介孔含油聚氨酯材料的制备及摩擦机理研究

Owing to the smal pore sizes and particular structures, mesoporous polymer containing lubricating oils is a promising material for tribological application.This study adopts Polyurethane as the matrix and utilizes two different ways to prepare the mesoporous materials containing lubricating oils: preparation of oil containing Polyurethane with close pores by preparing the Polyurethane microcapsules encapsuled oil as core materials via interfacial polymerization and by embedding the microcapsules into the Polyurethane matrix; preparation of mesoporous Polyurethane with open pore by using silica as template,dispersing them into the Polyurethane solution, chemical etching and vacuum impregnation by sequence.The tribological behaviors of the two materials are studied by means of micro- and macro- wear testers;the process of formation, steady function and failure of the solid-liquid complex transfer films are evaluated and the lubrication mechanism of the materials are revealed; the tribological properties of the materials with different structures、sizes、morphologies、prosity rates and oil contens are studied and the relationship between the microstructure and the tribological properties are discussed. By analyzing physical morpholgy and chemical configuration of the worn surfaces, the tribochemistry is explored and the wear mechanism of the mesoporous Polyurethane containing lubricating oils are discussed.

聚合物介孔材料因其微小的孔径尺寸及特殊结构，是一种非常具有摩擦学应用潜力的新型材料。本研究采用聚氨酯作为基体材料，通过两种方式来制备聚氨酯介孔含油材料并对其摩擦学行为进行研究：界面聚合制备聚氨酯含油微胶囊，将其嵌入到聚氨酯基体中得到闭孔含油聚氨酯材料；模板法使用二氧化硅作为模板，通过溶液分散、化学刻蚀及真空浸油的方式得到开孔含油聚氨酯材料。使用微观以及宏观摩擦学评价方式考察两种含油聚氨酯材料摩擦磨损行为，分析固液复合润滑的形成、稳定作用及润滑失效，揭示材料的润滑机制；研究不同介孔结构、尺寸、形貌、介孔率以及含油量的材料的摩擦学性能变化，揭示材料的微观结构与材料的摩擦学性能的对应关系；通过分析磨损表面的物理形态及化学结构，揭示材料摩擦化学反应，探索介孔含油聚氨酯的磨损机理。

本研究通过两种方式制备得到开孔/闭孔含油聚氨酯材料并对其摩擦学行为进行研究：以甲基硅油为芯材，原位聚合的方式得到三聚氰胺甲醛（MF）单壁材微胶囊（MCLMs）以及MF-氧化锌纳米棒有机无机掺杂壁材微胶囊（BSLMs），将微胶囊嵌入到聚氨酯基体中得到闭孔含油聚氨酯材料。力学及摩擦学结果表明，MCLMs可以大幅提高聚氨酯的摩擦学性能，但降低了材料的力学及热学性能，因此需要增强第三体碳纤维的加入，通过其与MCLMs的协同作用，在保证复合材料优异的减摩抗磨性的同时，提高了材料的机械性能及热学性能；高强高绝热的氧化锌纳米棒的加入，使BSLMs呈现规则的“类海胆”结构，有利于提高微胶囊与基体的结合强度，使添加BSLMs的复合材料表现出优异摩擦磨损性能的同时，材料的力学、热学性能大幅提高，提高了材料的综合使用效率。对于BSLMs微胶囊，其制备方法简单有效，是制备高性能自润滑复合材料的有效途径。同时，本研究通过牺牲模板法及非溶剂诱导相分离法（NIPS）制备得到脉管开孔自润滑复合材料以及“蜂窝状”聚氨酯开孔含油材料，采用经纬编织的方式得到聚乳酸纤维-碳纤维(PLA-CF)复合纤维织物，通过浇注成型得到碳纤维增强脉管自润滑材料，碳纤维的增强弥补了脉管的存在导致的力学性能下降，通过脉管壁材的磨损引发的润滑油的释放可以对材料起到减摩抗磨作用，但正是这种润滑作用方式限制了材料在温和摩擦条件下的应用。NIPS得到的聚氨酯开孔材料呈现“墨水瓶”型通孔结构，材料的孔隙率及含油率很高，常规的摩擦条件下材料的摩擦处于接近流体润滑的范畴，摩擦磨损性能优异。