尽管,通常通过将无机磁性颗粒嵌入到亲水性有机聚合物网络中制备的磁性水凝胶已经在生物医学、仿生学和智能软材料等领域表现出良好的应用前景。但是,开发其对应物即仅由无机磁性颗粒和水构成的凝胶仍然是一项吸引人的挑战,因为它具有制备方便、安全性高、生态友好和在强辐照条件下良好稳定性等潜在优势。此外,虽然磁性凝胶已被用于许多工业和生物医学相关领域,但关于磁性凝胶在摩擦学领域中应用的报道仍然较为罕见。
近日,中国科学院兰州化学物理研究所徐路研究员团队报道了一种仅由氨基化四氧化三铁纳米颗粒和水组成的高润滑、自愈合、可化学降解、阻燃与抗辐射磁性凝胶。在高速离心作用下,复合四氧化三铁纳米颗粒表现出强的静电斥力或弱的范德华缔合,可在2 - 12的宽pH范围内形成高含水量凝胶。所制得的磁性凝胶具有高机械弹性、良好的触变性能、可控制的磁诱导迁移性能、盐酸驱动的化学降解性能、高阻燃性和耐高强度紫外辐照性能,因而可以作为一种新型的多功能、智能与环境友好型半固体润滑剂。通过产生能够同时提供滚动和修复作用并在润滑过程中发生摩擦化学反应的高强度界面“摩擦润滑膜”,该凝胶材料在所施加的载荷高达800 N时,仍然能够提供超低摩擦和磨损。相关研究因此可能为适用于纳米技术、机械工程和胶体化学领域的新型无机智能材料的设计提供新的范例。
所制备纯无机磁性凝胶材料的亮点性能汇总:
1. 高承载下的优异润滑性能:在润滑过程中形成的“摩擦润滑膜”及纳米颗粒的滚动及修复作用下,即使对凝胶施加的载荷高达800和1000 N,其摩擦系数也能分别维持在~0.03和~0.08,同时表现出超低的磨损程度。这是首次发现纯无机纳米颗粒的半固体润滑剂能够实现如此良好的承载能力,此性能对重型设备的润滑具有重要的意义。
2. 自修复性能:在交替经受100%和1%的剪切应变时,该凝胶的粘弹性急剧衰减并完全恢复,且这种破坏/修复循环可至少重复5次,显示出良好的自修复能力。在可逆的范德华力作用下,经切割而成的两片四氧化三铁凝胶块还可以快速自发愈合为一个整体。这也是首次在纯无机凝胶体系中观察到切割-自愈合行为。该自修复特性可以使凝胶在作为润滑剂时有效地克服摩擦和磨损引发的材料性能损伤问题,继而实现重型设备或复杂工况下的长期自适应润滑。
3. 可化学降解性能:该磁性凝胶能够在稀盐酸介质中可完全溶解并化学降解为无机盐,因而能够避免废弃凝胶的弃置和排放所造成的各种环境污染问题,从而很好地契合了绿色化工和可持续化学相关研究理念。
4. 良好的阻燃性能:由于Fe3O4凝胶因子的高热稳定性和大量水的存在,所制备的磁性凝胶润滑剂呈现出了高阻燃性,故而可作为一种传统有机磁性润滑脂的安全替代品用于各种摩擦学和机械工程领域。
图1. (A) 不同pH值的凝胶的SEM图。(B) 外部磁铁对Fe3O4凝胶进行磁场控制迁移的图片。
图2. pH值分别为2 (A, D)、7 (B, E)和12 (C, F)的Fe3O4凝胶的粘弹性和触变性。
图3. (A)不同材料在800 N和20 Hz摩擦条件下的摩擦系数。Fe3O4凝胶在不同载荷(B)和不同频率(C)下的摩擦系数。(D) Fe3O4凝胶的润滑机理示意图。
图4. pH为2 (A)、7 (B)和12 (C)的Fe3O4凝胶在恒定剪切频率1 Hz下,外部剪切应变在1%和100%之间交替变化5个周期时的流变性能。(D) pH为12的Fe3O4凝胶的自愈合图片。
图5. pH 2 (A),pH 7 (B)和pH 12 (C)的Fe3O4凝胶在HCl溶液中磁力搅拌100 min后的变化。通过紫外可见光谱检测溶液中释放的铁基离子的吸光度来监测分解过程。wFe3O4 : wHCl = 1 : 10。
图6. 塑料衬底(A)、涂有市售磁性润滑脂(B)和pH 12的Fe3O4凝胶(C)的塑料衬底暴露在酒精灯外焰的照片。Fe3O4凝胶和润滑脂在50 ~ 800℃温度范围内的热重分析(D)和微商热重分析(E)。
图7. pH 2 (A, D, G),pH 7 (B, E, H),pH 12 (C, F, I) 的Fe3O4凝胶在紫外光照射前后的内部微观结构、粘弹性和摩擦系数的变化。
该工作以“Highly Lubricative, Self-Healing, Chemical Degradable, Anti-Flaming and Anti-Irradiating Magnetic Gels Simply Prepared from Binary Mixtures of Fe3O4 Nanoparticles and Water”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上,并入选期刊封面。兰州化学物理研究所为论文的第一单位,研究所科研助理胡璐琳为论文的第一作者,杨轶副研究员和徐路研究员为论文的通讯作者。以上工作得到了中国科学院高层次人才计划项目、国家自然科学基金项目、兰州化物所特聘人才计划项目、山东省自然科学基金项目与烟台先进材料与绿色制造山东省实验室项目的支持。
原文链接:https://doi.org/10.1039/D3TA06133G
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