面接触下聚合物刷润滑性能的研究

摘要

关节滑液为关节接触区域提供了极好的水润滑性能，这一神奇的生物润滑特性吸引了许多学者进行探究，基于天然滑液关节微观结构和润滑机制的启发，科学家发现表面接枝聚合物刷在水环境中的超低摩擦性能和良好的生物相容性，越来越多的国内外学者开始表面接枝聚合物刷这一先进的仿生润滑技术进行研究。近年来，关于聚合物刷的研究基本都是围绕聚合物刷在微观下的探究，即对不同环境状态下的摩擦力以及摩擦系数进行表征，而在聚电解质刷宏观方面特性的探究相对较少。
　　本文在中科院兰州化学物理研究所国家重点固体润滑实验室的支持下，利用本研究所自制的面接触膜厚测量实验装置，以光滑微型滑块和表面接枝聚合物刷的玻璃块/钢块与透明的玻璃盘作为接触副，探究了低副下聚合物刷界面在三种润滑液中对其润滑性能的影响，其主要包括:
　　1)去离子水中聚电解质刷的实验研究:分析试验结果表明，去离子水在接枝PSPMA刷试样块表面极小的接触角验证了聚电解质刷PSPMA的亲水性;与光滑块光干涉曲线的对比验证了聚电解质刷的吸水溶胀性;在载荷2N、倾角1/1474和1/747下，光滑试样块没有形成有效的润滑膜厚，而PSPMA修饰的试样块在去离子水中形成了一定的有效润滑膜厚，聚合物刷的存在促成了表面水膜的形成并且在较低速度下膜厚-速度曲线不成线性关系，随着速度的增大，膜厚逐渐与转速成一定的线性关系，聚合物链溶胀完全，水膜的形成是基于接触区域的流体动压效应;PSPMA修饰的试样块形成的膜厚随着载荷的增大而减小（一定载荷内）。通过聚合物刷对去离子水的超级亲水特性，对运动中表面接枝的聚合物刷进行了一定的磨损探究，发现随着卷吸速度和载荷的增加，表面接枝的聚合物刷接触角增大，表面聚合物链磨损的加剧。
　　2)盐溶液中聚电解质刷的实验研究:分析试验结果表明，在载荷2N、倾角1/1474和1/747下，PSPMA修饰的试样块在盐溶液中随着转速的增加能形成一定的润滑膜厚，在0.1mol/L NaNO3和去离子水中形成的膜厚很相似，但是在较大浓度的盐溶液中形成的润滑膜厚比较低;在三种正离子不同的盐溶液中，聚阴离子刷PSPMA形成的膜厚不同，随着盐溶液中正离子的极性越强，PSPMA修饰的试样块膜厚越低，从而润滑性能降低，这与已有的理论相符。
　　3)润滑油中聚电解质刷的实验研究:分析试验结果得出，PAO和PEG油在聚合物刷修饰的表面极低的接触角表明PSPMA是亲油性的，光强曲线的变化表明聚合物链不具有吸油溶胀性;在载荷2N、倾角1/1474和1/747下，聚合物刷PSPMA能够在油中形成一定的润滑膜，但是效果低于光滑表面;较低速度下，接枝PSPMA的试样表面在高浓度的PEG形成的膜厚是略高于低浓度的，随着速度的增加低浓度的PEG中形成的膜厚反优于高浓度的;在载荷2N、倾角1/1474下，表面接枝PSPMA的试样块在PAO4、PAO8两种油中形成的膜厚相近，并且低速下润滑效果优于去离子水，随着速度的增加润滑效果减弱。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 聚合物刷的由来

1．2．1 生物关节润滑的启示

1．2．2 表面接枝聚合物刷

1．3 聚合物刷的研究进展

1．4 本课题的意义及论文的主要内容

第2章 面接触润滑性能试验装置

2．1 实验设备

2．2 润滑膜厚测量原理及聚合物刷的磨损测量

2．3 聚合物刷试样PSPMA介绍

2．31 聚合物刷的制备

2．4 试验条件

2．5 实验步骤

2．6 本章小结

第3章 低副下聚合物刷在去离子水中的实验研究

3．1 聚合物刷亲水性的实验研究

3．2 聚合物刷水合溶胀特性的实验探究

3．3 聚合物刷润滑性能的实验研究

3．3．1 卷吸速度对聚合物刷润滑性能的影响

3．3．2 载荷对聚合物刷润滑性能的影响

3．4 去离子水中聚合物刷磨损性能的影响

3．5 本章小结

第4章 低副下聚合物刷在盐溶液中的实验研究

4．1 盐溶液中聚合物刷润滑性能的实验研究

4．1．1 盐溶液对PSPMA润滑厚度的影响

4．1．2 盐溶液的浓度对PSPMA润滑厚度的影响

4．2 表面活性剂对PSPMA润滑厚度的影响

4．3 盐溶液中聚合物刷润磨损能的实验研究

4．4 本章小结

第5章 低副下聚合物刷在润滑油中的实验研究

5．1 验证聚合物刷PSPMA亲油非吸油的特性研究

5．2 PSPMA在PEG中润滑性能的研究

5．3 PSPMA在PAO油中润滑性能的研究

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士期间完成的学术论文及成果

致谢