木质纤维包裹有机凝胶增强环氧涂层在干湿环境下的润滑性能研究

针对传统油基微胶囊润滑剂泄漏和湿环境不稳定的问题，研究人员开发了木质纤维包裹聚丙烯酰胺(XFP)有机凝胶颗粒改性的环氧(EP)复合涂层。该涂层在干摩擦下摩擦系数(COF)降低77.3%，磨损率下降77.5%；在模拟海水中COF降低53.4%，磨损率减少87.3%，展现出优异的自适应润滑性能和极端环境稳定性，为机械、海洋和航空航天领域提供了新型可持续自润滑解决方案。

　　

在高速、高负荷和极端环境下的机械系统中，摩擦磨损是导致材料失效的主要原因。传统环氧树脂(EP)涂层虽具有优异的机械性能和化学稳定性，但在固化过程中形成的微裂纹会显著降低其耐磨性。更棘手的是，当前广泛使用的油基微胶囊润滑剂存在泄漏风险，且在潮湿环境中稳定性差，严重制约了其在海洋等特殊环境中的应用。这些问题直接影响了机械设备的使用寿命和运行安全，亟需开发新型自适应润滑材料。

针对这一挑战，来自河南理工大学等机构的研究人员Zengxue Hu、Jing Chen等创新性地将木质纤维包裹的聚丙烯酰胺(XFP)有机凝胶引入EP涂层，开发出具有环境适应性的自润滑复合材料。该研究发表在《Progress in Organic Coatings》上，为解决极端环境下的摩擦磨损问题提供了新思路。

研究采用溶剂共吸收-物理隔离法制备XFP有机凝胶，通过球-盘摩擦测试系统评估涂层性能。关键技术包括：1) 以甘油(Gly)/水二元体系增强聚丙烯酰胺(PAM)对Gly的吸收；2) 木质纤维(XF)网络结构稳定凝胶基质；3) 干/湿环境摩擦学性能对比测试；4) 热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)表征材料稳定性。

研究结果

Microstructural observation
通过扫描电镜观察发现，木质纤维(XF)在聚丙烯酰胺(PAM)基质中形成三维网络结构，有效固定甘油分子。这种结构使XFP₂₅
样品在120°C以下保持稳定，并在-40°C仍保持柔性，解决了传统润滑剂在极端温度下的失效问题。

Tribological properties under dry friction
干摩擦测试显示，含25wt% XFP的EP-XFP₂₅
涂层摩擦系数(COF)降低77.3%，磨损率下降77.5%。机理分析表明，木质纤维的柔韧性缓冲了摩擦应力，而逐步释放的Gly分子形成了连续润滑膜。

Tribological properties in simulated seawater
在模拟海水环境中，含10wt% XFP的EP-XFP₁₀
涂层表现出更优异的性能：COF降低53.4%，磨损率减少87.3%。研究首次揭示了Gly-海水协同润滑机制，即Gly分子与水合离子共同形成"分子滚珠"效应。

Conclusions
该研究成功开发出具有环境自适应性的EP-XFP复合涂层，其创新点在于：1) XF网络结构实现了Gly的可控释放；2) 干/湿环境下的差异化润滑机制；3) -40°C至120°C的宽温域稳定性。这项技术为海洋装备、航空航天等领域的表面防护提供了突破性解决方案，特别是解决了传统润滑材料在潮湿环境中的失效难题。研究还开创性地提出了"生物质纤维-凝胶"协同封装策略，为绿色润滑材料设计提供了新范式。

讨论
与现有技术相比，XFP有机凝胶具有三大优势：首先，物理隔离法避免了化学交联对润滑剂活性的影响；其次，木质纤维的天然多孔结构增强了凝胶的机械强度；最后，Gly的可降解性使该材料符合环保要求。值得注意的是，研究发现了XFP含量与润滑性能的非线性关系——在干摩擦下最佳含量为25wt%，而在湿环境中10wt%即达到最优，这一发现为不同应用场景的配方设计提供了重要依据。未来研究可进一步探索其他生物质纤维与不同醇类润滑剂的组合效应。