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武漢理工大學林寧副教授在纖維素納米晶用于“綠色”潤滑油/脂添加劑的領域取得新進展
2019-11-13  來源:高分子科技

  納米粒子以其獨特的納米尺寸和界面效應作為潤滑體系添加劑,能夠起到流變改性和減摩抗磨等效果。傳統的無機或金屬納米粒子普遍含有 S、P 等元素,存在毒性高、密度大、易自聚集和沉降等缺陷,限制了其實際應用前景。研發環境友好型的綠色納米潤滑添加劑,構件新型復合潤滑油/脂體系,一直是學術界和工業界廣泛關注的問題。

  針對上述問題,林寧副教授團隊提出基于棒狀纖維素納米晶(CNC)作生物質添加劑,通過表面修飾提高CNC和基礎油/脂體系的相容性和穩定性,研究這種棒狀納米粒子對潤滑油/脂的流變改性效果和減摩抗磨效應。在前期研究中,通過表面接枝C18鏈改性CNC表面親疏水性,作為潤滑添加劑引入聚a烯烴(PAO)潤滑油體系,獲得了明顯的減摩抗磨效果。如圖1所示,與純PAO基礎油相比,添加了2 wt%表面修飾纖維素納米晶(mCNC)的復合潤滑油,表面粗糙度從169 nm降低到51 nm,摩擦系數COF從0.11減低到0.07。這種良好的潤滑效應主要來自于纖維素納米晶添加劑對摩擦副表面劃痕的修復效應,以及作為流變改性劑改善了復合潤滑油體系的邊界潤滑。

圖1 純PAO、含有2 wt%CNC或mCNC的雜化潤滑油表面磨損測試(A)及摩擦系數(B);棒狀纖維素納米晶的修復效應和邊界潤滑(C)。

  在進一步研究中,林寧副教授團隊嘗試提高硅油體系纖維素納米晶添加劑的含量,基于體系流變改性效應探索油-脂相轉變行為。具體而言,為了增加高含量CNC在硅油中的相容性和分散性,首先合成一種兩親性的三嵌段共聚物(MPEG-PDMS-MPEG),基于物理修飾的策略吸附于CNC表面,提高了其在非極性溶劑中的分散穩定性。將5-20 wt%修飾后的纖維素納米晶添加到基礎硅油后,雜化油/脂的黏度增加了2-3個數量級,并且隨著含量的增加表現出明顯的剪切變稀現象。黏度隨溫度的變化曲線表面隨著溫度的升高,體系黏度逐漸下降。采用Arrhenius方程擬合數據證明雜化油脂體系隨著纖維素納米晶添加劑含量的增加,流動活化能逐漸減小,即樣品黏度對溫度變化的敏感性變弱。在模量-頻率變化曲線中可以根據儲能模量(G'')和損耗模量(G")之間的關系探究樣品由液態到凝膠狀再到擬固態的轉變,含量為0-10 wt%修飾納米晶的樣品表現出典型的液體流動特性和低粘彈性;15 wt%含量為臨界點,G''趨近于G";更高含量下(17.5-20 wt%),樣品表現為擬固態特性。通過改變修飾纖維素納米晶的含量,調節體系的流變行為,進而實現了對油-脂相轉變的調控。

圖2 不同含量修飾纖維素納米晶的雜化油/脂的黏度-剪切速率(A)、黏度-溫度(B)、模量-角頻率(C)和模量-溫度(D)的變化曲線圖。

  修飾纖維素納米晶表面吸附的三嵌段共聚物起到“橋梁”作用將棒狀的CNC和硅油聚合物分子連接起來,相似的化學結構促進了兩者的相容性,提高了體系的結構穩定性。當添加量較低時(5-10 wt%),較多的自由分子鏈使樣品呈現液體流動狀態(G'' < G");當含量增加到15 wt%時,三維網絡結構初步形成(G'' ≈ G"),但尚不穩定,因此會隨著溫度的升高出現鏈的解纏和網絡的解體;隨著含量繼續增加(17.5-20 wt%),三維網絡結構的穩定限制了自由分子鏈的運動,樣品不再流動呈現出擬固態狀態的行為(G'' > G")。這項工作為纖維素納米晶用作潤滑添加劑領域提供了理論依據,未來可望用于綠色環保潤滑方向。

圖3不同含量mCNC雜化油/脂的照片及微觀結構示意圖。

  以上相關成果分別發表在期刊Biomacromolecules 2019, DOI: 10.1021/acs.biomac.9b01186)、和Carbohydrate Polymers 2019, 220, 228–235。論文的第一作者分別為武漢理工大學夏濤副教授李克副教授林寧副教授為唯一通訊作者。

  論文鏈接:

  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.biomac.9b01186

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144861719305867

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(責任編輯:xu)
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