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  自適應(yīng)潤滑水凝膠（ALH）在各種工業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)了顯著減少摩擦和能耗的潛力。然而,目前還缺乏一種有效地機(jī)制將可切換摩擦性能和環(huán)境適應(yīng)性耦合到ALH中，這嚴(yán)重制約了其應(yīng)用環(huán)境和范圍。為了解決這一問題，中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的吳獻(xiàn)章副教授采用了一種溶劑誘導(dǎo)的動態(tài)鍵調(diào)控策略，成功開發(fā)出具有優(yōu)異可切換摩擦性能和環(huán)境適應(yīng)性的生物質(zhì)基自適應(yīng)潤滑水凝膠（ALH）。相關(guān)研究成果論文“Solvent-induced dynamic bond regulation for constructing adaptive lubricating hydrogels with switchable tribological performance and environmental adaptability”已于2024年9月29日發(fā)表在《Advanced Function Materials》上，吳獻(xiàn)章副教授為通訊作者，碩士生楊厚基為第一作者。

圖1. 自適應(yīng)潤滑水凝膠的合成原理與設(shè)計(jì)

  之后，該研究進(jìn)一步探討了B-O鍵在甘油和乙醇刺激下的變化情況。通過紅外和拉曼光譜表征，研究分析了B-O鍵在甘油和乙醇溶液中的變化。結(jié)果表明，乙醇刺激下，聚合物分子鏈的密集程度增加，導(dǎo)致更多的束縛態(tài)B-O鍵結(jié)構(gòu)生成，從而使水凝膠變得更硬。而在甘油刺激條件下，B-O鍵易于與甘油形成游離的B-O-C結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水凝膠變軟（如圖2所示）。此外，該研究還對比了純SA水凝膠和ALH水凝膠在溶劑刺激下的表現(xiàn)。結(jié)果顯示，純SA水凝膠在甘油-乙醇的刺激下無法實(shí)現(xiàn)軟-硬轉(zhuǎn)變，而加入硼砂的ALH水凝膠則能夠?qū)崿F(xiàn)軟-硬轉(zhuǎn)變。這證明了水凝膠的軟-硬轉(zhuǎn)變是通過調(diào)控B-O鍵結(jié)合數(shù)量來實(shí)現(xiàn)的。

圖3. 自適應(yīng)潤滑水凝膠的軟硬轉(zhuǎn)換性能表征

圖6. 自適應(yīng)潤滑水凝膠的應(yīng)用

  綜上所訴，該研究制備了一種可用于智能調(diào)速領(lǐng)域的自適應(yīng)潤滑水凝膠（ALH）。通過設(shè)計(jì)一種基于溶劑轉(zhuǎn)化的動態(tài)鍵調(diào)控策略，在甘油-乙醇溶液體系的調(diào)控下，使得動態(tài)的B-O鍵可以在游離態(tài)和束縛態(tài)之間切換，從而調(diào)節(jié)水凝膠的摩擦狀態(tài)。通過FTIR、XPS等對水凝膠進(jìn)行理化性能表征，驗(yàn)證了ALH水凝膠的成功合成。在動態(tài)B-O鍵的作用下，自適應(yīng)潤滑水凝膠實(shí)現(xiàn)了從0.55 MPa到6.93 MPa的大范圍力學(xué)模量調(diào)節(jié)。此外，通過天然銀耳多糖潤滑劑的協(xié)同作用，使水凝膠具有優(yōu)異的摩擦效果，水凝膠的摩擦系數(shù)在0.022-0.157范圍內(nèi)動態(tài)可調(diào)。最后，甘油的加入還會與水分子形成氫鍵，使水凝膠具有防凍和抗熱性能，使自適應(yīng)潤滑水凝膠在-40 ℃到60 ℃之間仍能保持穩(wěn)定的潤滑性能。通過將自適應(yīng)潤滑水凝膠應(yīng)用于無人機(jī)螺旋槳與電機(jī)軸之間的連接，展示了其在智能調(diào)速領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202411384