聚合物／无机纳米复合材料的摩擦学研究进展

合成润滑材料　２０１０年３７卷第４期　ＳＹＮＴＨＥＴＩＣ　ＬＵＢＲＩＣＡＮＴＳ　５　文章编号：１６７２—４３６４（２０１０）０４—０００５一Ｏ３　聚合物／无机纳米复合材料的摩擦学研究进展　李春风　（中国人民解放军７８４１６部队，重庆４０００５４）　摘要：综述了不同形式的聚合物／无机纳米复合材料的摩擦学研究状况，并指出应加强复合材料的摩擦学功能设　计和摩擦学机理的研究。　关键词：纳米复合材料；摩擦学；研究进展　中图分类号：ＴＥ　６２４．８　文献标识码：Ａ　近年来，聚合物／无机纳米复合材料成为材料　１．２以聚苯乙烯为壳材料　科学研究的热点，它们在光学、电子、机械和生物学　Ｚｈａｏ　Ｙａｎｂａｏ等原位水解纳米ＴｉＯ，为核，用ＰＳ　等领域有着崭新的应用前景。由于构成材料的颗　原位聚合包覆合成了平均粒径为１００　ｎｉｌ３的壳核型　粒尺寸在１００［ＩＨＩ以下，甚至在“分子复合”的水平，　微粒　。试验发现添加了０．５％的ＰＳ／ＴｉＯ，纳米微　所以聚合物／无机纳米复合材料既可充分地发挥无　粒时，基础油的磨斑直径从０．７８　ｍｍ降为０．５５　ｍｍ。　机物优异的力学性能及高耐热性能，又具有有机物　王治华等以ＰＳ为壳，粒径小于２０　ｎｍ的氟化　的加工适应性，具有传统复合材料所没有的优良性　镧为核，合成了平均粒径为３０　ｎｍ的壳核型复合纳　能。其在摩擦学领域中的应用引起了研究者的注　米微粒　。试验表明，该复合纳米微粒在较低质量　意，研究发现聚合物／无机纳米复合材料均具有较　分数下即可增强基础油的抗磨能力，并可明显提高　好的摩擦学性能，本文综述了其在摩擦学领域中的　基础油的承载能力。　研究进展。　赵彦保等原位水解纳米ＴｉＯ　为核，用油酸钠　１　聚合物／无机纳米复合粉体材料　进行改性后，以ＰＳ原位聚合进行包覆，合成了平均　聚合物／无机纳米复合粉体材料可作为润滑油　粒径为７０　Ｈｉｌｌ的壳核型复合微粒，含油酸／ＰＳ／ＴｉＯ：　添加剂来改善润滑油的摩擦学性能，其中对具有壳　复合纳米微球的液体石蜡的Ｐ　值从３９２　Ｎ提高到　核型结构的聚合物／无机纳米复合粉体材料研究最　了７４５　Ｎ　Ｅ　。　为活跃。Ｌｉ等通过表面改性方法合成了聚合物／无　１．３　以ＰＭＭＡ／ＰＳ共聚物为壳材料　机纳米复合颗粒，此类材料作为润滑油添加剂时具　段春英等以原位生成的纳米Ａｇ为核，制备了以　有优异抗磨和极压性能，其摩擦学机理可解释为聚　ＰＭＭＡ／ＰＳ共聚物包覆的，平均粒径为２５　ｎｍ的壳核　合物／无机纳米复合颗粒在摩擦热和剪切应力作用　型ＰＭＭＡ／ＰＳ／Ａｇ复合微粒，含有ＰＭＭＡ／ＰＳ／Ａｇ复　下发生熔融和铺展而形成边界润滑膜¨　。　合微粒的液体石蜡的钢球磨斑直径比纯液体石蜡的　目前受合成工艺的限制，作为润滑油添加剂的　钢球磨斑直径明显减小　。段春英等还以改性的纳　聚合物／无机纳米复合粉体材料研究最多的聚合物　米ＳｉＯ　为核，采用微波加热方式合成了表面功能化　壳材料主要有３类，即聚甲基丙稀酸酯（ＰＭＭＡ）、　的具有核壳结构的ＰＭＭＡ／ＰＳ／ＳｉＯ　复合纳米粒子，　聚苯乙烯（ＰＳ）和它们的共聚物（ＰＭＭＡ／ＰＳ）。　其在液体石蜡中也表现出良好的抗磨性能　。　１．１　以聚甲基丙稀酸酯为壳材料　江贵长等以原位水解产生的纳米ＴｉＯ：为核，　陈利娟等原位水解纳米ＳｎＯ：为核，用ＰＭＭＡ　再用Ｐｓ和丙烯酸（ＭＡ）共聚进行包覆，合成了平均　原位包覆合成了平均粒径为１５０　ｎｍ的壳核型微　粒径为５０　ＢＩＴＩ的壳核型ＰＳ／ＭＡ／ＴｉＯ２复合微粒　。　粒　］。试验结果表明，复合纳米微球能明显提高液　体石蜡的抗磨性能和失效负荷。含有复合粒子的　收稿日期：２０１０—０８—３０　作者简介：李春风，男，博士，工程师，２００７年毕业于后勤工程　基础油在４００　Ｎ下磨斑最小，这可能是无机核与聚　学院油料应用工程系，从事润滑油添加剂开发研究。现从事油料　合物共同起作用的结果。　计、质量管理工作。　合成润滑材料　６　ＳＹＮＴＨＥＴＩＣ　ＬＵＢＲＩＣＡＮＴＳ　２０１０年３７卷第４期　在液体石蜡中，可将液体石蜡的Ｐ　值从４００　Ｎ提　高到８００　Ｎ，并表现出良好的抗磨性能。　赵彦保等以Ｐｓ和丙烯酸共聚合成了平均粒径　ＷＰＥ（超高分子量聚乙烯）进行填充改性，其磨损　率比纯ＵＨＭＷＰＥ低¨　。纯ＵＨＭＷＰＥ的磨损表现　为明显的犁沟以及塑性变形，填充纳米Ａ１：Ｏ，的　ＵＨＭＷＰＥ的磨损主要表现为磨粒磨损和轻微的塑　性变形。　为１００　ｎｍ的壳核型ＰＳ／ＭＡ／ＴｉＯ２复合纳米微　粒　Ｊ。与Ｐｓ微粒相比，ＰＳ／ＭＡ复合纳米微粒能显　著提高基础油的Ｐ　值。　２聚合物／无机纳米复合薄膜材料　研究表明，聚合物／无机纳米复合薄膜材料均　具有较好的减摩效果。Ｇｕ等利用溶胶一凝胶法制　备了疏水的ＰＭＭＡ／ＳｉＯ　／ＴｉＯ　纳米复合膜¨　。试　验表明，其具有非常低的摩擦因数（０．０９—０．１１），　并且抗磨性能好。　张兴文等采用溶胶一凝胶法，将不同含量的正　硅酸乙酯（ＴＥＯＳ）与　一缩甘油醚基丙基三甲基硅　烷（ＧＰＭＳ）共水解缩合，用浸渍法使其在玻璃基体　上成膜　。摩擦学试验表明，此有机／无机复合膜　材料对玻璃基体有减摩作用。　张晟卯等利用超分子自组装方法在普通玻璃　表面制备了仿贝壳有机／无机复合纳米薄膜，这种　薄膜具有机／无机有序交替的层状纳米复合结　构【】　。用动／静摩擦因数测定仪考察了其摩擦学　行为，结果表明仿贝壳自组装纳米复合薄膜具有良　好的减摩性能。　３聚合物／无机纳米复合块状材料　聚合物／无机纳米复合块状材料具有高的比强　度和比刚度，良好的热稳定性，耐冲击，耐腐蚀和耐　磨损性能，具有单一金属，陶瓷或聚合物所不具备　的综合性能。　３．１填充型聚合物／无机纳米复合块状材料　对聚合物／无机纳米复合块状材料的摩擦学研　究以无机纳米粒子填充聚合物基体的复合材料研　究最为活跃。纳米颗粒填充聚合物基复合材料后　可明显提高基体的摩擦学性能。如肖安国等通过　共混改性的方法制得纳米粒子Ａ１：Ｏ　，ＺｎＯ，ＳｉＯ　填　充ＰＡ６复合材料，摩擦学试验表明，纳米粒子填充　后能显著提高材料的摩擦学性能　。　Ｐｒａｖｅｅｎ　Ｂｈｉｍａｒａｊ等研究了纳米Ａ１，Ｏ　颗粒填充　聚对苯二甲酸乙二醇酯后，发现加入纳米颗粒以后　其耐磨性可以提高接近２倍，而摩擦因数会降低　。　研究者对纳米颗粒填充聚合物基复合材料的　磨损机制进行了大量的研究，认为纳米颗粒填充聚　合物基体后，改变基体的某些物理性质，从而改变　了磨损变形机制，最终达到减轻磨损的目的。　薛茂权等用纳米Ａ１：Ｏ　对人工关节软骨ＵＨＭ—　史丽萍研究了ＴｉＯ，填充聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）　复合材料的干摩擦性能¨　。纳米ＴｉＯ　能明显提　高ＰＴＦＥ耐磨性并改变其磨屑形成机理。　车剑飞等制备了纳米ＴｉＯ，填充硼酚醛树脂，　纳米ＴｉＯ，改性硼酚醛由于减少了摩擦材料工作条　件下的热分解产物，有利于提高树脂的使用温度，　同时其流动性能的改善又改善了界面粘结性能，从　而提高摩擦材料的磨损性能和冲击性能¨　。　蔡辉等制备了纳米ＳｉＯ，／ＰＩ（热塑性）复合材料，　试验结果表明纳米ＳｉＯ，能显著增强转移膜与偶件的　结合强度，提高ＰＩ基复合材料的减摩抗磨性能　。　纯ＰＩ和ＳｉＯ，／ＰＩ复合材料呈现不同的磨损机制。　３．２插层型聚合物／无机纳米复合块状材料　具有层状结构的物质改性聚合物体系的研究　得到重视，从而引起插层型聚合物／无机纳米复合　块状材料的摩擦学研究热。典型的插层材料如有　机蒙脱土（ＯＭＭＴ）。　王立新等采用插层法制备了具有插层型结构　的不饱和聚酯／蒙脱土纳米复合材料　。插层型　纳米复合材料的耐磨性能显著优于不饱和聚酯。　随着蒙脱土含量增加，复合材料的耐磨性能明显提　高，随后趋于稳定。不饱和聚酯的磨损主要为粘着　磨损和疲劳剥落，而含蒙脱土的复合材料的粘着磨　损和疲劳剥落显著减轻。　陈奎等制备了不同质量分数的有机蒙脱土　（ＯＭＭＴ）ＰＰ复合材料　。试验结果表明，当ＯＭＭＴ　质量分数为１．５％时，复合材料的磨损率为纯ＰＰ的　６５％，摩擦因数降低８．５％，复合材料（ＯＭＭＴ质量分　数为０％～４％）的磨损形式主要为粘着磨损，磨粒磨　损以及粘着磨损与磨粒磨损的混合形式。　此外，膨胀石墨也是材料研究的热门。黄仁和　等研究者根据膨胀石墨的自润滑性能和具有纳米　微观结构特征，进行了双马来酰亚胺树脂基纳米减　摩复合材料研究，纯树脂固化物最小摩擦因数为　０．３，而添加２％～５％膨胀石墨后，最小摩擦因数　下降为０．１５。　４结束语　当前，聚合物／无机纳米复合材料的研究，开发　和应用非常热门，但还处在一个起步阶段。众多研　２０１０年３７卷第４期　李春风．聚合物／无机纳米复合材料的摩擦学研究进展　７　究中对聚合物／无机纳米复合材料的摩擦学性能研　化钛纳米微球的性能［Ｊ］．华中科技大学学报（自然科　究较多，其结果也一致，即复合材料均具有较好的　学版），２００３，３１（１１）：９８—１０１．　摩擦学性能，但对机理是一个很有争论性的问题。　［，９］　赵彦保，周静芳，张治军．ＰＳ／ＭＡ—ＴｉＣ，复合纳米微　但对复合材料摩擦学功能设计的研究还不多，功能　球作为润滑油添加剂的研究［Ｊ］．高分子材料科学与　设计包括纳米粒子的选择和界面的处理，即选择具　程，２００２，１７（３）：８０—８３．　有良好摩擦学性能的纳米粒子和进行良好的界面　［１　Ｏ］Ｇｕ　Ｇｕｏｔｕａｎ，Ｚｈａｎｇ　Ｚｈｉｊｕｎ，Ｄａｎｇ　Ｈｏｎｇｘｉｎ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ　ｏｒｇａｎｉｃ—ｉｎｏｒｇａｎｉｃ　处理。通过对功能设计的研究可以对摩擦学性能　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍｓ　ｏｆ　ＰＭＭＡ／ＳｉＯ２／ＴｉＣ２　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ　ｆｒｉｅ—　研究起到促进作用。聚合物／无机纳米复合材料相　ｔｉｏｎ　ｅｏｅｆｉｃｉｅｎｔｌ　Ｊ　１．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００４，２２１　对普通材料的优点为大家共识，随着人们对聚合　（１—４）：１２９—１３５．　物／无机纳米复合材料的进一步探索，其将得到广　［１１］张兴文，孙科军，胡立江，等．环氧基倍半硅氧烷杂化　泛的发展与应用。　膜的摩擦性能研究［Ｊｊ．材料科学与工艺，２００５，１３　参考文献　（２）：１８５—１８８．　［１２］张晟卯，高永建，张治军．仿贝壳结构的自组装纳米复　［１］Ｌｉ　Ｂ，Ｗａｎｇ　Ｘ，Ｌｉｕ　Ｗ，ｅｔ　ａ１．Ｔｒｉｂｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　ａｎｔｉｗｅａｒ　合薄膜的制备、表征及摩擦学性能研究［Ｊ］．化学研　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｏｒｇａｎｉｃ——ｉｎｏｒｇａｎｉｃ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ａｓ　ｌｕｂｒｉ—　究，２００２，６０（８）：１４９７—１５０１．　ｃａｎｔ　ａｄｄｉｔｉｖｅｓ［Ｊ］．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００６，２２（１）：７９—８４．　［１３］肖安国，张儒祥．几种纳米／ＰＡ６复合材料摩擦及加１二　［２］　陈利娟，赵彦保，吴志申，等．ＰＭＭＡ—ＳｎＯ　复合纳米　性能研究［Ｊ］．湖南文理学院学报（自然科学版），　微球的制备及作为润滑油添加剂的研究［Ｊ］．润滑与　２００５，１７（２）：３１—３３．　密封，２００５，３０（１）：２６—２７．　［１４］Ｐｒａｖｅｅｎ　Ｂｈｉｍａｒａｊ，Ｄａｖｉｄ　Ｌ　Ｂｕｒｒｉｓ，Ｊａｓｏｎ　Ａｃｔｉｏｎ，ｅｔ　ａ１．　［３］　Ｚｈａｏ　Ｙａｎｂａｏ，Ｚｈｏｕ　Ｊｉｎｇｆａｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｚｈｉｊｕｎ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒ—　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｍａｔｒｉｘ　ｍ。ｒｐｌ】ｏ１ｏｇｙ　Ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｅａｒ　ａｎｄ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｂｅ—　ｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｐｏｌｙｓｔｒｅｎｅ（ＰＳ）一　ｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎａ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｅｌｅ／ｐｏｌｙ　ｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ　ＴｉＣ２　Ｎａｎｏ—ｓｐｈｅｒｅｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，２００５，２５８（９）：１４３７—１４４３．　Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０００，１３（６）：６８３—６８５．　［１５］薛茂权，朱凌云．纳米ＡＩ：０　填充超高分子量聚乙烯的生　［４］　王治华周静芳，张治军，等．聚苯乙烯／油酸／氟化镧　物摩擦磨损　能研究［Ｊ］．塑料科技，２ＯＯ５，（３）：２２—２４．　复合纳米微球的制备、表征及抗磨性能［Ｊ］．功能高　［１６］史丽萍．纳米ＴｉＣ　／ＰＴＦＥ复合材料的干摩擦磨损性　分子学报，２００２，１５（２）：２９１—２９５．　能［Ｊ］．塑料Ｔ业，２００５，３３（１）：４９—５１．　［５］　赵彦保，周静芳，张治军．油酸／ＰＳ／ＴｉＯ：复合纳米微　［１７］车剑飞，宋晔，肖迎红，等．纳米ＴｉＣ　改性硼酚醛及其在　球对液体石蜡抗磨性能的影响研究［Ｊ］．摩擦学学　摩擦材料中的应用［Ｊ］．非金属矿，２００１，２４（３）：５０—５１．　报，２００ｌ，２１（１）：７３—７５．　［１８］蔡辉，闫逢元，薛群基．聚酰￣／ｓｉｏ　纳米复合材料　［６］　段春英，周静芳，张平余，等．微波加热制备ＰＳ／ＳｉＯ　的摩擦学行为及ＳＥＭ研究［Ｊ］．电子显微学报，２００３，　复合纳米微球及其摩擦性能研究［Ｊ］．功能高分子学　２２（５）：４２０—４２５．　报，２００４，１７（３）：４６９～４７３．　［１９］王立新，李军峰，张洪波，等．不饱和聚酯／蒙脱土纳米　［７］段春英，周静芳，吴志申，等，聚苯乙烯／Ａ只核壳结构　复合材料的制备及其摩擦磨损性能研究［Ｊ］．摩擦学　纳米微粒的制备及表征［Ｊ］．物理化学学报，２００３，１９　学报，２００３，２３（３）：１９７—２００．　（１１）：１０４９—１０５３．　［２０］陈奎，杨瑞成，成生伟．蒙脱土填充聚丙烯复合材料的摩擦　［８］　江贵长，官文超，郑启新．苯乙烯／甲基丙烯酸一二氧　磨损行为研究［Ｊ］．摩擦学学报，２ＯＯ６，２６（６）：５６２—５６５．　Ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｐｏｌｙｍｅｒ／Ｉｎ０ｒｇａｎｉｃ　Ｎａｎｏ—ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｌｉ　Ｃｈｕｎｆｅｎｇ　（７８４１６　Ｔｒｏｏｐｓ，ＰＬＡ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００５４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｅａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｐｏｌｙｍｅｒ／ｉｎｏｒｇａｎｉｃ　ｎａｎｏ—ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｗａｓ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ，　ａｎｄ　ｐａｙｉｎｇ　ｍｏｒｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｅａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎａｎｏ—ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ；ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｆｆ◆…Ｊ◆…｝◆…ｆ◆川◆ｌｆ　ＪＩ◆川◆川｝◆…｝◆川◆㈨◆川◆　…◆…Ｊ◆川◆…｛◆川◆ｌｌ　Ｊ＿◆川◆Ｉ　　ＪＪｌ◆川｝◆…｛◆川｝◆川ｊ●川Ｊ◆川ｊ◆Ｉ　Ｊｊｌ◆川Ｉ＇ｔ＇－Ｊ…◆川Ｊ●川Ｉ◆Ｉ　　ＪＪ＿◆Ｊ　Ｊｌｌ￣－Ｉ…◆…Ｉ◆川Ｊ●　Ｊ◆川Ｊ◆川Ｊ◆川ｊ◆川Ｊ◆川Ｊ◆川Ｊ＋…Ｊ◆ｌ　Ｊｊ　Ｊ◆ＪＪ　　第七届（广州）国际车用润滑油脂及化学养护品展会将于２０１１年２月２０日一２２日在广州琶洲中国　进出口商品交易会展馆举行。