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浙大王征科課題組《Appl. Mater. Today》綜述：聚合物基潤滑減阻材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用
2025-02-07  來源：高分子科技

  減少摩擦對水下航行器、管道運(yùn)輸、醫(yī)療器械、外太空減阻等諸多領(lǐng)域具有重要意義。船舶減阻可以提高航行速度，增加航行距離。管道減阻有助于頁巖氣、石油和其他資源的開采和運(yùn)輸。此外，減阻還有利于保持航天儀器的穩(wěn)定，并延長其在外太空的使用時(shí)間，在醫(yī)療領(lǐng)域可以減輕患者的痛苦。不同領(lǐng)域的減阻往往伴隨著不同的問題，其解決策略也不同，例如：通過多巴胺、聚乙二醇等共價(jià)結(jié)合的潤滑材料解決潤滑劑與基底結(jié)合不牢的問題，采用pH、光熱等響應(yīng)性釋放的潤滑材料延長潤滑劑使用時(shí)間，采用原位交聯(lián)的方法形成均勻的、適用于不同形狀的涂層，還可以采取多種手段協(xié)同減阻，比如將聚合物潤滑劑添加到超疏水表面，采用固液復(fù)合潤滑材料協(xié)同增強(qiáng)潤滑效果等。


  面對眾多的潤滑減阻材料，有必要對其制備方法和減阻性能進(jìn)行全面綜述。近日，浙江大學(xué)王征科課題組在《Applied Materials Today》上發(fā)表了題為《Polymer-based lubricating drag reducing materials: design and applications》的綜述文章（Applied Materials Today, 2025, 42: 102624）。本文主要針對高分子基潤滑減阻材料進(jìn)行討論，從水下航行器、醫(yī)療器械、油氣開采與管道運(yùn)輸、外太空裝備等不同領(lǐng)域，對聚合物基潤滑減阻材料進(jìn)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行綜述，歸納總結(jié)了這些材料的制備方法及減阻能力，并對可能的發(fā)展方向進(jìn)行了分析和展望。


圖1 聚合物基潤滑減阻材料及其應(yīng)用


圖2 A）超疏水涂層的減阻機(jī)制，B）不同流速下的摩擦阻力，C）不同流量下管道的減阻率。不同轉(zhuǎn)速下旋涂的ZnO涂層的AFM 圖像：D）1000 rpm，E）2000 rpm，F）3000 rpm，G）4000 rpm，和 H）5000 rpm（比例尺 = 5 μm），以及 I）不同轉(zhuǎn)速下的顆粒密度和粗糙度。


圖3 A、B）砂紙摩擦和膠帶剝離的示意圖。C、D）磨損循環(huán)和膠帶剝離循環(huán)對接觸角的影響。E）不同質(zhì)量比的KH550@SiO2：STA@TiO2復(fù)合材料的接觸角和滾動角；F）STA@TiO2-KH550@SiO2的XRD譜圖。FTIR：G）STA@TiO2和H）KH550@SiO2。


圖4 A）超疏水涂層的制備原理，B）超疏水涂層在自修復(fù)過程中的接觸角變化，C）自修復(fù)過程中超疏水涂層上的水滴照片，D）超疏水涂層的氫鍵和自修復(fù)過程，E）通過在水下產(chǎn)生氣膜來形成超疏水表面的自修復(fù)過程。


圖5 A）具有剪切穩(wěn)定潤滑性能的FAA油凝膠，B）盲鰻皮膚組織和仿生油凝膠的橫截面，C）在交聯(lián)PDMS聚合物網(wǎng)絡(luò)中含FAA的油凝膠，D）受盲鰻啟發(fā)的船用防污涂料的設(shè)計(jì)與響應(yīng)機(jī)制，E）CmSLIPS 防污涂層的設(shè)計(jì)和響應(yīng)機(jī)制。


圖6 A）ZASC納米球的超潤滑機(jī)制，B）股骨和脛骨摩擦測試，C）Ti6Al4V圓盤和PTFE球的摩擦測試，D-L）ZASC在不同負(fù)載和往復(fù)頻率下的摩擦性能測試。


圖7 A)PBS、HA水凝膠和Lipo@HA水凝膠的摩擦系數(shù)-時(shí)間曲線。B)PBS、HA水凝膠和Lipo@HA水凝膠的摩擦系數(shù)直方圖。C)PBS、HA水凝膠和Lipo@HA水凝膠的摩擦磨損盤面圖像。D)PBS、HA水凝膠和Lipo@HA水凝膠的磨損寬度分析。E)HA水凝膠的摩擦系數(shù)-時(shí)間曲線。F)HA水凝膠潤滑行為示意圖。G)Lipo@HA水凝膠的摩擦系數(shù)-時(shí)間曲線。H)Lipo@HA水凝膠潤滑行為示意圖。I)HA水凝膠磨損后的SEM圖像。J)Lipo@HA水凝膠磨損后的SEM圖像。


圖8 A)不同溫度下的減阻率隨時(shí)間的變化。B)不同溫度下的減阻率。C)90°C不同系統(tǒng)的減阻率隨時(shí)間的變化。D)90°C下不同系統(tǒng)的減阻率。E)30min摩擦測試的磨損情況。F)鋼球磨損痕跡的三維輪廓儀圖像。G)啟動期的放大圖。H, I)摩擦增加的放大圖。


  浙江大學(xué)碩士生程玉帥為本文第一作者，浙江大學(xué)王征科副教授為本文通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apmt.2025.102624

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