Page 74 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 李金鹏, 等: 聚合物刷水润滑条件下水膜厚度和摩擦学行为的相关性研究 859

formed a layer of stable aqueous film by continuously harvesting the surrounding water molecules. The transition of
lubrication regime was achieved by controlling entrainment speed continuously increasing from 1 mm/s to 512 mm/s, it
was considered to be in thin film lubrication regime at lower speed, where film thickness was independent of velocity
and was stable at about 35 nm, and hydration effect of polymer brush was responsible for the establishment of effective
film in contact; when velocity was greater than 32 mm/s, it transformed into elastic hydrodynamic lubrication, and the
measured value of film thickness was higher than that of film thickness predicted by isoelastic film thickness formula
(2~12 nm) added by film thickness due to hydration effect (~35 nm), which meant that polymer brush presented
lubrication enhancement effect under hydrodynamic lubrication, which was resulted from synergistic effect of hydration
effect and hydrodynamic effect.
Key words: polymer brush PSPMA; hydration lubrication; hydrodynamic lubrication; film formation property;
lubrication enrichment effect

大多数非缔合液体，例如润滑油或有机溶剂，由 边界润滑膜是实现超低摩擦的必要条件，这些研究工
于其固相密度大于液相密度，当摩擦副间距处于纳米 作对于揭示聚合物刷水润滑的微观机理做出了较大
量级时会发生固化效应，此时会产生相当大的黏性耗 的贡献.
散，致使其应用受到限制 [1-2] . 与之相反，科学家发现在 近年来，接近工程实况的相关研究已引起了学者的重
纳米尺度下水分子即使受到挤压时依然保持与液态 视，例如，周峰研究小组、Spencor研究小组和Takahara
[3]
水一样良好的流动状态 ，这是因为水分子虽然呈现 研究小组等 [18-22] 使用传统的球/销-盘式摩擦试验机开
电中性，氧原子比氢原子却带有更多的电荷，其剩余 展了聚合物刷的宏观摩擦学性能的相关研究，认为边

电荷使水分子成为具有较大偶极矩的极性分子，使其 界润滑条件下聚合物刷的水润滑机理既与聚合物刷
既能够与水溶液中的电荷相互吸引，同时又被其周围 的构象变化相关，也与水合润滑相关，且随法向载荷
的电荷牢牢约束，由此会在摩擦界面上形成1层极薄 的改变二者的作用会发生转变，即在低和中等载荷作
[4]
且致密的液膜，被称之为水化层(Hydration layer) . 用下二者共同作用；而在高载荷情况下，由于聚电解
一方面，水化层能承受很大的法向载荷，保证其受到 质刷构象坍塌其润滑作用被忽略不计，此时水合润滑
[19]
挤压时不被破坏；另一方面，捕获的水分子能以较快 起主导作用 ，这些研究对于推动水基润滑在工业和
的速度与周围自由的水分子不断交换而呈现出优良 在生物润滑领域的应用有着较为重要的意义.
的流动性，使其对剪切有很好的流体响应 [5-6] ，从而实 上述研究工作通常处于边界润滑(BL)、薄膜润滑
现了较低的摩擦系数甚至达到超滑状态 ，这就是水 (TFL)或混合润滑(ML)的状态，在此情况下流体膜的
[7]
分子与摩擦表面发生水合润滑(Hydration lubrication) 影响可能被忽略了，重点考虑了纳米尺寸效应和表/界
的作用机理，也是纳米尺度上水分子作为润滑剂的巧 面作用力的影响. 事实上，在宏观尺度上研究聚合物刷
妙所在. 的水润滑机理时完全忽略流体动压效应(Hydrodynamic
事实上，水合润滑普遍存在于生物体内相对运动 effect)的影响是不恰当的，因为其润滑方式极有可能
的界面之间，例如自然眨眼睛时眼睑与眼球之间和人 从边界润滑转变为薄膜润滑和弹性流体润滑(EHL).
体关节软骨之间存在非常低的摩擦系数 [8-9] ，这与生物 基于此，本文作者打破制备聚合物刷技术壁垒，利用
[10]
体内的糖蛋白或聚合物大分子有关 ，这些瓶刷状结 SI-ARTP技术通过聚多巴胺多次引发聚合的方法在钢
构的生物大分子与水分子有很强的氢键键合能力，可 球和大尺寸玻璃盘(直径为150 mm)表面接枝亲水性
在表面形成1层类似“屏障”的水合层，从而展现出了 聚合物刷PSPMA，选用去离子水作为润滑剂，在摩擦
优异的润滑性能. 自上世纪90年代以色列的Klein研究 试验机(UMT-3)和自制的纳米级膜厚测量装置开展聚
小组 首次将聚合物刷的试验研究引入摩擦学领域， 合物刷PSPMA在水润滑体系下的摩擦学行为的研究；
[11]
聚合物刷的水润滑研究已引起了学者们的浓厚兴趣. 利用双色激光干涉法直接观测接触区内聚合物刷形
Klein研究小组、Raviv研究小组等 [11-17] 主要借助表面力 成的水润滑层；通过控制卷吸速度的连续变化实现润
仪(SFA)和原子力显微镜(AFM)等仪器在纳米尺度上 滑方式从薄膜润滑到弹性流体润滑的转变，采集在不
对聚合物刷的水润滑机理开展了系统而深入的研究， 同速度下润滑区域内的光干涉图像并测量其中心膜
认为聚合物链的伸展构象和高度水化形成易流动的 厚值，研究聚合物刷PSPMA的成膜性能，探讨流体动