Waste plastic- and coke-derived flash graphene as lubricant additives

废塑料和焦炭衍生闪蒸石墨烯作为润滑剂添加剂

Paul A. Advincula ^a, Victoria Granja ^b, Kevin M. Wyss ^a, Wala A. Algozeeb ^a, Weiyin Chen ^a, Jacob L. Beckham ^a, Duy Xuan Luong ^a, C. Fred Higgs III ^b,c,*, James M. Tour ^a,d,e,*

DOI: 10.1016/j.carbon.2022.12.035 | Carbon | 2023

PDF原文

论文亮点

通过闪蒸焦耳加热法成功将废弃塑料和冶金焦炭转化为高质量涡轮层闪蒸石墨烯（FG），并将其作为润滑剂添加剂。
添加FG显著降低了摩擦系数、磨损疤痕直径和表面粗糙度，同时生命周期分析显示其生产过程比传统石墨烯制备方法更环保。

研究背景

摩擦是全球CO2排放的重要来源，润滑剂在减少机械系统磨损方面发挥着关键作用。
石墨烯等碳纳米材料作为润滑剂添加剂可显著改善摩擦学性能，但传统生产方法成本高，限制了其大规模应用。
废弃塑料和煤炭副产品的升级回收具有重要的经济和环境意义，有助于解决塑料污染和资源浪费问题。

研究方法

材料制备：

废弃塑料衍生闪蒸石墨烯（WPFG）：将消费后高密度聚乙烯（HDPE）粉碎并与5wt%炭黑混合，通过闪蒸焦耳加热（120V，500ms）制备。
冶金焦炭衍生闪蒸石墨烯（MCFG）：将冶金焦炭通过可变脉冲闪蒸焦耳加热（370V，特定占空比）制备，随后进行球磨处理。

表征技术：

拉曼光谱：使用532nm激发光，通过I2D/IG比率等参数评估石墨烯质量。
X射线光电子能谱（XPS）：分析样品元素组成和化学状态。
X射线衍射（XRD）：确定样品晶体结构和层间间距。
紫外-可见光谱：评估FG在PAO润滑剂中的分散性。
透射电子显微镜（TEM）：观察FG的形貌和结构。

摩擦学测试：

四球测试：评估添加FG的PAO 6和PAO 9润滑剂的摩擦系数和抗磨损性能。
白光干涉测量：测量磨损疤痕的表面粗糙度。
扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）：分析磨损表面的形貌和元素组成。

主要结论

添加WPFG和MCFG显著降低了PAO润滑剂的摩擦系数（最高降低23%）和磨损疤痕直径（最高降低14%）。
FG的涡轮层结构使其在润滑剂中具有优异的分散性，无需化学修饰或添加表面活性剂。
与传统的石墨烯生产方法相比，FG的生产过程减少高达99%的温室气体排放和99.9%的用水量，具有显著的环境优势。

结果与分析：FG的制备与表征

图1：WPFG或MCFG添加到PAO 9和PAO 6中的示意图，这些溶液随后用于四球摩擦测试。

通过闪蒸焦耳加热法成功将废弃塑料和冶金焦炭转化为高质量涡轮层闪蒸石墨烯。表征结果显示，WPFG和MCFG具有高碳含量和良好的结晶性，适合作为润滑剂添加剂。

结果与分析：FG的结构特性

图2：(a) 平均拉曼光谱（N=100），阴影区域显示标准偏差；(b) XPS分析结果；(c) MCFG和WPFG的产率、强度比和元素分析。

拉曼光谱显示WPFG和MCFG的I2D/IG比率显著提高，表明成功转化为高质量石墨烯。XPS分析证实FG样品具有高碳纯度，XRD结果表明FG为涡轮层结构，层间间距增大，有利于在润滑剂中的分散。

结果与分析：FG的分散性

图3：(a) WPFG、MCFG及其原料和CG的XRD图谱；(b) PAO 6中WPFG、MCFG和CG的UV-vis测量和初始/最终浓度；(d) PAO 9中的相应结果。

UV-vis光谱显示，WPFG和MCFG在PAO 6和PAO 9中的分散性显著优于商业石墨烯（CG）。在PAO 6中，WPFG和MCFG的最终浓度分别是CG的8倍和4倍；在PAO 9中，分别为14倍和5倍。这表明涡轮层结构增强了FG在润滑剂中的分散性。

结果与分析：摩擦学性能

图4：(a) PAO 9中添加WPFG和MCFG的1小时测试平均摩擦系数；(b) PAO 9中不同浓度WPFG和MCFG的平均磨损疤痕直径；(c) PAO 6中的摩擦系数；(d) PAO 6中的磨损疤痕直径。

四球测试结果表明，添加FG显著改善了PAO润滑剂的摩擦学性能。在PAO 9中，0.1 mg/mL FG使摩擦系数降低6-9%；在PAO 6中，0.5 mg/mL FG使摩擦系数降低6-23%。磨损疤痕直径在0.5 mg/mL浓度下降低8-14%。

结果与分析：表面粗糙度分析

图5：使用白光干涉测量法在20倍放大下测量的1小时测试后磨损疤痕的平均粗糙度：(a) PAO 9中添加FG；(b) PAO 6中添加FG。

表面粗糙度测量显示，添加FG后磨损疤痕的粗糙度显著降低。在PAO 6中，0.5 mg/mL WPFG和MCFG使粗糙度分别降低38%和32%；在PAO 9中，分别降低35%和29%。这表明FG具有平滑表面的效果。

结果与分析：磨损表面形貌

图6：白光干涉仪3D形貌图像显示钢球磨损疤痕：(a) PAO 6；(b) PAO 9；(c) PAO 6 + 0.5 mg/mL WPFG；(d) PAO 9 + 0.5 mg/mL WPFG；(e) PAO 6 + 0.5 mg/mL MCFG；(f) PAO 9 + 0.5 mg/mL MCFG。

3D形貌图像显示，添加FG后磨损疤痕的沟槽变浅，表面更平滑。纯PAO 6和PAO 9的粗糙度分别为1.779μm和1.958μm，而添加0.5 mg/mL WPFG后分别降至1.055μm和1.156μm。这表明FG通过填充表面缺陷和抛光表面来改善润滑性能。

结果与分析：环境效益

图7：(a) MCFG和(b) WPFG的生产流程图；(e) GHG排放、(f) 能耗和(g) 用水量比较（1kg产品）。

生命周期分析表明，与物理剥离法（GPE）和化学剥离法（GCE）相比，MCFG和WPFG的生产过程减少高达98.8%的温室气体排放、98.4%的能耗和99.9%的用水量。这突出了FG作为润滑剂添加剂的环境优势。