Pickering乳液凝胶润滑剂：氧化石墨烯-聚合物稳定组装

摘 要

　　尽管大量的水基和油基凝胶润滑剂在工业和生物医学领域有着广泛的应用前景，但开发出能够有效整合其特性和优势的新型乳基凝胶润滑剂仍然是一个重大挑战。本文报道了一种油包水的皮克林乳液凝胶润滑剂，它既具有传统皮克林乳液的高胶体稳定性，又具有油基凝胶润滑剂良好的抗膨胀性和耐腐蚀性，同时还具有水基凝胶润滑剂在较宽的浓度、pH值和水体积分数范围内由水氧化石墨烯(GO)分散体和二胺功能化聚二甲基硅氧烷油溶液二元混合物制备的高冷却能力。由于氧化石墨烯颗粒形成坚固的吸附油膜和球轴承作用，它可以在空气或水下为氮化硅/钢和氮化硅/硅摩擦副提供良好的润滑。由于其油水性质和固有的剪切变薄和触变特性，直接挤压入水中也可以打印出各种彩色的二维和三维几何形状，进一步在水下作业和人工仿生器官方面显示出良好的前景。我们的研究可能为设计和制备新型半固体材料提供新的见解，用于各种工业，工程和生物医学应用。

图文简介

　　图1 (a)吸引油包水皮克林乳液凝胶润滑剂形成机理示意图。(b)不同pH值下氧化石墨烯/水/NH2-PDMS-NH2/DSO混合物的照片。(c) pH值为7时荧光素钠染色的皮克林乳液凝胶的荧光显微照片。(d) pH为7时不同材料覆盖的水/DSO界面的平衡界面张力。(e)悬垂液滴(上)和约束固滴(下)两种构型下，氧化石墨烯液滴(pH=7)浸泡在NH2-PDMS-NH2油溶液中缓慢提取内部分散相时的快照。(f)在NH2-PDMS-NH2油溶液中测量两个新制备的水氧化石墨烯液滴(pH=7)的挤压和分离行为。插图显示了实验液滴的快照。

　　图2 (a)相图显示了生成皮克林乳液凝胶所需的氧化石墨烯和NH2-PDMS-NH2的浓度。插图展示了在pH为7,VW为50%的情况下，用不同颗粒和聚合物浓度制备的液体乳液和乳液凝胶的代表性照片。(b)不同水体积分数制备的液体乳液和半固体乳液凝胶的照片。cGO = 0.3 mg/ml。cNH2-PDMS-NH2 = 10 mg/mL。pH = 7。(c) VW%分别为30%(左)和70%(右)的皮克林乳液凝胶的荧光显微照片。GO = 0.3 mg/ml。cNH2-PDMS-NH2 = 10 mg/mL。pH = 7。比例尺= 100mm。(d)恒定的VW%为50%和不同的pH值，(e)固定的pH值为7和不同的VW%制备的皮克林乳液凝胶的流变学测量。试验剪切应变为0.5%。cGO = 0.3 mg/ml。NH2-PDMS-NH2 = 10 mg/mL1。(f)剪切速率在0.1和10s之间交替变化时皮克林乳液凝胶的粘度。

　　图3 (a)在30 N和80 mm s1下，不同成分的Pickering乳液凝胶润滑Si3N4/钢摩擦副后的CoF。(b)扫描电镜(SEM)观察，(c)三维表面轮廓，(d)不同材料润滑钢基板的磨损体积。(e)皮克林乳液凝胶润滑剂及其不同成分的ECR测量值。(f)皮克林乳液凝胶润滑剂润滑机理示意图。cGO = 0.3 mg ml。

　　图4 (a) Si3N4/钢和(d) Si3N4/硅摩擦副在30 N和80 mm s1条件下，25 1C条件下Pickering乳状凝胶在空气和水下的润滑对比。施加的正常载荷(b)和(e)以及滑动速度(c)和(f)分别对使用Pickering乳液凝胶润滑的Si3N4/钢和Si3N4/硅摩擦副在25℃下的CoF的影响。(g)原始钢块的表面结构和形貌，将钢块直接浸入去离子水中，在50℃下浸泡10小时，预涂少量皮pickering乳液凝胶，然后浸泡在腐蚀性介质中。

　　图5 (a)不同内部pH值下皮克林乳液凝胶剪切粘度随剪切速率的变化。(b)皮克林乳液凝胶的水下3D打印示意图以及由此产生的二维螺旋图案。(c)使用皮克林乳液凝胶油墨印刷的各种彩色二维结构。(d)将皮克林乳液凝胶直接挤压入水中，打印出不同的3D构型。

结 论

　　综上所述，我们开发了一种新型的半固体润滑剂，它能够结合凝胶润滑剂和皮克林乳状液的特性，基于纳米颗粒表面活性剂，由水溶性氧化石墨烯纳米片和油溶性NH2-PDMS-NH2配体在水/DSO界面上协同组装。通过产生具有高界面活性的堵塞界面膜，纳米颗粒表面活性剂可以通过促进相邻水滴之间的有效交联，同时抑制水滴聚结，可以在很宽的pH值、浓度和水体积分数范围内生产稳定的油包水皮克林乳液凝胶。由于在固体基材上形成高强度油膜以及氧化石墨烯颗粒的滚动和修复作用，皮克林乳液凝胶可以在空气或水下为氮化硅/钢和氮化硅/硅摩擦副提供有效的润滑，这可能使其在机械工程和船舶或海军工业系统中找到广泛的潜在应用。利用其油包水特性和固有的剪切变薄和触变特性，凝胶具有优异的抗膨胀和抗腐蚀性能，直接挤压入水中可3D打印成各种图案和形状，在制造水下操作的软机械部件和体外生物医学应用的仿生人造器官方面具有良好的前景。本研究为材料科学与工程领域功能凝胶的制备提供了新的思路。

　　来源：仿生润滑材料