自適應潤滑水凝膠（ALH）在各種工業應用中展現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制將可切換摩擦性能和環境適應性耦合到ALH中，這嚴重制約了其應用環境和范圍。為了解決這一問題，中南林業科技大學材料科學與工程學院的吳獻章副教授采用了一種溶劑誘導的動態鍵調控策略，成功開發出具有優異可切換摩擦性能和環境適應性的生物質基自適應潤滑水凝膠（ALH）。相關研究成果論文“Solvent-induced dynamic bond regulation for constructing adaptive lubricating hydrogels with switchable tribological performance and environmental adaptability”已于2024年9月29日發表在《Advanced Function Materials》上，吳獻章副教授為通訊作者，碩士生楊厚基為第一作者。
該研究通過一種溶劑誘導的動態鍵調節策略，制備了兼具優異自適應潤滑性能和環境耐受性的海藻酸鈉基水凝膠（ALH）。首先，通過在海藻酸鈉（SA）的分子框架中引入動態B-O配位鍵，在甘油-乙醇溶劑刺激下控制B-O動態鍵在束縛態和游離態之間比例，實現了水凝膠機械模量的雙向調控。通過這種轉化過程促使水凝膠網絡交聯密度的可逆變化，可以實現具有可調摩擦力的潤滑水凝膠（圖1）。
圖1. 自適應潤滑水凝膠的合成原理與設計
之后，該研究進一步探討了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。結果表明，乙醇刺激下，聚合物分子鏈的密集程度增加，導致更多的束縛態B-O鍵結構生成，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結構，導致水凝膠變軟（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。結果顯示，純SA水凝膠在甘油-乙醇的刺激下無法實現軟-硬轉變，而加入硼砂的ALH水凝膠則能夠實現軟-硬轉變。這證明了水凝膠的軟-硬轉變是通過調控B-O鍵結合數量來實現的。
圖3. 自適應潤滑水凝膠的軟硬轉換性能表征
圖6. 自適應潤滑水凝膠的應用
綜上所訴，該研究制備了一種可用于智能調速領域的自適應潤滑水凝膠（ALH）。通過設計一種基于溶劑轉化的動態鍵調控策略，在甘油-乙醇溶液體系的調控下，使得動態的B-O鍵可以在游離態和束縛態之間切換，從而調節水凝膠的摩擦狀態。通過FTIR、XPS等對水凝膠進行理化性能表征，驗證了ALH水凝膠的成功合成。在動態B-O鍵的作用下，自適應潤滑水凝膠實現了從0.55 MPa到6.93 MPa的大范圍力學模量調節。此外，通過天然銀耳多糖潤滑劑的協同作用，使水凝膠具有優異的摩擦效果，水凝膠的摩擦系數在0.022-0.157范圍內動態可調。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，使自適應潤滑水凝膠在-40 ℃到60 ℃之間仍能保持穩定的潤滑性能。通過將自適應潤滑水凝膠應用于無人機螺旋槳與電機軸之間的連接，展示了其在智能調速領域的應用潛力。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202411384
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