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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計和應用

2025-02-07 來源：高分子科技

減少摩擦對水下航行器、管道運輸、醫療器械、外太空減阻等諸多領域具有重要意義。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輸。此外，減阻還有利于保持航天儀器的穩定，并延長其在外太空的使用時間，在醫療領域可以減輕患者的痛苦。不同領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、聚乙二醇等共價結合的潤滑材料解決潤滑劑與基底結合不牢的問題，采用pH、光熱等響應性釋放的潤滑材料延長潤滑劑使用時間，采用原位交聯的方法形成均勻的、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，采用固液復合潤滑材料協同增強潤滑效果等。

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行全面綜述。近日，浙江大學王征科課題組在《Applied Materials Today》上發表了題為《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行討論，從水下航行器、醫療器械、油氣開采與管道運輸、外太空裝備等不同領域，對聚合物基潤滑減阻材料進的設計和應用進行綜述，歸納總結了這些材料的制備方法及減阻能力，并對可能的發展方向進行了分析和展望。

圖1 聚合物基潤滑減阻材料及其應用

圖2 A）超疏水涂層的減阻機制，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）磨損循環和膠帶剝離循環對接觸角的影響。E）不同質量比的KH550@SiO₂：STA@TiO₂復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過程中的接觸角變化，C）自修復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過程，E）通過在水下產生氣膜來形成超疏水表面的自修復過程。

圖5 A）具有剪切穩定潤滑性能的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PDMS聚合物網絡中含FAA的油凝膠，D）受盲鰻啟發的船用防污涂料的設計與響應機制，E）CmSLIPS 防污涂層的設計和響應機制。

圖6 A）ZASC納米球的超潤滑機制，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在不同負載和往復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-時間曲線。B)PBS、HA水凝膠和Lipo@HA水凝膠的摩擦系數直方圖。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-時間曲線。F)HA水凝膠潤滑行為示意圖。G)Lipo@HA水凝膠的摩擦系數-時間曲線。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間的變化。B)不同溫度下的減阻率。C)90°C不同系統的減阻率隨時間的變化。D)90°C下不同系統的減阻率。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。

浙江大學碩士生程玉帥為本文第一作者，浙江大學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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（責任編輯：xu）

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