水基润滑体系微型水凝胶胶囊润滑分子释放及其润滑机理研究

The decrease use of the oil-based lubrication is considered to avoid the pollution emission of oil lubricants and the leakage of oil resources. Nowadays, studies have been focused on the researches of water-based lubrication for its attractive advantages such as high efficiency, environmental friendly and low emission. However, the limitation of water-based lubricant applications is for its disadvantages including vaporization and corrosives. To solve the problems, the project is aimed to: (i) prepare the hydrogel microcapsules in a water-based lubricating system; (ii) examine the optimal characteristic parameters of the hydrogel microcapsules that have good lubrication-delivery performance under different shearing stress or pH or temperature values; (iii) characterize the friction properties of the hydrogel microcapsules under different shearing stress or pH or temperature values; associate the structure of the hydrogel microcapsules, the lubricant release response conditions with the tribological properties of the controllable hydrogel microcapsule; (iv) reveal the lubricating mechanism of the water-based lubrication system with hydrogel microcapsules.

本课题目的在于解决水基润滑系统中水分易挥发，易腐蚀金属部件的相关问题。将环境友好应用前景佳的药物载体材料引入水基润滑系统，作为胶囊外壳，水分子及小分子润滑剂为内核，制备微型水凝胶胶囊，从而抑制水分挥发，缓解水分子对表面的腐蚀。摩擦磨损过程中，在外力（主要是载荷或剪切应力）作用下，或利用体系的pH值或温度变化中诱导胶囊释放胶囊中的润滑剂及水分子，达到润滑液的持续补给，延续润滑时间。建立微型水凝胶胶囊性能参数、微型水凝胶胶囊释放润滑剂分子诱导条件以及所构建水润滑体系的摩擦学性能等关联机制，筛选出可调控的摩擦学性能优良的微型水凝胶胶囊润滑体系，并揭示该润滑体系相关摩擦磨损及润滑机理。该课题对于水基润滑系统的推广应用，节约石油资源，减轻环境污染，保护环境有重要意义。

本项目将环境友好应用前景佳的药物载体材料作为胶囊外壳，水分子及小分子润滑剂为内核，引入水基润滑系统。通过pH值或温度变化诱导胶囊中的润滑剂及水分子缓慢释放，达到润滑液的持续补给，延续润滑时间的目的。制备了pH值敏感性微孔膜壳聚糖类微孔膜，以及pH值和温度均敏感的微孔膜聚乙烯醇-纤维素加载聚（N-异丙基丙烯酰胺）微孔膜。研究发现，pH值敏感性的壳聚糖-透明质酸、壳聚糖-海藻酸钠-透明质酸两种微孔膜摩擦性能较好，膜中润滑剂可以在载荷、频率以及pH值等外界条件下进行调节；壳聚糖-聚乙烯醇-聚乙二醇微孔膜的摩擦性能也较好，但其润滑剂聚乙二醇的释放量受pH值影响甚微，聚乙二醇易溶于水使得润滑剂缓释难以调控。微孔膜的润滑作用是透明质酸溶液的润滑作用、分子刷效应与壳聚糖磨损微粒三因素相互作用相互影响的结果。制备的聚（N-异丙基丙烯酰胺）水凝胶在32℃-40℃之间存在凝胶-溶胶可逆转变，在pH值7.04-8.80左右范围也存在与温度变化类似的凝胶溶胶可逆转变，而在pH值2.50左右、pH值10.04左右溶胶凝胶转变是不可逆的。当环境温度在聚（N-异丙基丙烯酰胺）凝胶溶胶转变温度范围以下时，温度的变化对其性能影响较小。聚（N-异丙基丙烯酰胺）在不同温度不同pH值介质中静置释放量的测试中发现，温度和介质pH值都对聚（N-异丙基丙烯酰胺）的释放率均有影响。在微孔膜制备过程中加入硼砂可使聚（N-异丙基丙烯酰胺）与载体结合力增强并延缓聚（N-异丙基丙烯酰胺）在介质溶液中扩散释放。项目中润滑剂的缓释调节，是模拟人体关节中关节囊分泌关节滑液的机能，并为将来实现人工关节持续长效润滑提供一定的试验基础。