Page 110 - 《摩擦学学报》2020年第6期
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第 6 期 杨淑燕, 等: 聚合物PLL-g-PEG构象变化对宏观摩擦学性能的影响 793
Key words: polymer PLL-g-PEG; conformation change; water-based lubrication mechanism; viscosity effect; hydration
effect
聚合物刷首次被de Gennes用来描述为密集接枝 和纳米级)，若在接近宏观尺度下研究聚合物刷界面
在表面的聚合物链的构象 ，通常是指通过化学键固 间的摩擦和润滑性能是一项极具挑战的工作，这是因
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定在表面的呈现“刷”状结构的一层纳米尺度聚合物 为可能是聚合物刷的水合作用(hydration)和流体动压
薄膜，它的物理化学性质与聚合物链的化学组成和构 效应共同作用的结果，二者协同作用下的摩擦学性能
象等有关，可用于有效改变界面性质，例如降低细胞、 影响的规律和本质值得深入研究.
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蛋白等在植入体表面的粘附 和表面防污 ，在摩擦润 Spencor研究小组 将聚(L-赖氨酸)-g-聚(乙二醇)
滑领域表现出的超低的摩擦系数等 [4-7] . 调节聚合物刷 (PLL-g-PEG)添加在在亲水环境中(例如HEPES缓冲
构象可以使其具有不同的物理化学性能，比如润湿 液)，发现可吸附在传统摩擦试验机的销-盘表面上形
性、粘附力、摩擦力等均会随着构象的变化发生变化 [8-10] . 成一层“刷-刷”状的保护层从而有效降低摩擦和磨损.
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在外界刺激诱导下(例如溶剂、周围环境等)，聚合 最近本研究小组 也报道了聚合物PLL-g-PEG促进了
物链会发生溶胀-收缩的构象转变从而引起界面的摩 水膜的形成而在一定程度上改善其润滑. Spencer研究
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擦性能变化 ，这引起了国内外摩擦学研究者的兴趣. 小组 研究发现聚合物PLL-g-PEG在良性溶剂(HEPES)
例如，Mukesh Kumar Vyas 和Tsukruk等 [9-10] 分别报道 中发生溶胀会形成“刷”状结构并降低界面处摩擦力，
了二元混合聚合物刷(PS和P2VP)的摩擦力响应行为， 而在不良溶剂中(甘油)，它会因吸附在表面而形成致
采用选择性溶剂来诱导聚合物刷构象及组分的变化， 密的“塌陷”结构，相关示意图如图1所示. 他们利用
研究发现PS和P2VP表现出不同的表面粗糙度、润湿 销-盘式摩擦试验机测量了不同组分的甘油与PLL-g-
性、粘附力以及摩擦力；Yoshinobu Tsujii研究小组 [12-13] PEG的水基混合溶液的摩擦力，认为PLL-g-PEG构象
采用通过改变溶剂质量，即甲苯和异丙醇混合溶剂组 的变化可影响摩擦力. 遗憾的是，他们未对其润滑性
分比例，利用构象的变化实现了从边界润滑(摩擦系 能进行相关的研究.
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数约为10 )到流体润滑(摩擦系数约为10 )；周峰研究 基于此，本文作者设计了通过改变甘油在HEPES-
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小组 利用离子对的驱动相互作用改变聚电解质刷 甘油混合物中的体积分数φ分别为0.10、0.25和0.50来
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的构象，成功实现了从超润滑(摩擦系数约为10 )到超 调控聚合物PLL-g-PEG的构象，利用石英晶体微量天
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高摩擦力的梯度调控(摩擦系数大于1)；Yu等 通过改 平(Quartz Crystal Microbalance，以下简称QCM)测量
变润滑剂中乙醇和水的组分，成功实现了聚合物刷 在镀SiO 表面的吸附量定量表征聚合物PLL-g-PEG在
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PNIPAM摩擦力的持续性调控. 这些研究工作证实了 不同的HEPES-甘油混合水溶液中构象的变化；在球-3
聚合物链的水化态和构象是决定其润滑能力的关键 板式摩擦试验机上测量聚合物刷构象对摩擦力的影
因素，对构建智能表面的理想平台都具有现实意义. 响，再利用表面分析仪器分析表面磨斑来研究其对的
需要指出的是，这些研究主要集中在微观尺度(原子 磨损性能的影响；基于红-绿双色激光干涉技术在线观
Good solvent Polymer brush Poor solvent
Stretch
(HEPES) (PLL-g-PEG) (Glycerol)
Partially stretch
Collapse
Substrate
Fig. 1 Schematic diagram of variation of polymer brush conformation
图 1 聚合物刷构象变化示意图
