在PFPE（全氟聚醚）中，全氟环氧醇寡聚物接枝氧化石墨烯的分散主要受相互作用支配，这使得该材料具有优异的摩擦学性能

通过超声辅助接枝六氟丙烷氧化物（HFPO)n-COF于石墨烯氧化物（GO），制备出分散性优异的F?GO/PFPE复合润滑剂。研究表明，氟化接枝导致GO层间氢键丧失、层间距增大及氟化链诱导的排斥作用，结合与PFPE的结构相似性，有效抑制了GO团聚，使润滑剂摩擦系数降低16.2%-26.0%，磨损体积减少56.7%-83.2%，且长期储存后性能稳定。

　　

王远祺|郑彤|赖学明|陈建刚|张志芳|沈书坤|王银雷|刘兆铁|刘忠文|卢健

中国陕西省师范大学化学与化学工程学院合成气转化重点实验室，西安710119

摘要

通过超声辅助接枝策略，成功实现了氧化石墨烯（GO）在全氟聚醚（PFPE）中的理想分散。在此过程中，GO被六氟丙烯氧化物寡聚物（(HFPO)_n-COF）（记为UAGGH）功能化。制备了三种类型的(HFPO)_n-COF接枝GO（F_nGO，n=2, 3, 4），并系统研究了它们在PFPE中的分散行为。F_nGO在PFPE中的优异分散性源于：(1) 接枝后层间氢键的丧失和层间间距的增加；(2) F_nGO层之间的独特氟化诱导排斥作用；(3) F_nGO与PFPE之间的极佳相容性（由于接枝的氟化链与PFPE的结构相似）。这些因素有效抑制了F_nGO的自发聚集，使其主要保持在PFPE的单层状态，从而提高了F_nGO/PFPE复合润滑剂的摩擦学性能。实验结果表明，与纯PFPE相比，F_nGO/PFPE复合润滑剂可使钢/钢摩擦对的摩擦系数降低16.2%，磨损体积减少56.7%；对于钢/Ti6Al4V摩擦对，摩擦系数降低26.0%，磨损体积减少83.2%。重要的是，即使储存超过70天后，其摩擦学性能也没有明显下降，证实了F_nGO/PFPE复合润滑剂的优异减摩和抗磨性能。

引言

PFPE是一种高性能润滑剂，具有显著的化学稳定性和热稳定性、宽温度耐受性以及出色的抗辐射性。这些特性使其在航空航天、半导体制造、化学工程、重型机械、风力涡轮机等众多领域得到广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。尽管如此，PFPE的边界润滑性能仍有提升空间。为了解决这一问题，已将几种二维纳米材料（如MoO₃、GO、MoS₂以及过渡金属碳化物和氮化物（MXene）引入PFPE中，以制备复合润滑剂[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。在润滑过程中，这些二维纳米材料预计会进入摩擦对的接触界面，防止直接接触，从而降低摩擦和磨损。然而，由于这些纳米材料会自发聚集且在PFPE中分散性较差，摩擦学性能的改善非常有限。值得注意的是，即使复合润滑剂仅储存一两天，这种改善效果也会显著减弱[11]。Guo等人[11]报道了一种聚[2-(全氟辛基)乙基甲基丙烯酸酯]改性的Ti₃C₂T_x MXene/PFPE复合润滑剂，可降低钢/钢摩擦对的摩擦和磨损。Sun等人[12]发现，将GO接枝1H, 1H-全氟辛基胺并加入PFPE中，可以明显降低钢/Ti6Al4V摩擦对的摩擦系数和磨损率。此外，当纤维素纳米晶体接枝聚六氟丁基甲基丙烯酸酯并作为功能填料用于PFPE时，所得润滑剂的摩擦学性能得到显著提升[13]。Bai等人[14]开发了一种MoS₂/PFPE复合超分子凝胶润滑剂，提高了MoS₂在PFPE中的分散稳定性，从而改善了PFPE的摩擦学性能。Li等人[15]发现，将MoS₂接枝三甲基氧基(1H,1H,2H,2H-全氟癸基)硅烷并加入PFPE中，可在高温条件下显著降低复合材料的摩擦系数和磨损率。这些研究表明，对二维纳米材料进行化学改性并改善其在PFPE中的分散性，可以在不同程度上提升复合润滑剂的摩擦学性能。然而，目前仍缺乏理论基础来预测、设计和高效制备具有优异分散性的改性二维纳米材料。纳米颗粒在PFPE润滑剂中的分散性差仍然是一个关键挑战。理解复合润滑剂系统内的（分子间）相互作用至关重要。

在我们之前的工作中[16]、[17]，通过原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）技术和理论计算，系统证明了氟化链之间的特殊排斥作用。这种排斥作用可以显著提高目标大分子在各种分散剂中的溶解度。在研究的氟化链中，(HFPO)_n-COF（n=2,3,4…15）因其独特的结构和广泛的应用前景而最具潜力[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。此外，(HFPO)n-COF中的酰氟基团在温和条件下可以有效地与纳米材料上的羟基或胺基反应[23]。

在本研究中，我们特意选择了(HFPO)_n-COF（n=2,3,4…15）并成功将其接枝到GO上，以充分利用氟化链之间的特殊排斥作用，减少或防止GO的聚集，并从根本上提高改性GO在PFPE中的分散性。在温和条件下高效制备(HFPO)_n-COF接枝GO（F_nGO）后，利用多种技术对其进行了表征，并全面评估了F_nGO在PFPE中的分散性。我们还系统研究了这种新型F_nGO/PFPE复合润滑剂在钢/钢和钢/Ti6Al4V摩擦对中的摩擦学性能。预计本研究将加深对功能性纳米添加剂在PFPE中分散机制的理解，并显著促进优秀润滑剂的发展。

材料

GO由苏州炭峰石墨烯科技有限公司提供。二甲基甲酰胺（DMF）、三氯三氟乙烷（R113）和丙酮由上海医药试剂有限公司提供，使用前无需进一步纯化。PFPE（CF₃O(OF₂CF₃O)_mO(CF₂O)_nCF₃）购自索尔维索莱克西斯有限公司。(HFPO)_n-COF（n=2,3,4）是根据我们之前的工作[18]通过阴离子开环聚合方法合成的。所有化学品均为分析级。

F_nGO的制备与表征

F_nGO通过UAGGH方法高效制备并进行了系统表征。F_nGO的详细表征结果见图S1–S6。根据图S1–S6的结果以及我们最近的研究，可以确认所制备的F_nGO成功存在于单层状态。

F_nGO在PFPE中的分散性

F_nGO/PFPE或GO/PFPE分散体系在超声辅助下以2.0 mg·mL^?1的名义浓度制备。F₂

结论

在本研究中，基于反应和分散体系之间相互作用的演变，提出了纳米材料在PFPE中分散受相互作用主导的假说（IDDNP）。根据这一假说，设计了三种新型F_nGO（n=2, 3, 4），成功制备并使其在PFPE中均匀分散。我们认为F_nGO在PFPE中的优异分散性是由于

CRediT作者贡献声明

王远祺：撰写——原始草稿、方法学、研究、数据管理。郑彤：研究、数据管理。赖学明：研究、数据管理。陈建刚：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、概念构思。张志芳：资源获取、方法学、数据分析。沈书坤：资源获取、资金申请、数据分析。王银雷：验证、研究、资金申请。刘兆铁：撰写——审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（22572116、22578261）、陕西省自然科学基金（2022GY-334）、中央高校基本科研业务费（GK202105005）、榆林市科技局科研计划项目（2024-CXY-062）以及榆林高新区“科学家+工程师”计划（YGXKG-2022-104）的财政支持。