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电子科技大学Advanced Materials: 仿蚯蚓润滑涂层:自调制减助、抗磨和抗污

2018-06-11 12:38:11
作者:崔加喜课题组
来源: 材料人

近日,电子科技大学的崔家喜教授和邓旭教授(共同通讯作者)团队在模仿蚯蚓这种自润滑机制上取得了一定进展。他们前期发展了一类具有自调制分泌性能的凝胶材料。这类材料能把硅油润滑剂包裹在uPDMS超分子聚合物基质(脲和聚二甲基硅氧烷的共聚物制)中,并在表面硅油润滑剂损耗后,自动放出硅油。

    【引言】


    蚯蚓经常从淤泥中光溜溜中爬出来,不带来一粒泥土;也经常在坚硬的地面下穿梭,不引起一点损伤。这些简单的自然现象其实展现了蚯蚓独特的润滑特性。这种特性与蚯蚓体表强大的分泌系统和凹凸的体表结构有密切的联系。强大的分泌系统让蚯蚓能在短时间内、快速地分泌大量粘液,而凹凸的体表结构帮助裹住这些粘液,从而在蚯蚓体表与土壤颗粒之间形成一个很厚的润滑层,阻止土壤与蚯蚓表皮的直接接触,实现减阻,保护和自清洁的效果。需要强调的是,在移动过程中,剧烈的固体物理摩擦会带走一部分粘液,蚯蚓总是能识别这种损失,及时补充粘液,保持滑溜的特性。虽然类似蚯蚓的润滑机制已引起科学家的高度重视,尤其是农业领域;但是像蚯蚓这样响应性地自补充润滑剂,从而实现减阻抗磨,仍是一个相当大的挑战。


    【成果简介】


    近日,电子科技大学的崔家喜教授和邓旭教授(共同通讯作者)团队在模仿蚯蚓这种自润滑机制上取得了一定进展。他们前期发展了一类具有自调制分泌性能的凝胶材料(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 10681;Nat. Mater. 2015, 14, 790)。这类材料能把硅油润滑剂包裹在uPDMS超分子聚合物基质(脲和聚二甲基硅氧烷的共聚物制)中,并在表面硅油润滑剂损耗后,自动放出硅油。他们通过简单高效的Breath Figure的方法,在这类材料的表面上制备具有一定尺寸的微观结构,从而制备了仿蚯蚓自润滑涂层。简单来说,他们首先制备了含uPDMS和硅油的THF溶液,并把溶液涂在基底上。在高湿度环境中,溶剂THF的蒸发会诱导空气中水气在聚合物浓溶液表面上冷凝。随着制备过程的进一步进行,这些冷凝水滴会进一步蒸发,留下具有一定尺寸的表面微观结构。由于uPDMS超分子聚合物凝胶是通过动态可逆性的氢键交联形成。在受到外界机械力的干扰时其交联平衡会发生快速移动,从而实现存储液体的响应性快速释放。这些释放的润滑剂会被表面微观结构所固定,形成一层比较厚的润滑层,这一过程非常类似于蚯蚓的润滑层形成,也可以实现材料的自清洁和自润滑。当材料体表的这层液体在外界影响下有所损失的情况下,在外界机械力的刺激下又可以随时生成,从而实现材料的可持续的使用。因此我们相信本工作中这种受蚯蚓启发的润滑机制对于在固体环境中使用的减摩、抗磨和自清洁涂层材料的设计和发展具有一定推动作用。


    研究成果以题为“Earthworm-inspired rough polymer coatings with self-replenishing lubrication for adaptive friction-reduction and anti-fouling surfaces”发布在国际着名期刊Advanced Materials 上,第一作者为电子科技大学博士后赵怀霞。该工作也得到了德国莱布尼茨新材料研究所的支持。


    【图文导读】


    图1.蚯蚓原型及其分泌示意图。

 

1.jpg


    a)外界刺激下的分泌行为:从潮湿土壤中移出的活蚯蚓的照片(i);刺激前(ii)和刺激后(iii)的蚯蚓皮肤表面的电子显微镜图片;

 

    b)蚯蚓表面纹理和分泌机制的示意图。


    图2.凝胶薄膜的制造和液体释放过程

 

2.jpg

 

    a)凝胶薄膜合成策略和刺激响应释放的示意图;

 

    b)不同时间形成的凝胶膜的俯视图;

 

    c)局部施压的情况下新鲜水洗样品的油释放行为。


    其中, b)和c)中的膜的厚度约为400μm。


    图3.基于uPDMS的凝胶材料的减磨抗组性能。

 

3.jpg


    a)在不同施加载荷的情况下,不同膜的动力摩擦系数(KFC)曲线;

 

    b)具有不同粗糙度的EWI膜在不同施加载荷的情况下的KFC曲线和循环测试。在循环测试中,测试膜在每次测试前首先要去除上在一次测试中形成的表面油层;

 

     c)在不同机械刺激周期中,EWI膜的减摩效应。红条是粗糙的纯uPDMS(Ra = 0.6μm)的KFC。文中使用表面光滑的纯的uPMDS膜作为对照来获得摩擦减小比率数值。施加的法向载荷是50 KPa;

 

    d)在50 KPa的法向载荷下,在滑动摩擦测试中种不同薄膜的摩擦系数。插图:放大的区域。这里使用的uPDMS涂层厚约400μm,以玻璃作为基材。


    图4.基于uPDMS的凝胶材料的摩擦稳定性测试。

 

4.jpg


    a)最大载荷为130 KPa时和1500次滑动循环后的表面光滑的纯uPDMS薄膜;

 

    b)最大载荷为130 KPa和1500次滑动循环后的表面粗糙的纯uPDMS薄膜;

 

    c)最大载荷105 KPa(断裂)和280个滑动循环(断裂)后的表面光滑的uPDMS-150%油膜;

 

    d)最大负荷为130 KPa和11000次滑动循环后的EWI薄膜。 在对其表面进行显微镜测试之前,摩擦过程中诱导产生的表面油层会首先被去除以暴露出表面纹理。


    3D光学测量技术(ZYGO,USA):采用白光干涉仪收集凝胶材料的3D图像。 图中比例尺为500微米。


    图5.不同湿度土壤中uPDMS凝胶材料的抗污性能测试。

 

5.jpg


    a)经过不同湿度(%)的土壤及其擦拭后的表面平滑的纯uPDMS,表面粗糙的纯uPDMS,表面平滑的uPDMS-150%和EWI薄膜的照片图像;

 

    b)通过泥浴前后(约30%含水量)的人工蚯蚓(表面粗糙的uPDMS-150%)的照片图像。 测试的薄膜样品的尺寸约为1.2厘米×2.0厘米,纤维样品长约5厘米,半径为1.2毫米。

 

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责任编辑:王元


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