一種結(jié)構(gòu)化水凝膠復(fù)合潤滑材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)化水凝膠復(fù)合潤滑材料及其制備方法，屬于工程潤滑領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]關(guān)節(jié)的磨損會引發(fā)一系列生理疾病，嚴(yán)重影響人體的健康，而解決關(guān)節(jié)磨損核心的問題是:如何最大程度的減小剪切過程中關(guān)節(jié)界面的摩擦力。研宄表明，人體內(nèi)關(guān)節(jié)的潤滑主要依靠關(guān)節(jié)軟骨和關(guān)節(jié)液的協(xié)同效應(yīng)。在過去的幾十年里，各種仿生人工關(guān)節(jié)材料相繼被開發(fā)，如超高分子量聚乙烯、鈦合金類材料。考慮到臨床應(yīng)用，所有的關(guān)節(jié)仿生材料都必須滿足以下三點:生物相容性好；磨損低；使用壽命長。通常采用對高分子材料進(jìn)行表面改性來提高其生物相容性；而為了實現(xiàn)低磨損和長的使用壽命，必須從界面角度出發(fā)，最大程度的優(yōu)化材料的設(shè)計理念。水凝膠作為一種三維的彈性高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體，在生物組織領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景，而低摩擦力的水凝膠有望作為關(guān)節(jié)替代品而頗受關(guān)注。然而，與人體關(guān)節(jié)潤滑機(jī)理相比較，傳統(tǒng)的本體水凝膠存在以下的問題:塊體凝膠溶脹體積過大，在高承載剪切過程之中畸變嚴(yán)重，很難獲得良好的潤滑效果(即便是高強(qiáng)度水凝膠)；如何增強(qiáng)本體水凝膠與基底的結(jié)合強(qiáng)度及穩(wěn)定性；凝膠界面受磨損后，如何快速的自修復(fù)也是一個急需解決的問題。而解決這些問題僅僅依靠優(yōu)化水凝膠結(jié)構(gòu)與組分是不夠的，還需要一種新的界面設(shè)計理論:即從水凝膠摩擦與潤滑角度出發(fā)，開發(fā)和設(shè)計出新型的關(guān)節(jié)潤滑材料。
[0003]因此，開發(fā)一種新型的仿生水凝膠體系，使其能夠在高承載的條件下實現(xiàn)界面的低磨損、自修復(fù)顯得尤為緊迫。我們將功能性水凝膠澆注于無機(jī)多孔材料中，制備出以多孔材料為限域支撐模版，結(jié)構(gòu)化水凝膠層為潤滑相的復(fù)合體系，以此來實現(xiàn)高承載條件下界面的超低摩擦和自修復(fù)功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)化水凝膠復(fù)合潤滑材料及其制備方法。本發(fā)明以多孔材料為填充模版，將丙烯酸或其衍生物單體預(yù)聚液澆注于填充模版中，于高溫下進(jìn)行自由基交聯(lián)聚合，然后將表層水凝膠層除去，即得無機(jī)多孔模版限域的水凝膠復(fù)合潤滑材料。
[0005]一種結(jié)構(gòu)化水凝膠復(fù)合潤滑材料，其特征在于該材料包括無機(jī)多孔材料支撐模版、限域于模版孔道之中的水凝膠纖維和伸出孔外的水凝膠薄膜。
[0006]所述無機(jī)多孔材料為氧化鋁、氧化鈦、陶瓷或分子篩，其孔徑為1nm?lOOOnm。
[0007]所述伸出孔外的水凝膠薄膜的厚度為3-10 μπι。
[0008]一種結(jié)構(gòu)化水凝膠復(fù)合潤滑材料的制備方法，其特征在于:將水凝膠單體預(yù)聚液除氧，然后將表面活化的無機(jī)多孔材料浸入水凝膠單體預(yù)聚液中進(jìn)行抽真空澆注處理，而后進(jìn)行熱引發(fā)的自由基交聯(lián)固化；水凝膠網(wǎng)絡(luò)形成后，除去多孔模版外的體相水凝膠層，即得無機(jī)多孔模版限域的水凝膠復(fù)合潤滑材料。
[0009]所述水凝膠單體預(yù)聚液包括單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑，其中單體為丙烯酸或丙烯酸衍生物，引發(fā)劑為過硫酸鉀，交聯(lián)劑為N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺。
[0010]所述丙烯酸或丙烯酸衍生物、過硫酸鉀、N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺的摩爾比為:1:
0.005?0.05: 0.005?0.05。
[0011]所述丙烯酸衍生物為甲基丙烯酸3-磺酸丙酯、甲基丙烯酸3-羧酸丙酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸3-磺酸丙酯鉀鹽或甲基丙烯酸3-羧酸丙酯鈉鹽。
[0012]所述抽真空的時間為I?3 h。
[0013]所述熱引發(fā)的自由基交聯(lián)固化的時間為5?8 h，溫度為50?100°C。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
1、本發(fā)明將無機(jī)多孔材料與水凝膠進(jìn)行復(fù)合，制備出的復(fù)合材料結(jié)合力好，解決了水凝膠與基底的結(jié)合力問題。
[0015]2、本發(fā)明所述水凝膠復(fù)合潤滑材料在空氣和水相介質(zhì)中均表現(xiàn)出超強(qiáng)的穩(wěn)定性，高承載下(40N)以球形的聚二甲氧基硅氧烷(PDMS)為摩擦副，可實現(xiàn)界面超低摩擦(摩擦系數(shù)小于0.01)，摩擦測試過程中復(fù)合界面表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性，測試循環(huán)可維持萬次以上，且摩擦過程中水凝膠會原位的從孔里釋放出來，實現(xiàn)了原位的自修復(fù)。
[0016]3、本發(fā)明制備工藝簡單，可操作性強(qiáng)，所用原料易得，成本較低。采用的原位水凝膠澆注聚合方法，可拓展至其它功能性單體和其它無機(jī)、有機(jī)多孔模版的復(fù)合，制備得到一系列水凝膠復(fù)合潤滑材料。
[0017]4、本發(fā)明所述水凝膠復(fù)合界面具有高承載、超潤滑和自修復(fù)性能。另外，由于該界面水凝膠具有敏感的酸堿響應(yīng)性，將有助于新型智能界面開關(guān)材料的開發(fā)。
【具體實施方式】
[0018]為了更好的理解本發(fā)明，通過以下實施例進(jìn)行說明:
實施例1陽極氧化鋁膜限域的丙烯酸水凝膠復(fù)合材料的制備
1)丙烯酸水凝膠單體預(yù)聚液的配置:稱取1.5 g丙烯酸、0.0lg N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、0.01 g過硫酸鉀溶于10 mL水中，惰性氣體保護(hù)下，攪拌溶解I h ;
2)丙烯酸水凝膠氧化鋁復(fù)合材料的制備:陽極氧化鋁多孔膜于氧激光等離子體反應(yīng)器中處理3 min，使表面發(fā)生活化，然后將配好的丙烯酸水凝膠單體預(yù)聚液澆注于多孔陽極氧化鋁膜上，四周用環(huán)氧樹脂膠封端，在真空干燥箱內(nèi)澆注2 h ;然后將其置于50-80°C烘箱內(nèi)，交聯(lián)固化5 h。水凝膠交聯(lián)固化后，除去表層體相水凝膠，殘留體相凝膠經(jīng)去水化自然脫落，即可得到結(jié)構(gòu)化的無機(jī)有機(jī)水凝膠復(fù)合潤滑材料。
[0019]摩擦性能測試:選用UMT-2通用摩擦磨損試驗機(jī)對復(fù)合材料進(jìn)行摩擦學(xué)測試，載荷 3 N-40 N，滑動頻率 I Hz-7 Hz，潤滑介質(zhì)為 pH=12、pH=10、pH=7.5、pH=5、pH=4、pH=2 的水溶液，對偶為PDMS球。經(jīng)測試摩擦系數(shù)隨pH值的增大而減小，弱堿介質(zhì)中摩擦系數(shù)小于
0.0lo
[0020]實施例2多孔陶瓷塊限域的甲基丙烯酸3-磺酸丙酯鉀鹽水凝膠復(fù)合材料的制備
I)甲基丙烯酸3-磺酸丙酯鉀鹽水凝膠單體預(yù)聚液的配置:稱取3.0 g甲基丙烯酸
3-磺酸丙酯鉀鹽、0.02 g N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、0.015 g過硫酸鉀溶于15 mL水中，惰性氣體保護(hù)下，攪拌溶解I h ; 2)甲基丙烯酸3-磺酸丙酯鉀鹽水凝膠多孔陶瓷復(fù)合材料的制備:多孔陶瓷塊于氧激光等離子體反應(yīng)器中處理3 min，使表面發(fā)生活化，然后將配好的甲基丙烯酸3-磺酸丙酯鉀鹽水凝膠單體預(yù)聚液澆注于多孔陶瓷塊上，在真空干燥箱內(nèi)澆注2 h ;然后將其置于50-80°C烘箱內(nèi)，交聯(lián)固化8 ho水凝膠交聯(lián)固化后，除去表層體相水凝膠，即可得到多孔陶瓷限域的甲基丙烯酸3-磺酸丙酯鉀鹽水凝膠復(fù)合材料。
[0021]摩擦性能測試:選用UMT-2通用摩擦磨損試驗機(jī)對復(fù)合材料進(jìn)行摩擦學(xué)測試，載荷40 N，滑動頻率2 Hz，潤滑介質(zhì)為pH=6.8的純水溶液，對偶為PDMS球。經(jīng)測試摩擦系數(shù)小于0.0l0
【主權(quán)項】
1.一種結(jié)構(gòu)化水凝膠復(fù)合潤滑材料，其特征在于該材料包括無機(jī)多孔材料支撐模版、限域于模版孔道之中的水凝膠纖維和伸出孔外的水凝膠薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于所述無機(jī)多孔材料為氧化鋁、氧化鈦、陶瓷或分子篩，其孔徑為1nm?100nm0
3.如權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于所述伸出孔外的水凝膠薄膜的厚度為3-10μ m0
4.如權(quán)利要求1、2或3所述材料的制備方法，其特征在于:將水凝膠單體預(yù)聚液除氧，然后將表面活化的無機(jī)多孔材料浸入水凝膠單體預(yù)聚液中進(jìn)行抽真空澆注處理，而后進(jìn)行熱引發(fā)的自由基交聯(lián)固化；水凝膠網(wǎng)絡(luò)形成后，除去多孔模版外的體相水凝膠層，即得無機(jī)多孔模版限域的水凝膠復(fù)合潤滑材料。
5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述水凝膠單體預(yù)聚液包括單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑，其中單體為丙烯酸或丙烯酸衍生物，引發(fā)劑為過硫酸鉀，交聯(lián)劑為N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺。
6.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于所述丙烯酸或丙烯酸衍生物、過硫酸鉀、N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺的摩爾比為:1: 0.005-0.05: 0.005-0.05 ο
7.如權(quán)利要求5或6所述的制備方法，其特征在于所述丙烯酸衍生物為甲基丙烯酸3-磺酸丙酯、甲基丙烯酸3-羧酸丙酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸3-磺酸丙酯鉀鹽或甲基丙烯酸3-羧酸丙酯鈉鹽。
8.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述抽真空的時間為I?3h。
9.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述熱引發(fā)的自由基交聯(lián)固化的時間為5?8 h，溫度為50?100°C。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)化水凝膠復(fù)合潤滑材料，該材料包括無機(jī)多孔材料支撐模版、限域于模版孔道之中的水凝膠纖維和伸出孔外的水凝膠薄膜。該復(fù)合潤滑材料具有高承載、超潤滑和自修復(fù)性能。本發(fā)明還公開了該復(fù)合潤滑材料的制備方法。
【IPC分類】C08F292-00, A61L31-04, A61L31-14
【公開號】CN104667357
【申請?zhí)枴緾N201510060042
【發(fā)明人】周峰, 麻拴紅, 葉謙
【申請人】中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月5日