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  機械系統(tǒng)中普遍存在的摩擦和磨損必然會導致巨大的能量損失，甚至機械故障。解決這個問題的最好方法是潤滑機械系統(tǒng)的各個摩擦部件。配方潤滑油可有效減少摩擦磨損，從而顯著提高機械的能源利用效率和使用壽命。潤滑添加劑則是決定配方潤滑油性能的關鍵。二維(2D)納米材料如石墨烯、六方氮化硼(h-BN)和石墨氮化碳(g-C₃N₄)具有層狀晶體結構。在同一層內(nèi)，原子通過共價鍵結合在一起，提供了高的機械強度，而層間受到弱的π?π 堆積相互作用約束。在剪應力作用下，相鄰層間極易產(chǎn)生相互滑動。與傳統(tǒng)的有機小分子添加劑相比，它們具有更為出色的化學和機械穩(wěn)定性，在潤滑過程中有害氣體的排放和毒性顯著降低。因此，這些二維納米材料一直被認為是一類環(huán)保型、綠色的潤滑添加劑。

  然而，h-BN、氧化石墨烯（GO）和g-C₃N₄等二維納米材料與基礎油不相容，嚴重限制了其作為潤滑添加劑的實際應用。通過表面烷基鏈修飾，可使它們均勻地分散在基礎油中。然而，隨著時間的推移，由于二維納米材料的平面尺寸較大，它們之間的范德華引力比二維納米材料與基礎油之間的范德華引力更強，這些分散體系更傾向于凝聚和沉淀。這些表面改性和功能化處理不能解決二維納米顆粒在潤滑基礎油中的長期膠體穩(wěn)定性問題。因此，制備二維納米材料的均勻油分散體系并進一步表現(xiàn)出長期膠體穩(wěn)定性仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

  針對上述問題，他們合理設計了兩親性遙爪型聚合物并在基礎油中構建了超分子凝膠，利用它們來穩(wěn)定二維納米材料。如圖1a所示，合成了聚(2-甲基丙烯酸羥乙酯)-嵌段-聚(甲基丙烯酸硬脂酯)-嵌段-聚(2-甲基丙烯酸羥乙酯)的兩親性遙爪型聚合物(H_mS_2nH_m, 2n = 30, 50, 70; m = 6)。選擇它們是因為: (1)不溶于油的H_m嵌段之間會發(fā)生氫鍵相互作用，這與親油的S_2n嵌段一起，有助于在潤滑基礎油中形成超分子凝膠(圖1b和c)。(2) H_m嵌段可以與GO和g-C₃N₄形成多個氫鍵(圖1b和d)。(3) h-BN的部分離子性使其具有極化表面，因此，H_m嵌段可以與h-BN表面形成偶極-偶極吸引(圖1b和d)。將二維納米添加劑分散在基礎油中，得到的復合油凝膠h-BN@H_mS_2nH_m、GO@ H_mS_2nH_m和g-C₃N₄@ H_mS_2nH_m (2n = 30, 50, 70; m = 6)不僅表現(xiàn)出至少一年以上的抗團聚和抗沉淀的長期分散穩(wěn)定性，而且在減摩和耐磨方面表現(xiàn)出優(yōu)異的潤滑性能。 

圖1. (a) H_mS_2nH_m的合成路線; (b) 代表性超分子油凝膠: H₆S₅₀H₆, h-BN@ H₆S₅₀H₆, GO@ H₆S₅₀H₆和g-C₃N₄@ H₆S₅₀H₆; (c) 由H₆S₅₀H₆形成的超分子油凝膠的結構示意圖; (d) 復合油凝膠h-BN@ H₆S₅₀H₆, GO@ H₆S₅₀H₆和g-C₃N₄@ H₆S₅₀H₆的結構示意圖。

  流變學研究表明（圖2）：在所測試的頻率范圍內(nèi)（0.01-100 rad/s）內(nèi)，油凝膠的儲能模量G′始終大于損耗模量G″，這與油凝膠的長期穩(wěn)定性相一致。此類油凝膠還具有良好的自恢復性能。 

圖2. 油凝膠H₆S₅₀H₆和h-BN@H₆S₅₀H₆的流變學表征：(a) 應變1%時的頻率掃描；(b) 頻率1Hz時的應變掃描； (c) 應變1%，頻率1Hz時的溫度掃描；(d) 頻率1Hz時的動態(tài)應變階躍測試(1%或200%)。 

圖3. (a) H₆S₃₀H₆和h-BN@H₆S₃₀H₆, (b) H₆S₅₀H₆和h-BN@H₆S₅₀H₆, (c) H₆S₇₀H₆和h-BN@H₆S₇₀H₆的摩擦曲線；(d) H₆S₃₀H₆和h-BN@H₆S₃₀H₆, (e) H₆S₅₀H₆和h-BN@H₆S₅₀H₆, (f) H₆S₇₀H₆和h-BN@H₆S₇₀H₆潤滑的鋼盤表面的磨損體積。

  在載荷為200 N，振蕩頻率為25 Hz，振幅為1 mm的摩擦試驗條件下，H_mS_2nH_m凝膠（5.6 wt%）的摩擦系數(shù)及其潤滑的鋼表面磨損體積遠小于基礎油PAO-10,復合油凝膠h-BN@H_mS_2nH_m的磨損體積相較于H_mS_2nH_m凝膠有進一步降低（相比于純PA0-10，降低了98.4%，圖3）。此外，復合油凝膠h-BN@H_mS_2nH_m比油凝膠H_mS_2nH_m并且表現(xiàn)出更優(yōu)異的承載能力（圖4）�？傊�，復合油凝膠h-BN@H_mS_2nH_m比相應的H_mS_2nH_m前體具有更好的潤滑性能。同樣地，復合油凝膠GO@H_mS_2nH_m和g-C₃N₄@H_mS_2nH_m也表現(xiàn)出大于一年的分散穩(wěn)定性，且比相應的前體H_mS_2nH_m表現(xiàn)出更好的潤滑性能。 

圖4. (a) PAO-10，H₆S₃₀H₆，h-BN@H₆S₃₀H₆；(b) PAO-10，H₆S₅₀H₆，h-BN@H₆S₅₀H₆；(c) PAO-10，H₆S₇₀H₆，h-BN@H₆S₇₀H₆的逐步變載摩擦曲線。

  聚焦離子束-透射電鏡（FIB-TEM）和X-射線光電子能譜（XPS）研究表明：這些出色的潤滑性能是由于在磨損鋼表面上形成的含有鐵氧化物和h-BN納米片的，厚度為60-90nm的摩擦保護膜（圖5）。

  這一通過聚合物與二維納米材料間的氫鍵及偶極-偶極相互作用構建復合油凝膠的策略，解決了二維納米添加劑在基礎油中長期分散穩(wěn)定性問題，為開發(fā)高性能凝膠潤滑劑提供了一條新的途徑。 

圖5. (a-d) 油凝膠h-BN@H₆S₅₀H₆潤滑的鋼表面磨斑橫截面的代表性TEM圖，元素映射圖：(e) Pt, (f) Fe, (g) O, (h) C和 (i) N。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108468