| 工程材料表面聚合物修饰及仿生水润滑研究：从界面设计到摩擦调控 | |
| 魏强兵 | |
| Subtype | 理学博士 |
| Thesis Advisor | 周峰 |
| 2014-05-28 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 聚合物刷 多巴胺 表面修饰 仿生润滑 摩擦力调控 Polymer Brushes Dopamine Surface Modification Biomimetic Lubrication Friction Control |
| Abstract | 本论文综述了动物体滑液关节的润滑机制以及仿生润滑材料的研究进展。表面接枝聚合物刷可以对天然滑液关节的超低摩擦性能进行功能模拟，而贻贝仿生多巴胺基团能够在多种工程材料表面粘附，并用于制备聚合物刷。本文在深入调研相关文献的基础上，基于聚合物刷的超润滑性能和多巴胺的广泛粘附性能，以工程材料表面聚合物刷修饰及其仿生水润滑性能研究为主线，以界面设计和宏观性能调控为研究思路。其主要研究内容和结论如下： 1. 首先设计制备了一系列含有多巴胺基团的聚合物表面修饰剂，并通过共聚物分子结构的设计实现材料表面润湿性从超亲水到超疏水的连续调控。在此基础上，又设计一种双锚固基团的通用ATRP大分子引发剂，即将多巴胺分子、芘分子、和ATRP引发剂分子集成到同一个大分子中，该大分子引发剂同时能在几乎所有工程材料(金属及其氧化物、聚合物、织物等)和碳基材料等表面锚固并引发原子转移自由基聚合制备聚合物刷。 2. 利用多巴胺粘附剂的优势，采用微接触印刷技术构筑了一种结构新颖的具有3D形貌的层状聚合物刷图案。系统研究了聚多巴胺引发剂在不同性能的聚合物刷表面(不同表面能、不同电解质类型)的粘附行为，并通过二次表面引发聚合制备了由聚多巴胺作为非共价连接层的层状聚合物刷图案。该方法不仅丰富了仿生多巴胺在聚合物表面的粘附行为研究，而且也提供了一种简单可行，稳定易操作的制备层状聚合物刷图案的新方法，其在细胞和蛋白质图案化研究和生物传感分析方面表现出可观的应用前景。然后又结合ROMP和ATRP两种聚合方法，制备了具有分级结构的二元聚合物刷，其中以ROMP聚合物链为刚性主链，ATRP聚合物链为柔性侧链。通过改变主链之间的空间位阻，成功的调控了侧链聚合物链的链长。 3. DLC 薄膜是一种潜在的生物医用材料，由于表面化学惰性而难以修饰改性。我们结合自然界贻贝仿生粘附和关节润滑的灵感，基于多巴胺粘附剂，并结合SI-ATRP制备了PSPMA聚电解质刷和PSPMA-Ag纳米粒子复合薄膜功能化的DLC。功能化的 DLC 薄膜具有与天然关节类似的超低摩擦系数(μ~10-3)，并在生物介质中仍能保持稳定的超润滑性能。超低的摩擦系数主要归功于高度水化的聚电解质链充当了有效的边界润滑膜。聚合物刷功能化 DLC 薄膜的摩擦系数不依赖于滑动速度和外界载荷，但具有盐响应行为。这种功能化的 DLC 薄膜将有效解决其作为生物体植入材料的润滑问题。 4. 响应性聚电解质刷具有丰富的对离子可设计性，通过聚电解质刷中对离子的选择交换，首次实现了宏观摩擦力从超润滑(μ~10-3)到超高摩擦力(μ>1)的梯度调控。摩擦力的增大是由于离子对相互作用和疏水效应诱导聚合物链收缩和去水化。根据此研究结果，我们总结得出了聚合物刷构象及水化态与其摩擦力之间的相互关系规律。高度水化并呈完全伸展构象的聚合物链具有超低摩擦系数(μ~10-3)；呈半收缩状态且部分去水化的聚合物链具有中等摩擦系数(μ~10-2)；完全收缩和去水化的聚合物刷丧失润滑能力，为超高摩擦系数(μ>10-1)。这种基于聚电解质刷中对离子驱动相互作用的摩擦力调控非常灵敏，而且也很稳定。有助于我们进一步理解聚合物刷的润滑机理，同时也将促进摩擦力可调控的智能表面在微流控设备、微机械系统、生物传感器等领域的应用。 |
| Subject Area | 材料科学与物理化学 |
| Funding Project | 材料表面与界面行为研究组 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/6757 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 魏强兵. 工程材料表面聚合物修饰及仿生水润滑研究：从界面设计到摩擦调控[D]. 中国科学院大学,2014. |
| Files in This Item: | ||||||
| File Name/Size | DocType | Version | Access | License | ||
| 201449魏强兵.pdf（8623KB） | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | |||
Items in the repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Edit Comment