一种增强极性润滑剂的减磨润滑性能的方法与流程

本发明属于生物摩擦领域，具体涉及一种增强极性润滑剂的减磨润滑性能的方法。

背景技术：

随着人类进入高龄化社会，患有关节疾病的人数日益增加，对人工关节的需求相应的日趋高涨，如把体内植入医疗用品也计算在内，其需求的年增长率已可以达到7％～8％(发达国家)，而我国是一个具有14亿人口的发展中大国，医疗保健服务人口基数大。据民政部报告，我国仅肢体不自由患者就有约1500多万，其中残疾约780万。过去由于缺乏重建手术和材料，已有300余万人截肢。这些统计数据表明利用现代技术，加速人工关节的开发与研究具有很重要的现实意义。

然而由于目前医学上使用的人工关节在耐磨性上的性能较差，所以其服役寿命只有20年左右，远远低于天然关节70年的寿命，人工关节在服役过程中的摩擦学性能不能长久使用。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中人工关节的磨损比较严重以致使用寿命减短的问题，提供了一种增强极性润滑剂的减磨润滑性能的方法。

实现本发明目的提供技术方案如下：

一种增强极性润滑剂的减磨润滑性能的方法，具体步骤包括：

步骤1：选择机械强度(断裂强度大于50mpa)、压电常数大于200c/n的压电材料作为摩擦基体；

步骤2：制备具有极性的大分子溶液或在溶液中能分解出大分子量离子团的溶液作为润滑介质；

步骤3：选取常规的人工关节对磨材料组成摩擦系统；

步骤4：选取符合人体天然关节的载荷以及摩擦速度；

步骤5：以压电陶瓷为基体、极性分子溶液为润滑溶液、在步骤4的载荷及摩擦速度下进行摩擦实验。

进一步的，润滑介质包括甜菜碱溶液、磷酸胆碱溶液或聚(7-降冰片烯-2-羧酸甲钠)溶液。

进一步的，步骤3中，人工关节摩擦副的对磨材料包括陶瓷对磨材料、高分子对磨材料、钴铬钼合金金属对磨材料或铝合金金属对磨材料。

进一步的，步骤4中，根据人体天然关节在日常生活中的状态，施加的载荷为2～5n，摩擦速度为0.005～0.01m/s。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点如下：

1、本发明利用天然滑液中存在极性分子吸收日常行走过程中的冲击载荷，达到压电陶瓷关节与关节滑液之间的协同作用，达到增强极性润滑剂的减磨润滑性能；2、本发明合理利用了人体关节在运动过程中的波动冲击载荷作用，通过吸收自然行走过程中所产生的动能并转化为能吸收极性分子的电场能；当接触表面因摩擦而将所吸附的分子磨去时，因为再一次产生的电场，所以摩擦表面的分子膜就会重新形成，如此达到了动态成膜的效果，可以很好的得到减少磨损的效果。

附图说明

图1为本发明方法模拟示意图。

图2为本发明方法中的摩擦过程与普通摩擦过程的对比图，a为普通摩擦过程示意图，b为本发明摩擦过程示意图。

图3为甜菜碱的分子式图。

图4为摩擦测试结果图。

图5为摩擦系数结果图。

图6为摩擦实验后的磨损率对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例1

(1)选取的钛酸钡压电陶瓷片作为摩擦基体，测得其压电系数d33为300pc/n；

(2)对压电陶瓷片上下表面进行去电极处理，对压电陶瓷的正极面进行打磨抛光，最终测得表面粗糙度为0.1μm，对压电陶瓷片进行镶嵌处理，保留待磨表面在外；

(3)选取具有极性的甜菜碱(dmmpps)来配置浓度为0.5mol/l的溶液，用作润滑介质；

(4)选用sin陶瓷球作为对磨材料，球体直径为4mm，粗糙度为0.1μm(ra)；

(5)选定施加的载荷为2n，摩擦速度为0.0075m/s，进行摩擦性能测试。图3为甜菜碱的分子式。

实施例2

(1)选取的钛酸钡压电陶瓷片作为摩擦基体，测得其压电系数d33为300pc/n；

(2)对压电陶瓷片上下表面进行去电极处理，对压电陶瓷的负极面行打磨抛光，最终测得表面粗糙度为0.1μm，对压电陶瓷片进行镶嵌处理，保留待磨表面在外；

(3)选取具有极性的甜菜碱(dmmpps)来配置浓度为0.5mol/l的溶液，用作润滑介质；

(4)选用sin陶瓷球作为对磨材料，球体直径为4mm，粗糙度为0.1μm(ra)；

(5)选定施加的载荷为2n，摩擦速度为0.0075m/s，进行摩擦性能测试。

实施例3

(1)选取的钛酸钡压电陶瓷片作为摩擦基体，测得其压电系数d33为300pc/n；

(2)对压电陶瓷片上下表面进行去电极处理，将待摩擦的表面进行打磨抛光，最终测得表面粗糙度约为0.1μm；对压电陶瓷片进行镶嵌处理，保留待磨表面在外。

(3)选取不带极性的去离子水作为润滑溶液。

(4)选用sin陶瓷球作为对磨材料，球体直径为4mm，粗糙度为0.1μm(ra)；

(5)选定施加的载荷为2n，摩擦速度为0.0075m/s，进行摩擦性能测试。

实施例4

(1)选取的普通电陶瓷片作为摩擦基体；

(2)将待摩擦的表面进行打磨抛光，最终测得表面粗糙度约为0.1μm；对压电陶瓷片进行镶嵌处理，保留待磨表面在外；

(3)选取具有极性的甜菜碱(dmmpps)来配置浓度为0.5mol/l的溶液，用作润滑介质；

(4)选用sin陶瓷球作为对磨材料，球体直径为4mm，粗糙度为0.1μm(ra)；

(5)选定施加的载荷为2n，摩擦速度为0.0075m/s，进行摩擦性能测试。

实施例1、2及4的摩擦系数结果如图4所示。

实施例3的摩擦系数结果如图5所示。

实施例1、2及3在摩擦实验后的磨损率对比如图6所示。

结论

从图4中的摩擦测试结果可以看出，当以钛酸钡压电陶瓷的负极面作为摩擦基体时，摩擦系数最低，约为0.15，而以普通陶瓷作为摩擦基体时，摩擦系数约为0.18。且从图6的磨损率对比图中也可以看出，以钛酸钡压电陶瓷的负极面作为摩擦基体相对应的磨损率也最低。

由此可以推出，由于甜菜碱分子如图3所示具有极性，且带有正电性的基团较大，所以在摩擦过程中会被吸附至表面具有负电场的压电陶瓷负极面，从而较少了摩擦过程中的磨损，原理如图2所示。所以在摩擦基体与极性润滑溶剂的协同作用下，这种组合方法可以达到增强润滑剂减磨作用的目的。