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《先進材料》界面動態減摩抗磨新方法

2018-10-26 12:20:40 來源：中科院蘭州化物所分享至：

發展通用的表面修飾技術是實現材料功能化的有效途徑之一。目前已有的表面修飾策略所用的表面修飾物主要以鏈狀聚合物、大分子以及小分子化合物為主，尚無技術能夠在材料表面可控修飾機械耐受性更好的水凝膠涂層，從而實現界面動態減摩抗磨。

近日，中國科學院蘭州化學物理研究所周峰研究員團隊發展出表面催化引發自由基聚合技術（surface catalytically initiated radical polymerization, 簡稱SCIRP，圖1），成功實現界面動態減摩抗磨。

受摩擦學中“原位摩擦聚合理念”啟發，研究人員在前期研究中發現將鐵絲浸沒到水凝膠預聚液中后，室溫下鐵絲表面會聚合形成一層具有低摩擦系數的透明水凝膠膜。當水凝膠膜被破壞之后，鐵絲表面會重新生成新的凝膠潤滑膜。以氮化硅為對偶、水凝膠預聚液為潤滑介質、不銹鋼板材作為基體材料的長磨測試過程中，研究人員觀察到了原位的減摩和抗磨現象。這種現象背后的科學機制為：磨損區域暴露出的二價鐵和預聚液中的過硫酸根離子發生氧化還原反應，降低了自由基聚合過程中鏈引發（決速）步的活化能，使得磨損區域在室溫下能夠原位地生成水凝膠潤滑膜。

基于以上實驗結果，研究人員發展了一種通用的水凝膠表面修飾技術。隨后，通過不同的成型技術將鐵催化劑復合到了不同的基體材料中（包括聚氨酯、環氧樹脂、聚四氟乙烯、PDMS、PTFE、偏氟乙烯、UHMWPE、PEEK、陶瓷、金屬間化合物等），制備得到了含鐵催化劑的一系列復合材料。

實驗結果表明，在室溫下將復合材料浸入到水凝膠預聚液中，經過很短的反應時間復合材料表面即可通過原位聚合包覆一層均勻的水凝膠膜，進而快速地改變了材料表面的潤濕和潤滑特性。其間，水凝膠膜厚度及網絡結構可通過聚合反應動力學精準控制。研究人員將這一新方法命名為SCIRP。實現過程中，研究人員還發現SCIRP具有多次連續引發聚合特征，即在無需去除原有材料表面第一層水凝膠涂層的前提下，第二種或第三種凝膠單體可在材料表面發生連續聚合，形成多網絡或者梯度結構水凝膠涂層。最近該成果在線發表在Advanced Materials 上。

圖1表面催化引發自由基聚合技術（surface catalytically initiated radical polymerization- SCIRP）

用于在材料表面修飾水凝膠涂層示意圖和決速步活化能分布曲線圖隨后，基于水凝膠材料成型較難的現實和復雜結構水凝膠管簡易制備的技術需要，研究人員又通過化學聚合成功制得復雜結構三維水凝膠管材料。他們發現當以鐵絲或棒狀含鐵復合材料作為生長模板時，移除模板后可獲得中空水凝膠管。利用此方法，研究人員拓展了凝膠管的化學組分，成功制備得到了8至9種不同化學組分的水凝膠管材料。通過使用多根鐵絲作為生長模板，可制備得到具有復雜結構的三維水凝膠管材料（圖2）。

該項工作是材料學界第一次從化學聚合角度成功制得中空水凝膠管材料，單體普適性較強，與傳統的模板澆筑法和3D打印擠出成型技術相比具有明顯區別。研究人員將制得的中空水凝膠管作為人工血管組織模型體與內皮細胞（PAEC）進行共培養，發現在培養12天之后，凝膠管內壁形成了連續的內皮層，并出現了α-平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin,α-SMA）的特異性表達，表明制得的凝膠管具有用作人工血管模型的潛力。最近，該研究在線發表在Chemistry of Materials 上（DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b02532）。