一种氮掺杂碳量子点强化的hBN纳米流体润滑剂的制备方法与流程

一种氮掺杂碳量子点强化的hbn纳米流体润滑剂的制备方法
技术领域
1.本发明设计一种氮掺杂碳量子点的制备方法，及其作为添加剂在六方氮化硼纳米流体热轧润滑剂中的应用，属于润滑技术领域，其具体是一种氮掺杂碳量子点强化的hbn纳米流体润滑剂的制备方法。


背景技术：

2.随着板带钢热轧过程对降低材料和能源损耗、提高产品表面质量等要求的日益提高，其中不可或缺的工艺润滑技术面临着严峻的挑战。传统的热轧润滑油会造成严重的环境污染问题，且废液处理成本较高，难以满足节能减排的环保要求。近年来，随着纳米技术的发展进步，具有优异的抗磨减摩性能、冷却性能和绿色环保特点的纳米流体作为润滑剂，成为了工艺润滑领域的研究和应用热点，具有极其广阔的发展前景。
3.六方氮化硼(hbn)是一种具有较高比表面积的二维层状结构的纳米材料，片层间剪切强度较低易于相对滑动，因此具有优良的润滑性能，在材料加工领域常作为固体润滑剂或润滑添加剂。片层状的六方氮化硼纳米粒子的面间距虽然较小，但单一片层的尺寸和表面能通常较高，在润滑流体中很容易团聚和沉积从而导致润滑性能变差。因此，六方氮化硼纳米流体的分散稳定性是亟待解决的关键问题。碳量子点是一种粒径为1～10nm的准零维碳纳米材料，具备优异的化学稳定性、低的生物毒性、良好的环境友好性和润滑性能。同时，在碳量子点表面接枝其他原子，如氮、氯、硫原子，在保证其润滑性能的基础上能一步提高化学活性，在轧制润滑过程有利于在金属表面沉积形成润滑保护膜，甚至通过“自修复效应”进一步改善板带钢表面质量。为此，将氮原子掺杂碳量子点引入到六方氮化硼纳米流体中，一方面能通过其分隔作用抑制六方氮化硼片层团聚，改善纳米流体稳定性；另一方面能借助片层状和球形纳米粒子的“协同润滑效应”进一步强化纳米流体在板带钢热轧过程中的润滑性能，最终在一定程度上替代传统的热轧润滑油，促进板带钢热轧生产过程的节能减排。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足和需求，本发明的目的之一是提供一种氮掺杂碳量子点的制备方法。采用小分子的多巴胺衍生物作为碳和氮源，通过溶剂热法制备得到氮掺杂碳量子点。该制备方法简单高效，得到的氮掺杂碳量子点具有优异的均匀性、稳定性和润滑性能。
5.本发明的目的之二是提供一种氮掺杂碳量子点强化的hbn纳米流体润滑剂的制备方法，所述氮掺杂碳量子点如目的一所述。采用物理分散法和化学分散法将六方氮化硼纳米粒子和氮掺杂碳量子点分散到水基流体中，得到氮掺杂碳量子点强化的hbn纳米流体润滑剂，改善单一hbn纳米流体的分散稳定性和摩擦学性能。
6.基于以上目的，本发明提供了一种氮掺杂碳量子点强化的hbn纳米流体润滑剂的制备方法，制备步骤如下：
7.(1)将包含多巴胺类衍生物、氢氧化钠和去离子水的混合体系在60～80℃下进行1
～1.5h的中和反应，得到多巴胺水溶液。其中多巴胺类衍生物和氢氧化钠的摩尔比为1:(3～4)；
8.(2)将足量的无机碳化剂加入到步骤(1)得到的多巴胺水溶液中，混合体系置于聚四氟乙烯高温反应釜中，在190～260℃进行8～12h的溶剂热反应。其中，无机酸碳化剂与多巴胺类衍生物的摩尔比为(3～6):1；
9.(3)采用无水乙醇和去离子水对步骤(2)得到的产物进行洗涤，随后进行透析提纯、冷冻干燥处理，即获得所述的氮掺杂碳量子点。其中，透析袋的截留分子量为1000～3500，透析时间为20～36h；
10.(4)将步骤(3)制备得到的氮掺杂碳量子点分散到去离子水中，逐步依次加入六方氮化硼纳米粒子、摩擦改进剂组合a、离子型分散剂组合b、甜菜碱型表面活性剂组合c以及微量消泡剂，在60℃下磁力搅拌20-35min，随后在细胞粉碎机中进行10-15min的超声处理，即得到具有优异稳定性和润滑性能的纳米热轧润滑剂。其中，六方氮化硼和氮掺杂碳量子点的质量比为1:(0.2～1)，两种纳米粒子、摩擦改进剂组合a、甜菜碱型表面活性剂组合b、离子型分散剂组合c的质量比为1:(1～4):(0.3～0.8):(0.3～0.6)。
11.进一步地，步骤(1)所述的多巴胺类衍生物为盐酸多巴胺、外围多巴胺和1-(3,4-二羟苯基)-2-氨基乙醇中的一种或几种，进一步优选为盐酸多巴胺和外围多巴胺中的任意1种或2种的组合。
12.进一步地，步骤(2)所述的无机碳化剂为浓硫酸、浓硝酸、过氧化氢中的1种或几种，进一步优选为浓硝酸。
13.进一步地，步骤(4)所述的六方氮化硼的粒径为80～120nm。
14.进一步地，步骤(4)所述的摩擦改进剂组合a为1,2-丙二醇、丙三醇、三乙醇胺中的1种或几种，进一步优选为丙三醇和三乙醇胺的组合，质量比为(2～4):(1～2.8)。
15.进一步地，步骤(4)所述的甜菜碱型表面活性剂组合b为十二烷基二甲基甜菜碱、十二烷基二羟乙基甜菜碱、十四烷基二甲基甜菜碱、十四烷基磺丙基甜菜碱、椰油酰胺丙基甜菜碱中的1种或几种，进一步优选为十二烷基二甲基甜菜碱和椰油酰胺丙基甜菜碱的组合，质量比为(1～3):(1～2)。
16.进一步地，步骤(4)所述的离子型分散剂组合c为六偏磷酸钠、三聚磷酸钠中的1种或2种，进一步优选为六偏磷酸钠。
17.进一步地，步骤(4)中，磁力搅拌器转速为700-1000rpm，细胞粉碎机处理的功率为300～450w，超声处理频率为25～40khz。
18.与现有技术相比，本发明的技术方案具以下优点和关键点：
19.1.本发明的制备过程简单且再现性好，成本低效率高，得到的氮掺杂碳量子点强化的hbn纳米流体润滑剂具有良好的分散稳定性，能长期保存不发生纳米粒子的团聚和变质，用于板带钢热轧的工艺润滑能够有效降低过程中的摩擦力和轧制力，提高轧后板带钢的表面质量。热轧过程中不会产生有毒和刺激性气体，促进了板带钢轧制过程的节能减排和环保生产，拓展了纳米粒子尤其是新型碳量子点在工艺润滑领域的应用。
20.2.本发明中氮掺杂碳量子点和六方氮化硼的添加量不宜过高，否则难以保证纳米流体的分散稳定性；离子型分散剂和甜菜碱型表面活性剂的用量均需严格控制，添加量过低无法实现良好的纳米粒子分散效果，添加量过高会产生絮凝影响纳米流体的润滑性能。
附图说明
21.图1为本发明实施例1所得氮掺杂碳量子点的透射电子显微镜(a)和高分辨透射电镜(b)图片。
22.图2为本发明实施例2所得氮掺杂碳量子点的x射线光电子能谱分析结果。
具体实施方式
23.下面结合具体的实施方式对本发明作进一步说明。下述本发明的实施方式中描述的具体实施例仅作为本发明的具体实施方式的实例性说明，目的在于对本发明作进一步解释，不构成对本发明的限制。
24.实施例1
25.实施例1的主要组分及质量分数如下表：
[0026][0027][0028]
将3.0g盐酸多巴胺和外围多巴胺按照1:1的摩尔比加入到100g去离子水中，随后加入1.4g氢氧化钠，在60℃下充分搅拌并反应1.5h，接下来在上述溶液中加入4.3g浓硝酸，充分混合后转移至高压反应釜中，在200℃下进行12h的溶剂热反应，产物用无水乙醇和去离子水多次洗涤后采用截留分子量3000的透析袋进行28h的提纯处理，所得固体物质经冷冻干燥即得到氮掺杂碳量子点；随后，按上表所示的各组分配方，将94.0g去离子水加热到60℃，在800rpm的转速依次加入氮掺杂碳量子点、六方氮化硼、丙三醇、三乙醇胺、十二烷基二甲基甜菜碱、椰油酰胺丙基甜菜碱、六偏磷酸钠和消泡剂，保持转速持续搅拌20min，最后在35khz、400w下超声处理12min，得到灰褐色悬浊液体，即为氮掺杂碳量子点强化的hbn纳米流体润滑剂。
[0029]
该纳米流体轧制润滑剂的分散稳定性好，静置7天后有微量沉淀，且随着时间延长沉淀量基本不变。轻轻震荡后沉淀消失，不影响润滑剂的使用。
[0030]
实施例2
[0031]
实施例2的主要组分及质量分数如下表：
[0032]
序号组分名称质量分数/wt.％1氮掺杂碳量子点0.42六方氮化硼13三乙醇胺2.1 丙三醇3.5
4六偏磷酸钠0.85椰油酰胺丙基甜菜碱16消泡剂0.17去离子水90.1
[0033]
将2.0g盐酸多巴胺加入到100g去离子水中，随后加入1.1g氢氧化钠，在60℃下充分搅拌并反应1.5h，接下来在上述溶液中加入3.5g浓硝酸，充分混合后转移至高压反应釜中，在220℃下进行10h的溶剂热反应，产物用无水乙醇和去离子水多次洗涤后采用截留分子量2000的透析袋进行30h的提纯处理，所得固体物质经冷冻干燥即得到氮掺杂碳量子点；随后，按上表所示的各组分配方，将90.1g去离子水加热到75℃，在900rpm的转速依次加入氮掺杂碳量子点、六方氮化硼、丙三醇、三乙醇胺、椰油酰胺丙基甜菜碱、六偏磷酸钠和消泡剂，保持转速持续搅拌25min，最后在40khz、450w下超声处理10min，得到浅灰色悬浊液体，即为氮掺杂碳量子点强化的hbn纳米流体润滑剂。
[0034]
该纳米流体轧制润滑剂的分散稳定性好，静置5天后有微量沉淀，静置7天后有少量沉淀。轻轻震荡后沉淀消失，不影响润滑剂的使用。
[0035]
实施例3
[0036]
实施例3的主要组分及质量分数如下表：
[0037]
序号组分名称质量分数/wt.％1氮掺杂碳量子点0.42六方氮化硼1.23三乙醇胺2 丙三醇44六偏磷酸钠0.55十二烷基二甲基甜菜碱0.66椰油酰胺丙基甜菜碱0.67消泡剂0.18去离子水90.6
[0038]
将4.0g外围多巴胺加入到100g去离子水中，随后加入2.0g氢氧化钠，在60℃下充分搅拌并反应1.5h，接下来在上述溶液中加入4.5g浓硝酸，充分混合后转移至高压反应釜中，在210℃下进行12h的溶剂热反应，产物用无水乙醇和去离子水多次洗涤后采用截留分子量2500的透析袋进行25h的提纯处理，所得固体物质经冷冻干燥即得到氮掺杂碳量子点；随后，按上表所示的各组分配方，将90.6g去离子水加热到70℃，在950rpm的转速依次加入氮掺杂碳量子点、六方氮化硼、丙三醇、三乙醇胺、十二烷基二甲基甜菜碱、椰油酰胺丙基甜菜碱、六偏磷酸钠和消泡剂，保持转速持续搅拌24min，最后在35khz、400w下超声处理15min，得到浅灰色悬浊液体，即为氮掺杂碳量子点强化的hbn纳米流体润滑剂。
[0039]
该纳米流体轧制润滑剂的分散稳定性好，静置5天后有少量沉淀，静置7天后有明显的沉淀。轻轻震荡后沉淀消失，不影响润滑剂的使用。
[0040]
上述各实施例获得的产品性能指标如下：
[0041][0042]
上述实施例均为本发明较佳实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。