[发明专利]一种调控界面摩擦的纳米润滑添加剂、制造方法和用途

说明书

本发明属于功能材料及其制备技术领域，提供了一种调控界面摩擦的纳米润滑添加剂、制造方法和用途，包括以金纳米颗粒作为内核，温敏性聚合物交联网络作为外壳形成的核壳结构纳米球；其制造方法包括如下步骤：S1、金离子还原成金纳米颗粒制备得到金纳米颗粒溶液；S2、采用无皂乳液聚合方法合成复合微凝胶球分散液；S3、将S2合成得到的复合微凝胶球分散液进行纯化；复合微凝胶球分散在水中，作为水合润滑添加剂，能够响应近红外光刺激，用于制备实现低摩擦与高摩擦之间的快速切换的摩擦力切换剂。本发明采用无皂乳液聚合制造的纳米润滑添加剂能够响应近红外光刺激，从而实现低摩擦与高摩擦之间的快速切换，实现了远程调控微凝胶的摩擦性能。

技术领域

本发明属于功能材料及其制造技术领域，具体涉及一种调控界面摩擦的纳米润滑添加剂、制造方法和用途。

背景技术

摩擦在日常生活中随处可见。当行走和拿东西时，摩擦需要增加。然而，在机器运行过程中，摩擦可能导致零件磨损和失效，需要采取有效的措施减少摩擦。因此，根据不同的需求对摩擦进行调节和控制是非常必要的理论上，摩擦取决于接触面的表面性质及其相互作用，通过调整接触面性质和相互作用，可以将不可控的摩擦转化为可控的摩擦。特别是界面摩擦控制可以通过各种外部刺激(如温度、pH值、电解质、磁场和光)以可逆的方式实现。

在水介质中，可通过调节水化润滑来实现界面控制。众所周知，水是自然界中最常见、最环保的润滑剂。然而，由于水的粘度很低，容易造成金属表面的腐蚀，因此水在润滑剂中的应用受到很大的限制。幸运的是，水分子可以在极性基团周围形成水合层，从而减少相对滑动界面之间的摩擦。这一水化层是水化润滑的必要条件。因此，开发了各种添加剂来提高水润滑的效果。其中，热敏材料，特别是聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)基聚合物，已作为水相润滑添加剂调节界面摩擦。众所周知，PNIPAM是应用最广泛的热敏聚合物之一，其临界溶液温度(LCST)较低，约为32-33℃。在LCST以下，酰胺基团与水分子之间的氢键使PNIPAM周围形成水合层。在LCST上方，氢键断裂，水合层消失。PNIPAM由于其独特的热响应特性，已广泛应用于外部温度触发的摩擦调节。虽然PNIPAM基聚合物在摩擦控制中发挥了重要作用，但仍有两个问题需要解决。首先，电流模式的调节速率太慢，急需一个快速、灵敏的控制系统。第二，环境刺激条件必须与摩擦界面密切接触。这些案例可以在科学实验层面上操作，但在实际应用中很难实施。特别是在水下环境中控制界面摩擦时，除非摩擦副上固定有加热设备，否则很难改变滑动界面周围的局部温度，这将大大增加摩擦系统设计的复杂性。

为了解决这些问题，本发明引入近红外(NIR)光，通过光热效应来调节界面摩擦。在这种情况下，有几个好处:(1)摩擦控制可远程可逆实现；(2)无需增加加热设备直接接触摩擦界面；(3)该策略可用于水下摩擦控制。金纳米颗粒作为一种环境友好型光热制剂，在生物医学领域得到了广泛的应用，尤其是肿瘤的近红外光热治疗。受此启发，本发明选择金纳米颗粒作为智能润滑添加剂的近红外敏感核心。微凝胶是一种分子内交联的纳米或微尺度胶体粒子，在水中具有高度水化和溶胀性。由于胶体稳定性、剪切粘弹性和环境友好性，微凝胶已被证明是一种良好的水润滑添加剂，不仅表现出良好的润滑效果，还能实现外界刺激对界面摩擦的控制。基于此，本发明采用基于PNIPAM的微凝胶作为设计的润滑添加剂的热响应壳，当内部金纳米颗粒吸收近红外光并产生等离子体共振，将光能转化为热能，导致表面温度变化。外部热敏微凝胶感知温度变化，发生结构坍塌或膨胀，影响与摩擦控制相关的水化层的形成或消失。PNIPAM微凝胶和金纳米颗粒的结合为设计近红外光热润滑添加剂提供了一种简便的方法在近红外光照射下，这种基于PNIPAM和金纳米颗粒的近红外光响应微凝胶作为润滑添加剂在调节界面摩擦方面具有独特的能力。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有功能性涂层纤维存在的上述问题，通过无皂乳液聚合合成出可以进行光热转换的微凝胶球来达到快速摩擦调控的目的。解决了以往利用温敏性或pH敏感聚合物进行摩擦调控时变化条件复杂且费时的困难，利用近红外光调控摩擦不需要额外的复杂装置即可进行远程可逆调节，且调节范围可控，调控效率高。