KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 功能化软物质的构筑与其界面摩擦学研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 张冉 | |
| Thesis Advisor | 周峰 |
| 2018-05-22 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 仿生润滑 软物质 聚合物刷 水凝胶 摩擦调控 Biomimetic lubrication Soft matter Polymer brush Hydrogel Friction control |
| Abstract | 本论文综述了功能性软物质材料的研究进展，以两种常见的软物质--聚合物刷和水凝胶作为研究对象，讨论了其作为生物润滑材料的潜在应用。首先基于聚合物的刺激响应性，实现了软物质界面的摩擦调控；其次，从仿生角度设计了结构化水凝胶，并对其界面组分、结构设计与性能调控进行了研究，构筑了仿生润滑界面材料。其主要研究内容和结论如下： 1.响应性聚合物刷的摩擦性能调控。本研究系统考察了相反电荷表面活性剂分子与聚合物刷的弱相互作用及其对聚合物刷修饰界面的润湿和摩擦性能的影响。对阳离子（PMETAC）和阴离子（PSPMA）聚电解质刷来说，相反电荷表面活性剂分子通过静电和疏水作用吸附到聚合物链上，使得聚合物链失水收缩，界面摩擦从超低向超高逐渐转变。当表面活性剂浓度高于CMC时，由于胶束的润滑作用使得阴离子PSPMA刷界面摩擦降低，而阳离子PMETAC刷界面由于缺少胶束润滑仍保持较高摩擦，这可归因于表面活性剂分子与其的作用机理不同。对两性（PSBMA）和中性（POEGMA）聚合物刷来说，表面活性剂分子与聚合物链间的静电和疏水作用可忽略，几乎不会发生吸附，因此对界面摩擦不会产生影响。 2.水凝胶微刷的仿生水润滑研究。凝胶网络强的水合能力赋予了其优异的水润滑性能，然而过度水化往往导致凝胶机械性能变差，限制了其实际应用。本研究将聚电解质凝胶浇筑到多孔阳极氧化铝模板中，得到低摩擦、高承载的新型复合界面。两种电解质单体丙烯酸和甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐共聚后的凝胶网络在溶液介质中充分溶胀，产生对离子渗透压以分离接触界面，使其在高载下呈现出较低的摩擦系数（µ~0.01）。而且，复合界面的摩擦系数与滑动速度密切相关，基本不受载荷的影响。此外，由于聚合物链的构象易受介质影响，电解质溶液、金属离子以及离子表面活性剂等可以实现对水凝胶微刷摩擦性能的调控。 3.双层孔状水凝胶的摩擦学性能研究。受关节软骨微观结构的启发，通过盐滤出的方式制备得到了拥有多孔表层和致密基底的高强度双层孔状水凝胶。该双交联孔状水凝胶表现出了很高的拉伸和压缩强度，这归因于配位键可以有效地耗散外界能量。凝胶表层的孔结构通过填充润滑剂起到减摩的作用，下层凝胶通过与金属离子交联获得高强度，起到承载的作用。以海藻酸钠为润滑剂，该双层孔状水凝胶在接近7MPa的接触应力下表现出优异的润滑性能（µ~0.05）。相比于无孔水凝胶，润滑剂被牢牢锁在孔结构的内部以及表面，使孔状水凝胶在高载下呈现出较低的摩擦系数。双层孔状水凝胶兼具高承载与低摩擦，在关节软骨替代、组织工程等领域具有重要的应用前景。 4.棉纤维增强的超韧性水凝胶。材料的强度和韧性通常是一对相反的性质，因此发展既强又韧的软材料仍是一个挑战。自然界中很多材料，如骨头、贝壳等呈现出高强度与韧性的完美结合，为设计新型材料提供了灵感。受软骨表层定向排列的胶原纤维启发，将棉纤维与凝胶网络进行复合，得到兼具强度与韧性的纤维增强复合凝胶。PVA复合水凝胶的力学性能相比于空白样品有了大幅度提升，在含水量高达75%时，呈现出高的拉伸强度（5.7MPa）、高的压缩强度（12.6MPa）以及超高的撕裂能（23000J/m2）。当凝胶受到应力时，凝胶网络中的纤维通过伸长断裂来耗散能量，使凝胶的强度和韧性有了明显提高。这种韧性复合凝胶的制备方法简单，力学性能优异，有望用作承受强负荷张力的人工韧带和肌腱。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25283 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 张冉. 功能化软物质的构筑与其界面摩擦学研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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