一种具有优异力学及摩擦学表现的聚合物仿生织构薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及减磨抗磨技术领域，尤其涉及一种具有优异力学及摩擦学表现的聚合物仿生织构薄膜及其制备方法。

背景技术：

随着制造业的不断发展，能源的消耗问题也得到了科研人员的关注。在调查研究中发现，世界上总能源的三分之一以上都是由摩擦所耗损的，磨损是机器零部件的主要失效形式之一。而摩擦与磨损与我们的生活息息相关，我们一方面利用摩擦为我们生活带来的好处，另一方面又为磨损带来的资源损耗而担忧。在能源与资源日益趋减的今天，降低在摩擦过程中带来的资源损耗是众多研究人员亟需解决的问题，也是作为一名机械制造专业的人员应该考虑的问题。

随着科研人员对摩擦学的不断深入研究，发现并不是越光滑的表面摩擦系数就越低，反而是拥有特定织构的表面，减磨抗磨效果更佳。研究人员们观察了荷叶，美人蕉等植物叶片表面的微观形貌，看似光滑的表面其实质是具有凹凸不平的二元微纳结构。这样的特殊结构能够起到减小摩擦的作用。表面织构以其优异的减摩抗磨性能被证明是继表面改性、表面镀层等表面处理工艺后的一种新颖且有效的表面处理方法。1966年，hamilton等利用软刻蚀技术在一些机械密封件上加工出不同形状的微观凸起，综合理论分析和实验验证的结果，得到了性能最佳的表面织构尺寸，此结果证明，材料表面的这些微凸结构可以充当流体动压轴承，可以有效的提高摩擦副的承载能力，降低摩擦系数。

磺化聚醚醚酮溶液具有成膜温度低，成膜效果好，薄膜自身强度高等优点。

因此，通过仿生织构的方法，在聚合物薄膜表面进行织构，得到具有特定二元微纳结构的织构薄膜。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有优异力学及摩擦学表现的聚合物仿生织构薄膜及其制备方法，该仿生织构化能较好的提高基体本身的力学和摩擦学性能。

为实现上述目的，本发明以美人蕉，鸢尾叶片等植物叶片为复制模板，选用磺化的聚醚醚酮为基体材料，获得仿生织构化聚醚醚酮薄膜。

一种具有优异力学及摩擦学表现的聚合物仿生织构薄膜的制备方法，包括以下步骤；

（1）植物叶片预处理：清洗植物叶片，并吹干；

（2）具有微纳织构的聚合物薄膜制备:将配制好的磺化聚醚醚酮溶液浇铸在提前处理好的植物叶片表面，静置除去溶液中的气泡，在60-120℃下固化4-10h。将固化后形成的仿生织构薄膜从植物叶片剥离，得到具有植物叶片表面微纳结构的磺化聚醚醚酮薄膜。

本发明中所述的生物模板为表面具有突起或凹陷的二元微纳结构的植物叶片。考虑到薄膜自身的尺寸和拉伸性能的测试，所以选择叶片较大且坚挺的植物，例如美人蕉和鸢尾。

步骤2中所用磺化聚醚醚酮溶液的质量浓度为10%，固化后形成的薄膜颜色透明，力学性能优异。

本发明以美人蕉叶片和鸢尾叶片为复制模板，以磺化聚醚醚酮为基体材料，复制得到具有二元微纳结构的仿生织构化薄膜。该薄膜具有美人蕉和鸢尾叶片的表面微观形貌，减小了与摩擦副间的接触面积，从而降低了摩擦系数，减小的磨损率。

本发明利用自然界中的疏水植物叶片具有天然减阻特性，采用表面的微结构进行减磨抗磨，增强增韧的改性，具有操作简，成本低，复制效果好等优点，为仿生学开辟的新的应用领域。

附图说明

图1为仿生织构化薄膜的制备过程示意图；

图2为植物叶片和织构薄膜表面形貌的om；

图3为薄膜的拉伸曲线图；

图4为摩擦曲线图；

图5为磨损表面的共焦距显微镜图及om；

图6为磨损表面的sem。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1

取形貌完好的美人蕉叶片，清洗叶片，并吹干备用。

配制质量浓度为10%磺化聚醚醚酮溶液，采用溶液浇铸法浇铸在美人蕉叶片表面，静置除去溶液中的气泡，在60℃下固化10h。将固化后形成的仿生织构薄膜从植物叶片剥离，得到具有美人蕉叶片表面微纳结构的c-speek薄膜。

实施例2

取形貌完好的鸢尾叶片，清洗叶片，并吹干备用。

配制质量浓度为10%磺化聚醚醚酮溶液，采用溶液浇铸法浇铸在美人蕉叶片表面，静置除去溶液中的气泡，在60℃下固化10h。将固化后形成的仿生织构薄膜从植物叶片剥离，得到具有鸢尾叶片表面微纳结构的f-speek薄膜。

实施例3

取形貌完好的美人蕉叶片，清洗叶片，并吹干备用。

配制质量浓度为10%磺化聚醚醚酮溶液，采用溶液浇铸法浇铸在美人蕉叶片表面，静置除去溶液中的气泡，在120℃下固化4h。将固化后形成的仿生织构薄膜从植物叶片剥离，得到具有美人蕉叶片表面微纳结构的c-speek薄膜。

实施例4

取形貌完好的鸢尾叶片，清洗叶片，并吹干备用。

配制质量浓度为10%磺化聚醚醚酮溶液，采用溶液浇铸法浇铸在美人蕉叶片表面，静置除去溶液中的气泡，在120℃下固化4h。将固化后形成的仿生织构薄膜从植物叶片剥离，得到具有鸢尾叶片表面微纳结构的f-speek薄膜。

实施例5

取实施例1、实施例2样品，在光学显微镜下观测其表面形貌，得到图2结果，图（a）为鸢尾的叶片照片，图（a1）、（a2）为具有鸢尾叶片表面仿生织构的薄膜的显微照片，图（b）为美人蕉的叶片照片，图（b1）、（b2）为具有美人蕉叶片表面仿生织构的薄膜的显微照片。图2显示本发明制备的仿生织构薄膜获得了植物叶片的表面微纳结构。

在光洁的玻璃板上采用溶液浇铸法制备speek薄膜、以及氧化石墨烯改性的go/speek薄膜，分别对speek薄膜、go/speek薄膜、实施例1制备的f-speek薄膜、实施例2制备的c-speek薄膜进行拉伸测试及摩擦磨损测试，得到图3、图4结果。图3为不同样品的拉伸曲线，相对于speek薄膜，具有美人蕉仿生织构的c-speek薄膜的抗拉强度提升了2.4倍、断裂延伸率提升了0.44倍；具有鸢尾仿生织构的c/f-speek薄膜的抗拉强度提升了2.4、断裂延伸率提升了0.5。图4为不同样品的摩擦曲线，相对于speek薄膜，具有美人蕉仿生织构的c-speek薄膜的平均摩擦系数降低了0.15、磨损区域减少了3864um²；具有鸢尾仿生织构的f-speek薄膜的平均摩擦系数降低了0.13、磨损区域减少了975um²。

对摩擦磨损测试后的样品进行显微观察、共焦距显微镜观察、以及sem观察，得到图5、图6结果。图6中，图（a1）、（a2）、（a3）为speek薄膜在不同放大倍数下的sem照片，图（b1）、（b2）、（b3）为c-speek薄膜在不同放大倍数下的sem照片。照片显示两种薄膜在5n,200r/min,干滑动条件下的磨损表面。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种具有优异力学、摩擦学表现的聚合物仿生织构薄膜及其制备方法，以美人蕉、鸢尾等植物叶片为模板，选用磺化的聚醚醚酮为基体材料，获得具有优异力学和摩擦学性能的聚醚醚酮仿生织构薄膜。采用本发明方法制备的聚合物薄膜表面成功复制了植物叶片表面的微观纳米结构，增强了材料的力学和摩擦学性能。本发明利用自然界中的植物叶片，采用一步法制备得到具有微纳结构的聚合物薄膜，制备方法简单，绿色，成本低，开辟了仿生学新的应用领域。

技术研发人员：宋浩杰;任锐锐;文怀兴
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：2018.08.07
技术公布日：2019.01.18