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南京林业大学 Tribology International|微胶囊化自润滑环氧涂层在竹材基底上的构筑及润滑机理

2026-08-02 10:52:05

文献分享|微胶囊化自润滑环氧涂层在竹材基底上的构筑及润滑机理

DOI：10.1016/j.triboint.2026.112481

通讯作者：王国庆讲师

研究背景

天然竹材凭借高比强度、快速可再生性等优势成为极具潜力的生物质工程材料，但其摩擦学性能存在低摩擦系数与严重磨损并存的内在矛盾，限制了其在持续滑动接触的动态机械构件中的直接应用。表面涂覆环氧涂层虽是改善竹材表面力学性能的常用手段且在汽车内饰、航空航天非承重内饰等轻载场景有所应用，但环氧本身高交联度带来的高摩擦与加速磨损问题仍制约其在运动机械装配件中的推广。现有微胶囊改性聚合物涂层的研究多聚焦传统金属与纯聚合物基底，对竹材这类特殊生物质基底关注不足，且相关研究多停留在宏观现象观察与经验性能评估层面，缺乏原子尺度的微观摩擦机制深入阐释。

创新点

本文通过溶剂蒸发法制备平均粒径35.09μm、多分散指数0.32的聚砜/聚α烯烃（PSF/PAO-40#）核壳微胶囊，将其掺入竹基环氧涂层构建了微胶囊改性自润滑涂层体系，实验结果表明10wt%掺量的涂层综合性能最优，在维持与天然竹材相当的约0.18低摩擦系数的同时，较纯环氧涂层磨损率降低62.5%、较天然竹材降低54.7%。研究结合磨损形貌分析与拉曼光谱验证，明确了应力触发微胶囊破裂释放PAO-40#形成转移膜的核心润滑路径，进一步通过分子动力学模拟从原子尺度揭示了微胶囊抑制应变局域化、促进分子变形耗能及PAO分子形成有序溶剂化层削弱固-固相互作用的多重机制，最终提出了涵盖宏观转移膜隔离、中观应力分散、原子尺度能量耗散的三尺度协同自润滑机制。

图文速览

图1竹材基底微胶囊改性自润滑环氧涂层制备过程示意图

图2分子动力学模拟模型原子构型。(a)纯环氧基体摩擦模型；(b)环氧/微胶囊复合摩擦模型

图3微胶囊表征结果。(a)SEM照片；(b)EDS谱图及元素Mapping；(c)粒径分布

图4竹材基底及复合涂层表面形貌与化学结构表征。(a1–f1)NB、EP、EP5MC、EP10MC、EP15MC及EP20MC的光学显微照片；(a2–f2)NB、EP、EP5MC、EP10MC、EP15MC及EP20MC的SEM图像；(g)NB、EP、EP5MC、EP10MC、EP15MC及EP20MC的FT-IR光谱；(h)NB、EP、EP5MC、EP10MC、EP15MC及EP20MC的拉曼光谱

图5竹材基底及复合涂层的力学性能与表面润湿性表征。(a)邵氏D硬度；(b)纳米压痕试验载荷-位移曲线；(c)纳米硬度与弹性模量；(d)天然竹材（NB）、纯环氧涂层（EP）及EP5MC、EP10MC、EP15MC、EP20MC在0、1、2、3、4、5s下的静态水接触角

图6竹材基底微胶囊改性自润滑环氧涂层在干滑动条件下的摩擦学性能表征。(a–f)NB、EP、EP5MC、EP10MC、EP15MC及EP20MC磨痕的三维表面形貌与截面轮廓线；(g)摩擦系数（COF）随时间的演变曲线；(h)比磨损率对比；(i)磨损区拉曼光谱

图7摩擦学测试后磨损表面的光学显微照片与SEM显微形貌。(a1–f1)NB、EP、EP-5MC、EP-10MC、EP-15MC及EP-20MC的光学显微照片；(a2–a5)天然竹材（NB）的SEM图像；(b2–b5)纯环氧涂层（EP）的SEM图像；(c2–c5)EP-5MC的SEM图像；(d2–d5)EP-10MC的SEM图像；(e2–e5)EP-15MC的SEM图像；(f2–f5)EP-20MC的SEM图像