一種鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜的制備工藝，步驟是：經(jīng)打磨拋光清洗后的潔凈鈦基材料，采用堿處理、陽(yáng)極氧化和Piranha溶液處理等方法使其表面羥基化；將羥基化鈦基材料表面通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑接枝氧化石墨烯納米片；最后將表面接枝氧化石墨烯納米片的鈦基材料置于氧化石墨烯納米片水溶液中，通過(guò)自由基聚合反應(yīng)并干燥后即制備出網(wǎng)格狀的耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜—水凝膠。該方法首次利用水凝膠有機(jī)高分子材料對(duì)鈦基材料進(jìn)行表面耐磨性改性，充分發(fā)揮水凝膠摩擦系數(shù)低和耐熱性能好的優(yōu)點(diǎn)，有效地提高了鈦基材料表面的干態(tài)環(huán)境下耐磨性能，擴(kuò)大了鈦基材料的應(yīng)用范圍，具有明確的科學(xué)意義和巨大的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說(shuō)明】一種鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料表面摩擦磨損和固體潤(rùn)滑領(lǐng)域，特別是一種在鈦及鈦合金材料表面制備具有耐高溫性能的多分子層邊界潤(rùn)滑膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦及鈦合金是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能如密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐熱以及生物相容性好等綜合性能廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、冶金、電力和生物醫(yī)用領(lǐng)域。但是其表面摩擦系數(shù)大、耐磨性差的特點(diǎn)限制了其在高速干燥或其他特殊惡劣氣氛環(huán)境下優(yōu)異性能的發(fā)揮。
[0003]近年來(lái)通過(guò)微弧氧化[I](參見(jiàn):Bemporad,E.，et al., Modelling, productionand characterisation of duplex coatings(HV0F and PVD)on T1- 6A1 - 4V substratefor specific mechanical applications.Surface and Coatings Technology, 2007.20I (18):p.7652-7662.)、表面滲鍛[2](參見(jiàn):Fernandes, Β.Β.，et al., Effects of hightemperature plasma immersion ion implantation on wear resistance of T1-S1-Bsintered alloys.Surface and Coatings Technology, 2013.228:p.195-200.)等表面改性或涂覆工藝[3](參見(jiàn):Wang, D.Y., Chang, C L., Chen, Z Y., Ho, W Y, Microstructural andtribological characterization of MoS2 - Ti composite solid lubricating films.Surface and Coatings Technology, 1999.120-121:p.629-635.),改善欽基材料表面耐磨性，而在鈦基材料表面利用有機(jī)化合物改善其耐磨性的技術(shù)鮮有報(bào)道。此外，對(duì)于高分子有機(jī)固體潤(rùn)滑的研究也多為粘接方法制備的涂層，而采用將某種長(zhǎng)鏈單分子層轉(zhuǎn)移到鈦金屬摩擦面上形成多層組合膜的減摩固體潤(rùn)滑膜技術(shù)更是基本屬于空白。
[0004]隨著摩擦學(xué)研究的重`點(diǎn)從傳統(tǒng)的流體動(dòng)力潤(rùn)滑系統(tǒng)轉(zhuǎn)向摩擦材料及其表面工程，對(duì)固體潤(rùn)滑涂層的研究日益受到重視。摩擦表面實(shí)施固體潤(rùn)滑涂層處理可在無(wú)油干燥的工況下使用，明顯降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性能。既簡(jiǎn)化了潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)，延長(zhǎng)使用壽命，同時(shí)又提高了設(shè)備的可靠性。而水凝膠由于其具有比硬質(zhì)固體物質(zhì)低得多的摩擦系數(shù)，成為新型人工軟骨和組織替代物的理想材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜的制備方法，本發(fā)明根據(jù)仿生人體關(guān)節(jié)生物摩擦學(xué)原理，充分發(fā)揮水凝膠摩擦系數(shù)低及耐高溫的優(yōu)點(diǎn),將水凝膠接枝于鈦基材料表面,從而達(dá)到改善鈦基材料表面耐磨性的目的。
[0006]本發(fā)明一種鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜，由水凝膠接枝于鈦基材料表面構(gòu)成。
[0007]本發(fā)明一種鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜的制備方法，其步驟如下:
[0008]步驟一、前期處理:將鈦基材料前期打磨拋光至表面粗糙度Ra不大于I μ m,并清洗、干燥；
[0009]步驟二、鈦基材料表面羥基化；
[0010]步驟三、經(jīng)過(guò)羥基化的鈦基材料表面接枝氧化石墨烯納米片；
[0011]步驟四、將表面接枝有氧化石墨烯納米片的鈦基材料置于氧化石墨烯納米片水溶液中，加入合成水凝膠的原材料，通過(guò)自由基聚合反應(yīng)制備出網(wǎng)格狀的耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜即水凝膠，伴隨著水凝膠的合成即完成在鈦基材料表面接枝水凝膠工藝，隨后取出干燥后即可得到鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜。
[0012]進(jìn)一步講，步驟二中，鈦基材料表面羥基化的工藝是堿處理、陽(yáng)極氧化法和Piranha溶液處理工藝中的任一種，從而使鈦基材料表面具有親水性官能團(tuán)-0H。
[0013]進(jìn)一步講，步驟三中，經(jīng)過(guò)羥基化的鈦基材料表面接枝氧化石墨烯納米片的方法是:先在羥基化的鈦基材料表面硅烷化，即將硅烷偶聯(lián)劑上的-NH2接枝于鈦基材料表面，隨后再取出浸泡于氧化石墨烯納米片水溶液中，通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑上的-NH2與氧化石墨烯納米片上的-COOH發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)鈦基材料與氧化石墨烯納米片以C-N共價(jià)鍵結(jié)合。
[0014]進(jìn)一步講，步驟四中用到的合成水凝膠的原材料包括:單體1、引發(fā)劑、共價(jià)鍵交聯(lián)劑、催化劑、離子鍵交聯(lián)劑、單體2和脫水劑；其中，所述單體I為丙烯酰胺；所述引發(fā)劑為過(guò)硫酸銨；所述共價(jià)鍵交聯(lián)劑為甲叉雙丙烯酰胺；所述催化劑為N，N，N’，N’，-四甲基二乙酰胺；所述離子鍵交聯(lián)劑為無(wú)水氯化鈣；所述單體2為海藻酸鈉；所述脫水劑為碳化二亞胺和N-羥基琥珀酰亞胺。
[0015]進(jìn)一步講，步驟四中，通過(guò)自由基聚合反應(yīng)制備出網(wǎng)格狀的耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜即水凝膠需要在30°C~70°C和高純N2保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0017]與現(xiàn)有在鈦基材料表面制備無(wú)機(jī)涂層改善其耐磨性的傳統(tǒng)工藝技術(shù)相比，本發(fā)明的制備方法首次提出將水凝膠中的長(zhǎng)鏈基團(tuán)轉(zhuǎn)移到鈦基材料摩擦面上形成多層組合膜的減摩固體潤(rùn)滑膜技術(shù)。本發(fā)明制備方法既不同于現(xiàn)階段大多將有機(jī)固體潤(rùn)滑涂層粘接在材料表面，也不同于將有機(jī)單分子膜轉(zhuǎn)移到固體襯底表面上制備LB薄膜的成膜技術(shù)，本發(fā)明是通過(guò)將水凝膠中的長(zhǎng)鏈基團(tuán)與氧化石墨烯納米片上的單分子層以共價(jià)鍵C-N的形式相連，而且中間過(guò)程是由鈦基材料表面的TiO2納米管先與硅烷偶聯(lián)劑分子層連接，再通過(guò)酰胺化反應(yīng)把硅烷偶聯(lián)劑分子層與氧化石墨烯納米片連接，最后再將氧化石墨烯納米片與水凝膠中的長(zhǎng)鏈基團(tuán)接枝，這種在鈦基材料表面層層組裝多分子層邊界潤(rùn)滑膜具有摩擦系數(shù)低和耐熱性能好的優(yōu)點(diǎn)，有效地改善鈦基材料的表面耐磨性，并且制備工藝簡(jiǎn)單、周期短、成本低、效率高。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為純鈦表面陽(yáng)極氧化法制備二氧化鈦納米管示意圖；
[0019]圖2為表面有二氧化鈦納米管的純鈦接枝氧化石墨烯納米片示意圖；
[0020]圖3為自由基聚合反應(yīng)制備氧化石墨烯納米片/水凝膠示意圖；
[0021]圖4為表面有二氧化鈦納米管的純鈦表面接枝水凝膠示意圖；
[0022]圖5為二氧化鈦納米管及二氧化鈦納米管接枝氧化石墨烯納米片的電子顯微形貌圖；[0023]圖6為純鈦表面的二氧化鈦納米管能譜圖；
[0024]圖7為純鈦表面的二氧化鈦納米管接枝氧化石墨烯納米片后的能譜圖；
[0025]圖8為水凝膠，氧化石墨烯納米片，氧化石墨烯納米片/水凝膠和氧化石墨烯納米片/硅烷偶聯(lián)劑的紅外光譜圖；
[0026]圖9為純鈦及表面接枝有水凝膠的純鈦摩擦后磨痕的電子顯微形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]本發(fā)明鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容是將水凝膠接枝于鈦基材料表面。其制備方法的技術(shù)路線是:前處理一表面羥基化一接枝氧化石墨烯納米片一接技水凝膠；最終干燥后即可得到在鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜。具體講，其步驟如下:
[0028]步驟一、將鈦基材料表面打磨拋光至表面粗糙度Ra不大于I μ m,并清洗、干燥，以去除材料表面雜質(zhì)和油污。
[0029]步驟二、清洗、干燥后，可采用堿處理、陽(yáng)極氧化法和Piranha溶液處理等工藝，使鈦基材料表面具有親水性官能團(tuán)-0H。
[0030]所采用的堿處理主要成分與工藝參數(shù)為:配制NaOH水溶液5mol L_\將前期處理的鈦基材料在上述堿溶液中60~90°C下保溫6~8h，隨后取出清洗、干燥。
[0031]所采用的陽(yáng)極氧化溶液體系主要成分和工藝參數(shù)為:電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用陰極為鉬電極，陽(yáng)極為鈦基材料。電解液為:氟化銨0.5wt.%，去離子水2vol.%，乙二醇98vol.%。陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)在Keithley2400型號(hào)`恒壓電源進(jìn)行，電壓為40V，氧化反應(yīng)時(shí)間為3h。將其表面清洗并干燥后的鈦基材料放入上述電解液中。反應(yīng)完后用無(wú)水乙醇超聲清洗2min再用去離子水清洗，干燥。
[0032]所述的Piranha溶液處理方法的主要成分和工藝參數(shù)為:配制Piranha溶液:H2SO4和H2O2體積比為7:1，將前期處理的鈦基材料放入Piranha溶液中在25~50°C下保溫10~30mim,隨后取出清洗、干燥。
[0033]步驟三、經(jīng)過(guò)羥基化的鈦基材料表面接枝氧化石墨烯納米片，即，先在羥基化的鈦基材料表面硅烷化，即將硅烷偶聯(lián)劑上的-NH2接枝于鈦基材料表面，隨后再取出浸泡于氧化石墨烯納米片水溶液中，通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑上的-NH2與氧化石墨烯納米片上的-COOH發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)鈦基材料與氧化石墨烯納米片以C-N共價(jià)鍵結(jié)合。
[0034]步驟四、將表面接枝有氧化石墨烯納米片的鈦基材料置于氧化石墨烯納米片水溶液中，加入合成水凝膠的原材料，在30°C~70°C和高純N2保護(hù)環(huán)境下通過(guò)自由基聚合反應(yīng)制備出網(wǎng)格狀的耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜一水凝膠，伴隨著水凝膠的合成即完成在鈦基材料表面接枝水凝膠工藝，隨后取出干燥后即可得到在鈦基材料表面接枝耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜。
[0035]以下通過(guò)實(shí)施例講述本發(fā)明的詳細(xì)過(guò)程，提供實(shí)施例是為了理解的方便，絕不是限制本發(fā)明。
[0036]實(shí)施例1:
[0037]在純鈦表面制備耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜的步驟如下:
[0038]步驟I )，將純鈦前期打磨拋光至表面粗糙度Ra不大于I μ m，并清洗、干燥，去除其表面的雜質(zhì)和油污。
[0039]步驟2)，采用陽(yáng)極氧化法在純鈦表面制備帶有-OH基團(tuán)的TiO2納米管，如圖1所示。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用陰極為鉬電極，陽(yáng)極為純鈦。電解液為:氟化銨0.5wt.%，去離子水2vol.%，乙二醇98vol.%。陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)在Keithley2400型號(hào)恒壓電源進(jìn)行，電壓為40V，氧化反應(yīng)時(shí)間為3h。將其表面清洗并干燥后的試樣放入上述電解液中。反應(yīng)完后用無(wú)水乙醇超聲清洗2min再用去離子水清洗，空氣中風(fēng)干。
[0040]步驟3)，使用3-氨基丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑連接TiO2納米管和氧化石墨烯納米片。因步驟I)在純鈦表面制備的TiO2納米管表面具有羥基官能團(tuán)，有利于連接硅烷偶聯(lián)劑。配制硅烷偶聯(lián)劑溶液:3-氨基丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑濃度為5g/L，無(wú)水乙醇0.1L。將由表面有TiO2納米管的純鈦放入上述硅烷偶聯(lián)劑溶液中在70°C下水解3h，隨后取出并用去離子水沖洗，空氣中風(fēng)干后再將試樣置于10mL，其濃度為2mg/mL的氧化石墨烯納米片水溶液中，在50°C下浸泡24h。即通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑上的官能團(tuán)-NH2與氧化石墨烯納米片上的官能團(tuán)-COOH發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)純鈦與氧化石墨烯納米片以C-N化學(xué)鍵的形式相結(jié)合，如圖2所示。
[0041]步驟4)，首先將步驟3表面有氧化石墨烯納米片的純鈦置于15mL，其濃度為2mg/mL的氧化石墨烯納米片水溶液中，后將合成水凝膠的原材料，包括:單體1:丙烯酰胺5g;熱引發(fā)劑；過(guò)硫酸銨0.015g ;共價(jià)鍵交聯(lián)劑:甲叉雙丙烯酰胺0.0031g;催化劑:N，N，N’，N’，-四甲基二乙酰胺16uL ;離子鍵交聯(lián)劑:無(wú)水氯化鈣0.0661g ;單體2:海藻酸鈉0.5g ;脫水劑:碳化二亞胺0.05g和N-羥基琥珀酰亞胺0.025g,依次加入到上述的氧化石墨烯納米片水溶液中，在30°C~70°C和高純N2保護(hù)環(huán)境中自由基聚合反應(yīng)lh。即在氧化石墨烯納米片水溶液中通過(guò)自由基聚合反應(yīng)制備出氧化石墨烯納米片/水凝膠，如圖3所示，伴隨著水凝膠的合成即完成在純鈦表面接枝水凝膠過(guò)程，如圖4所示，隨后取出干燥后即可得到在純鈦表面接枝耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜。
[0042]將實(shí)施例1處理后的`試樣，通過(guò)掃描電子顯微鏡(S4800型)觀察，從圖5(a)可以看出陽(yáng)極氧化法制備的TiO2納米管排列整齊，分布均勻，管徑在IOOnm左右；此外，致密均勻的TiO2納米管表面具有-0H，更有利于連接硅烷偶聯(lián)劑即硅烷化。圖5(b)是表面接枝氧化石墨烯納米片后的電子顯微形貌圖。對(duì)比圖5(a)和圖5(b)，明顯看出氧化石墨烯納米片比較均勻分布于TiO2納米管表面；圖5(c)和圖(d)分別是表面接枝氧化石墨烯納米片的局部放大顯微形貌圖。
[0043]隨后又通過(guò)能譜圖(圖6是純鈦表面的TiO2納米管的能譜圖、圖7是純鈦表面的TiO2納米管接枝氧化石墨烯納米片后的能譜圖)對(duì)比分析，TiO2納米管接枝氧化石墨烯納米片前后的碳原子原子數(shù)百分比分別是13.10%和21.74%，因此可以得出結(jié)論，氧化石墨烯納米片已連接到TiO2納米管表面。
[0044]圖8是實(shí)施例1的步驟3)中制備的氧化石墨烯納米片/水凝膠以及水凝膠、氧化石墨烯納米片、氧化石墨烯納米片/硅烷偶聯(lián)劑的紅外光譜圖。相應(yīng)的化學(xué)鍵分別在圖線上標(biāo)定出來(lái)，表面預(yù)先設(shè)計(jì)的官能團(tuán)之間的成功反應(yīng)。其中，氧化石墨烯納米片表面上具有豐富的羥基、羧基、羰基和環(huán)氧基官能團(tuán)，使得氧化石墨烯納米片能與水凝膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，在本發(fā)明中是將氧化石墨烯納米片上的-COOH官能團(tuán)與水凝膠中的-NH2官能團(tuán)通過(guò)脫水縮合反應(yīng)生成C-N (1418.59)相連接；另一方面,氧化石墨烯納米片通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑與TiO2納米管相連(1635.03，1558.18，1258.98)?？傊?，氧化石墨烯納米片上一部分-COOH官能團(tuán)與硅烷偶聯(lián)劑中的-NH2官能團(tuán)以C-N相連，氧化石墨烯納米片上另一部分的-COOH官能團(tuán)與水凝膠中的中的-NH2官能團(tuán)以酰胺鍵C-N相連接，氧化石墨烯納米片是TiO2納米管與水凝膠連接的“橋梁” 。
[0045]圖9是純鈦及實(shí)施例1表面接枝有水凝膠的純鈦在立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(MMW-1，濟(jì)南試金基團(tuán)有限公司。試驗(yàn)力10N，總轉(zhuǎn)速2萬(wàn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速200r/min。對(duì)磨材料為純鈦)磨損前后的電子顯微形貌圖。圖9(a)是純鈦摩擦后的電子顯微形貌圖，圖9(b)是圖9(a)的局部放大顯微形貌圖。從圖9(a)和圖9(b)中可以看出，純鈦摩擦之后表面犁溝顯著，存在嚴(yán)重撕裂與塑性流動(dòng)特征，其表面磨損主要表現(xiàn)為磨粒磨損，同時(shí)伴有氧化磨損和粘著磨損。圖9(c)，圖9(d)，圖9(e)是表面接枝有水凝膠的純鈦的電子顯微形貌圖，圖9(d)是圖9(c)的局部放大顯微形貌圖，圖9(e)是圖9(d)的局部放大顯微形貌圖。圖9(f),圖9(g)，圖9(h)是表面接枝有水凝膠的純鈦摩擦之后的電子顯微形貌圖，圖9(g)是圖9(f)的局部放大顯微形貌圖，圖9(h)是圖9(g)的局部放大顯微形貌圖。對(duì)比摩擦前后的電子顯微形貌圖，可以看出，摩擦之后，水凝膠的孔徑變化不明顯，顯微形貌并沒(méi)有發(fā)生明顯改變。這說(shuō)明純鈦表面接枝水凝膠后其表面耐磨性得到明顯改善。
[0046]實(shí)施例2:在鈦鋯鈮合金表面制備耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜的步驟如下:
[0047]步驟I )，將鈦鋯鈮合金前期打磨拋光至表面粗糙度Ra不大于I μ m,并清洗、干燥。
[0048]步驟2)，采用堿處理法在鈦鋯鈮合金表面制備親水性官能團(tuán)-0H。堿處理工藝:配制NaOH水溶液5mol L—1，將前期處理的鈦鋯鈮合金在上述NaOH溶液中60~90°C下保溫6~8h,隨后取出清洗、干燥。
[0049]步驟3)，使用氨丙基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑連接表面羥基化的鈦鋯鈮合金和氧化石墨烯納米片。配制硅烷偶聯(lián)劑溶液:三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑濃度為5g/L，甲醇0.1L。將表面羥基化的鈦鋯鈮合金放入上述硅烷偶聯(lián)劑溶液中在70°C下水解3h，隨后取出并用去離子水沖洗，空氣中風(fēng)干后再將試樣置于10mL，其濃度為2mg/mL的氧化石墨烯納米片水溶液中，在50°C下浸泡24h。即通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑上的官能團(tuán)-NH2與氧化石墨烯納米片上的官能團(tuán)-COOH發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)鈦鋯鈮合金與氧化石墨烯納米片以C-N化學(xué)鍵的形式相結(jié)合。[0050]步驟4)，首先將步驟3)表面有氧化石墨烯納米片的鈦鋯鈮合金置于15mL，其濃度為2mg/mL的氧化石墨烯納米片水溶液中，后將合成水凝膠的原材料:單體1:丙烯酰胺5g ;熱引發(fā)劑:過(guò)硫酸銨0.015g ;共價(jià)鍵交聯(lián)劑:甲叉雙丙烯酰胺0.0031g ;催化劑:N, N, N’，N’ -四甲基二乙酰胺16uL ;離子鍵交聯(lián)劑:無(wú)水氯化鈣0.0661g ;單體2:海藻酸鈉
0.5g ;脫水劑:碳化二亞胺0.05g和N-羥基琥珀酰亞胺0.025g,依次加入到氧化石墨烯納米片水溶液中，在30°C~70°C和高純N2保護(hù)環(huán)境中自由基聚合反應(yīng)lh。即在氧化石墨烯納米片水溶液中通過(guò)自由基聚合反應(yīng)制備出氧化石墨烯納米片/水凝膠，伴隨著水凝膠的合成即完成在鈦鋯鈮合金表面接枝水凝膠過(guò)程。將表面接枝水凝膠的鈦鋯鈮合金在空氣中風(fēng)干，除去水凝膠中的水分，即可得到在鈦鋯鈮表面接枝耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜。
[0051]實(shí)施例3:在鈦鋯合金表面制備耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜的步驟如下:
[0052]步驟I )，將鈦鋯合金前期打磨拋光至表面粗糙度Ra不大于I μ m，并清洗、干燥。
[0053]步驟2),將鈦錯(cuò)合金放入Piranha溶液中制備親水性官能團(tuán)-0H。配制Piranha溶液=H2SO4和H2O2體積比為7:1，將前期處理的鈦鋯合金放入Piranha溶液中在25~50°C下保溫10~30mim,隨后取出清洗、干燥。
[0054]步驟3)，使用氨丙基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑連接表面羥基化的鈦鋯合金和氧化石墨烯納米片。配制硅烷偶聯(lián)劑溶液:三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑濃度為5g/L，甲醇0.1L0將表面羥基化的鈦鋯合金放入上述硅烷偶聯(lián)劑溶液中在70°C下水解3h，隨后取出并用去離子水沖洗，空氣中風(fēng)干后再將試樣置于10mL，其濃度為2mg/mL的氧化石墨烯納米片水溶液中，在50°C下浸泡24h。即通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑上的官能團(tuán)-NH2與氧化石墨烯納米片上的官能團(tuán)-COOH發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)鈦鋯合金與氧化石墨烯納米片以C-N化學(xué)鍵的形式相結(jié)合。
[0055]步驟4)，首先將步驟3)表面有氧化石墨烯納米片的鈦鋯合金置于15mL，其濃度為2mg/mL的氧化石墨烯納米片水溶液中，后將合成水凝膠的原材料，包括:單體1:丙烯酰胺5g;熱引發(fā)劑:過(guò)硫酸銨0.015g;共價(jià)鍵交聯(lián)劑:甲叉雙丙烯酰胺0.0031g;催化劑:N, N，N，，N，-四甲基二乙酰胺16uL ;離子鍵交聯(lián)劑:無(wú)水氯化鈣0.0661g ;單體2:海藻酸鈉
0.5g ;脫水劑:碳化二亞胺0.05g和N-羥基琥珀酰亞胺0.025g,依次加入到氧化石墨烯納米片水溶液中，在30°C~70°C和高純N2保護(hù)環(huán)境中自由基聚合反應(yīng)lh。即在氧化石墨烯納米片水溶液中通過(guò)自由基聚合反應(yīng)制備出氧化石墨烯納米片/水凝膠，伴隨著水凝膠的合成即完成在鈦鋯合金表面接枝水凝膠過(guò)程。將表面接枝水凝膠的鈦鋯合金在空氣中風(fēng)干，除去水凝膠中的水分，即可得到在鈦鋯合金表面接枝耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜。
[0056]綜上所述，本發(fā)明通過(guò)將水凝膠接枝于鈦基材料表面,從而達(dá)到改善鈦基材料表面耐磨性的目的。本發(fā)明首次利用水凝膠有機(jī)高分子材料對(duì)鈦基材料進(jìn)行表面耐磨性改性，充分發(fā)揮水凝膠摩擦系數(shù)低和耐熱性能好的優(yōu)點(diǎn)，有效地提高了鈦基材料表面的干態(tài)環(huán)境下耐磨性能，擴(kuò)大了鈦基材料的應(yīng)用范圍，具有明確的科學(xué)意義和巨大的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明制備得到的鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜可以有效地改善鈦基材料的表面耐磨性，并且制備工藝簡(jiǎn)單、周期短、成本低、效率高，適合工業(yè)化生產(chǎn)。盡管上面結(jié)合圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本`發(fā)明并不局限于上述的【具體實(shí)施方式】，上述的【具體實(shí)施方式】?jī)H僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出的各種替換、變化和修改等，均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜，其特征在于，由水凝膠接枝于鈦基材料表面構(gòu)成。
2.一種鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜的制備方法，其步驟如下: 步驟一、前期處理:將鈦基材料前期打磨拋光至表面粗糙度Ra不大于I μ m，并清洗、干燥； 步驟二、鈦基材料表面羥基化； 步驟三、經(jīng)過(guò)羥基化的鈦基材料表面接枝氧化石墨烯納米片； 步驟四、將表面接枝有氧化石墨烯納米片的鈦基材料置于氧化石墨烯納米片水溶液中，加入合成水凝膠的原材料，通過(guò)自由基聚合反應(yīng)制備出網(wǎng)格狀的耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜即水凝膠，伴隨著水凝膠的合成即完成在鈦基材料表面接枝水凝膠工藝，隨后取出干燥后即可得到鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)2所述鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜的制備方法，其中，步驟二中，鈦基材料表面羥基化的工藝是堿處理、陽(yáng)極氧化法和Piranha溶液處理工藝中的任一種，從而使 鈦基材料表面具有親水性官能團(tuán)-0H。
4.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜的制備方法，其中，步驟三中，經(jīng)過(guò)羥基化的鈦基材料表面接枝氧化石墨烯納米片的方法是:先在羥基化的鈦基材料表面硅烷化，即將硅烷偶聯(lián)劑上的-NH2接枝于鈦基材料表面，隨后再取出浸泡于氧化石墨烯納米片水溶液中，通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑上的-NH2與氧化石墨烯納米片上的-COOH發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)鈦基材料與氧化石墨烯納米片以C-N共價(jià)鍵結(jié)合。
5.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜的制備方法，其中，步驟四中用到的合成水凝膠的原材料包括:單體1、引發(fā)劑、共價(jià)鍵交聯(lián)劑、催化劑、離子鍵交聯(lián)劑、單體2和脫水劑；其中，所述單體I為丙烯酰胺；所述引發(fā)劑為過(guò)硫酸銨；所述共價(jià)鍵交聯(lián)劑為甲叉雙丙烯酰胺；所述催化劑為N，N，N’，N’，-四甲基二乙酰胺；所述離子鍵交聯(lián)劑為無(wú)水氯化鈣；所述單體2為海藻酸鈉；所述脫水劑為碳化二亞胺和N-羥基琥珀酰亞胺。
6.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述鈦基材料表面耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜的制備方法，其中，步驟四中，通過(guò)自由基聚合反應(yīng)制備出網(wǎng)格狀的耐高溫多分子層邊界潤(rùn)滑膜即水凝膠需要在30°C~70°C和高純N2保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行。
【文檔編號(hào)】C23C28/00GK103526203SQ201310478530
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】魏強(qiáng), 吝德智, 張善勇 申請(qǐng)人:天津大學(xué)