功能化石墨烯/聚氨酯复合材料。系统研究离子液体的种类、离子液体功能化石墨烯的用量及其与基体材料的界面相互作用等因素对复合材料摩擦学、力学和热性能的影响，重点研究复合材料在摩擦过程中的摩擦化学反应机理、转移膜的形成和作用机制，进而揭示离子液体与石墨烯的协同润滑机理。为高性能聚合物基水润滑轴承材料的设计及制备提供理论基础。

针对目前聚合物基自润滑复合材料在制备和使役过程中存在的固体润滑剂分散困难及界面相容性差、干摩擦和边界润滑条件下材料的摩擦系数高等问题。本项目利用离子液体（IL）与石墨烯（GNs）之间的π-π和阳离子-π相互作用对石墨烯表面进行离子液体功能化修饰，在石墨烯表面引入N、F、P或B等摩擦活性元素，同时提高石墨烯与聚合物基体的相互作用。首先，制备了一系列不同阳离子结构的离子液体，然后将其用于非共价键改性石墨烯得到离子液体改性石墨烯（IGNs），并考察不同离子液体对石墨烯分散性的影响，发现正丁基咪唑四氟硼酸盐对石墨烯的改性效果最好。其次，将不同离子液体改性的石墨烯填充到聚酰亚胺（PI）、环氧树脂（EP）和聚氨酯（PU）等聚合物基体中制备IGNs/聚合物复合材料，系统研究离子液体的种类、IGNs用量及其与基体材料的界面相互作用等因素对复合材料摩擦学、力学和热性能的影响。结果显示：①[BMIm][BF4]改性的石墨烯对PI复合材料的力学、热学和摩擦学性能改善最为明显。当[BMIm][BF4]改性石墨烯的含量为0.4 wt.％时，复合材料的Tg与纯PI相比增加了15℃，拉伸强度和模量也分别提高了51.9％和56.5％，且离子液体和石墨烯的协同作用可以形成连续石墨烯转移膜，使IGNs/PI复合材料的摩擦系数和磨损率分别降低了38.2％和25％，并揭示了石墨烯与离子液体的协同润滑机理。②[BMIm][BF4]改性的石墨烯也能有效提高EP和PU的热学、力学和摩擦学性能，当其含量为0.1wt.%时，IGNs/EP复合材料具有最佳力学和在煤油润滑条件下具有较好的减摩耐磨性能；而IGNs含量为0.25 wt.% 时，IGNs/EP/PU复合材料具有最佳水润滑性能。另外，项目还在苝酐非共价键改性石墨烯等领域也取得了一定的研究成果，拓开了新的研究方向。在本项目的资助下，发表国内外发表研究论文8篇，其中SCI论文6篇，获得授权中国发明专利1项，申请中国发明专利3项，参加国内学术会议2次，培养硕士研究生2人。