PNIPAM微凝胶的温敏润滑行为研究

发布时间：2020-06-13 06:18

【摘要】：现代机械设备中约有1/3能量因为运动机构之间的摩擦而损失掉,并且还会带来磨损,造成机械结构的损坏和失效。减小运动部件间的摩擦和磨损最好的方式就是提高相对运动表面间的润滑。水具有良好的冷却性,价格低廉,来源广可再生的特点,使得水基润滑在轧制、磨削切削、人工关节润滑等领域具有广泛的应用,但水的粘度低,成膜性差限制了它的润滑性。因此,在这些领域提高水的润滑性能具有非常重要的实际意义。本论文通过乳液聚合法成功制备了聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)微凝胶,通过调节反应物的浓度,制备得到不同粒径PNIPAM微凝胶,制得的PNIPAM微凝胶粒径分布集中,呈规整的球状结构,PNIPAM微凝胶的粒径随着温度升高不断减小,并且超过临界温度~31℃以后,粒径急剧减小。将PNIPAM微凝胶作为水溶液添加剂,研究了微凝胶浓度、粒径、温度对微凝胶水溶液润滑性能的影响。结果表明,PNIPAM微凝胶具有明显的温敏润滑特点,它可以在摩擦界面起到弹性滚珠润滑的作用,显著提高水溶液的润滑性能,粒径越小的微凝胶越容易进行进入摩擦界面,并且微凝胶的加入,有利于摩擦表面形成具有保护性质的氧化膜,降低了材料的磨损;温敏润滑机制在于温度刚升高阶段会引起微凝胶失水塌陷,导致水溶液润滑性能降低,而当温度继续升高,微凝胶持续失水收缩成紧致的球状微粒,进而改善了水溶液润滑性能。将PNIPAM微凝胶添加到模拟关节滑液中,研究了摩擦条件和温度对模拟关节滑液润滑性能的影响。实验结果表明,在低载条件下,PNIPAM微凝胶会提高模拟关节滑液的润滑性;并且微凝胶在滑液中也展现了显著的温敏润滑特性,这是由于当温度升高,微凝胶收缩吸附在滑液蛋白分子表面共同起润滑作用,改善润滑性能,但温度持续上升,微凝胶和滑液蛋白分子相互作用,共同从溶液中析出,造成滑液润滑性能降低。
【图文】：

示意图,微凝胶,制备流程,示意图

名称(简称) 纯度生产商N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM) >98 % 上海笛柏生物科技有限公司N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(BIS) >98 % 上海笛柏生物科技有限公司过硫酸铵(APS) >98 % 天津市鼎盛鑫化工有限公司十二烷基磺酸钠(SDS) 99 % 上海伊卡生物科技有限公司小牛血清蛋白细胞培养级广州鸿泉生物科技有限公司2.2.2 PNIPAM 微凝胶的制备通过经典的乳液聚合法制备 PNIPAM 微凝胶[64]，具体操作流程如图 2.1 所示。首先将 0.9 g NIPAM, 0.017 g BIS, 0.025 g SDS 加入 60 mL 去离子水中，磁力搅拌40 min，，然后将氮气通入混合溶液以去除溶液中的氧，接下来通过注射器将 5 mL浓度为0.0084g/mL的APS溶液添加到混合溶液中，最后在65℃条件下反应4.5h，即可得到乳白色 PNIPAM 微凝胶溶液。使用去离子水透析制得的 PNIPAM 微凝胶样品，每隔 12 h 更换一次去离子水，透析过程中不断磁力搅拌以加快纯化速度，在经过 7 d 的透析处理后，样品才可以使用。

粒度分布,粒度分布,微凝胶,第一

图 2.3 第一(a)、二(b)、三(c)、四号(d)样品的粒度分布图Fig. 2.3 Particle size distributions of four PNIPAM microgels samples图 2.3 显示了四种 PNIPAM 微凝胶的粒度分布图，可以发现这四种微凝胶的粒度分布图是不一样的，但四种样品的粒径分布都相对集中，表明制备得到微凝胶颗粒粒径较为均一。第一(2.3a)，二(2.3b)，三号(2.3c)微凝胶样的粒径都在 1000nm以下，一号微凝胶样的粒径集中分布 250~450nm，二号微凝胶样粒径集中分布在300~ 500 nm，三号微凝胶样粒径集中分布在 400~ 700 nm。而四号(2.3d)微凝胶样的部分粒径大于 1000 nm，但大都是低于 1000 nm，并且其粒径主要分布在 600~1000 nm。图 2.4 显示的是 SDS 浓度对 PNIPAM 微凝胶粒径的影响，从图我们可以发现SDS 浓度与微凝胶的粒度之间存在负相关关系，但不存在线性变化的关系。随着反应体系中 SDS 的浓度增大，PNIPAM 微凝胶的粒径不断减小。当 SDS 浓度从0.154 g/ L 上升到 0.384 g/ L 时，所制得的微凝胶的粒度从 744.5 nm 下降到 323.8nm，当浓度从 0.154 g/ L 上升到 0.308 g/ L 时，粒度随浓度变化明显，但浓度 0.308g/ L 上升到 0.384 g/ L 时，粒径变化相对较小，也就说当 SDS 浓度达到一定值后，
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ427.26

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