核壳微纳复合结构的摩擦转移机制

The formation mechanism of transfer film is an important scientific problem of polymer tribology. The physical compound of the lubricant and anti-wear agent induce to the uneven dispersion and phase separation. The uniform and continuous transfer film could not be formed, the wear resistance of the self-lubricating polymer material could not be promoted under the severe condition with high load and speed. Therefore, the high performance additives with high load carrying, lower friction coefficient and wear resistance are expected to develop so that the uniform transfer film would be formed on the counter surface. In this project, the micro-nano composite particles with core-shell structure are prepared that the micron-sized polytetrafluoroethylene particles coated with the shell of polyacrylate, and then the particles composited with the nano-silica particles by the chemical bond. The variation of composite structure during the friction process, the influence of the surface/interface on the friction chemistry of composite structure, the impact of environment and operating condition on the anti-wear property of the friction transfer film are researched. The transfer mechanisms and structure control methods of composite particles are investigated to improve the integrity of the transfer film. The above research would supply some theoretical guidances to design and prepare the high performance polymer additives.

转移膜形成机制是聚合物摩擦学研究的重要科学问题。传统物理复配方法易产生软硬质相分散不均匀及明显的相分离，难以形成均匀完整的转移膜，严重制约了重载、高速等极端环境下自润滑高分子材料的耐磨性提升。因此，迫切需要发展集高承载、低摩擦及耐磨损为一体的高性能添加剂，促进聚合物均质转移连续成膜，以满足运动零部件对服役寿命的苛刻要求。本申请拟通过聚丙烯酸酯壳层包覆微米级聚四氟乙烯软质粒子，实现与纳米二氧化硅硬质粒子的化学结合，以此思路设计与制备软硬相共存的核壳微纳复合粒子。通过研究摩擦过程中微纳复合结构的演变规律，表界面特性对摩擦化学的作用机理，环境与摩擦学工况对转移膜耐磨性的影响因素，揭示微纳复合结构的转移成膜机制，建立提高转移膜完整性的结构调控方法，为研制高性能聚合物添加剂提供理论指导。

现代工业领域的迅速发展对新材料服役寿命的提升具有迫切需求，兼具高耐磨和低摩擦特性的高性能固体润滑剂已成为新型自润滑材料的重要研究方向。聚四氟乙烯（PTFE）作为一种具有优异自润滑特性的固体润滑剂，已被广泛地应用于各种聚合物基体以及润滑油脂。然而由于其耐磨性较差、承载力不足以及与其他材料相容性较差等缺点，严重限制了其在重要工程领域的广泛应用。传统的物理混合以及高能辐照、化学腐蚀等方法暴露出明显的相分离以及表面特性被破坏等弊端，已无法满足未来技术发展的应用需求。因此，亟需发展一种在不破坏表面特性的情况下能同时改善PTFE耐磨性、承载力以及润湿性的关键技术或手段。针对以上技术问题，本项目开展了新型PTFE基核壳复合粒子结构的设计、制备及其摩擦转移行为研究。研究结果表明：（1）所制备的PTFE@Polyacrylate复合物涂层具有优异的低摩擦和高耐磨特性，在高载荷和高速率下均能保持良好的摩擦学性能，涂层的摩擦学性能与均匀连续的转移膜形成密切相关。（2）PTFE@PR核壳粒子能够极大地提高PTFE的耐磨性以及PR的润滑性，核壳结构的形成可以进一步促进PTFE分子链和晶带在摩擦力诱导下沿滑动方向单向排列的转移能力，提高了摩擦转移膜与基底的结合力，表现出良好的耐磨寿命。（3）PTFE@SiO2核壳复合粒子作为添加剂具有优异的水润滑、油润滑以及固体润滑性能，其主要原因不仅与良好转移膜形成密切相关，而且SiO2的化学包覆结构可以显著提高PTFE作为润滑添加剂的耐磨性能。. 本项目通过研究摩擦转移过程中核壳微纳复合结构的变化规律，揭示了核壳结构的演变对聚合物摩擦转移的作用机制，以及核壳结构表界面特性对摩擦转移成膜的作用规律，建立了可形成均匀连续转移膜的核壳结构调控方法，制备的多种类型核壳复合粒子可作为提高耐磨性和抗承载能力的高性能润滑添加剂，可满足重载荷、高速度等苛刻工况对低摩擦运动零部件耐磨寿命的服役要求。