机械系统中普遍存在的摩擦和磨损必然会导致巨大的能量损失，甚至机械故障。解决这个问题的最好方法是润滑机械系统的各个摩擦部件。配方润滑油可有效减少摩擦磨损，从而显著提高机械的能源利用效率和使用寿命。润滑添加剂则是决定配方润滑油性能的关键。二维(2D)纳米材料如石墨烯、六方氮化硼(h-BN)和石墨氮化碳(g-C₃N₄)具有层状晶体结构。在同一层内，原子通过共价键结合在一起，提供了高的机械强度，而层间受到弱的π?π 堆积相互作用约束。在剪应力作用下，相邻层间极易产生相互滑动。与传统的有机小分子添加剂相比，它们具有更为出色的化学和机械稳定性，在润滑过程中有害气体的排放和毒性显著降低。因此，这些二维纳米材料一直被认为是一类环保型、绿色的润滑添加剂。

  然而，h-BN、氧化石墨烯（GO）和g-C₃N₄等二维纳米材料与基础油不相容，严重限制了其作为润滑添加剂的实际应用。通过表面烷基链修饰，可使它们均匀地分散在基础油中。然而，随着时间的推移，由于二维纳米材料的平面尺寸较大，它们之间的范德华引力比二维纳米材料与基础油之间的范德华引力更强，这些分散体系更倾向于凝聚和沉淀。这些表面改性和功能化处理不能解决二维纳米颗粒在润滑基础油中的长期胶体稳定性问题。因此，制备二维纳米材料的均匀油分散体系并进一步表现出长期胶体稳定性仍然是一个巨大的挑战。

  针对上述问题，他们合理设计了两亲性遥爪型聚合物并在基础油中构建了超分子凝胶，利用它们来稳定二维纳米材料。如图1a所示，合成了聚(2-甲基丙烯酸羟乙酯)-嵌段-聚(甲基丙烯酸硬脂酯)-嵌段-聚(2-甲基丙烯酸羟乙酯)的两亲性遥爪型聚合物(H_mS_2nH_m, 2n = 30, 50, 70; m = 6)。选择它们是因为: (1)不溶于油的H_m嵌段之间会发生氢键相互作用，这与亲油的S_2n嵌段一起，有助于在润滑基础油中形成超分子凝胶(图1b和c)。(2) H_m嵌段可以与GO和g-C₃N₄形成多个氢键(图1b和d)。(3) h-BN的部分离子性使其具有极化表面，因此，H_m嵌段可以与h-BN表面形成偶极-偶极吸引(图1b和d)。将二维纳米添加剂分散在基础油中，得到的复合油凝胶h-BN@H_mS_2nH_m、GO@ H_mS_2nH_m和g-C₃N₄@ H_mS_2nH_m (2n = 30, 50, 70; m = 6)不仅表现出至少一年以上的抗团聚和抗沉淀的长期分散稳定性，而且在减摩和耐磨方面表现出优异的润滑性能。 

图1. (a) H_mS_2nH_m的合成路线; (b) 代表性超分子油凝胶: H₆S₅₀H₆, h-BN@ H₆S₅₀H₆, GO@ H₆S₅₀H₆和g-C₃N₄@ H₆S₅₀H₆; (c) 由H₆S₅₀H₆形成的超分子油凝胶的结构示意图; (d) 复合油凝胶h-BN@ H₆S₅₀H₆, GO@ H₆S₅₀H₆和g-C₃N₄@ H₆S₅₀H₆的结构示意图。

  流变学研究表明（图2）：在所测试的频率范围内（0.01-100 rad/s）内，油凝胶的储能模量G′始终大于损耗模量G″，这与油凝胶的长期稳定性相一致。此类油凝胶还具有良好的自恢复性能。 

图2. 油凝胶H₆S₅₀H₆和h-BN@H₆S₅₀H₆的流变学表征：(a) 应变1%时的频率扫描；(b) 频率1Hz时的应变扫描； (c) 应变1%，频率1Hz时的温度扫描；(d) 频率1Hz时的动态应变阶跃测试(1%或200%)。 

图3. (a) H₆S₃₀H₆和h-BN@H₆S₃₀H₆, (b) H₆S₅₀H₆和h-BN@H₆S₅₀H₆, (c) H₆S₇₀H₆和h-BN@H₆S₇₀H₆的摩擦曲线；(d) H₆S₃₀H₆和h-BN@H₆S₃₀H₆, (e) H₆S₅₀H₆和h-BN@H₆S₅₀H₆, (f) H₆S₇₀H₆和h-BN@H₆S₇₀H₆润滑的钢盘表面的磨损体积。

  在载荷为200 N，振荡频率为25 Hz，振幅为1 mm的摩擦试验条件下，H_mS_2nH_m凝胶（5.6 wt%）的摩擦系数及其润滑的钢表面磨损体积远小于基础油PAO-10,复合油凝胶h-BN@H_mS_2nH_m的磨损体积相较于H_mS_2nH_m凝胶有进一步降低（相比于纯PA0-10，降低了98.4%，图3）。此外，复合油凝胶h-BN@H_mS_2nH_m比油凝胶H_mS_2nH_m并且表现出更优异的承载能力（图4）。总之，复合油凝胶h-BN@H_mS_2nH_m比相应的H_mS_2nH_m前体具有更好的润滑性能。同样地，复合油凝胶GO@H_mS_2nH_m和g-C₃N₄@H_mS_2nH_m也表现出大于一年的分散稳定性，且比相应的前体H_mS_2nH_m表现出更好的润滑性能。 

图4. (a) PAO-10，H₆S₃₀H₆，h-BN@H₆S₃₀H₆；(b) PAO-10，H₆S₅₀H₆，h-BN@H₆S₅₀H₆；(c) PAO-10，H₆S₇₀H₆，h-BN@H₆S₇₀H₆的逐步变载摩擦曲线。

  聚焦离子束-透射电镜（FIB-TEM）和X-射线光电子能谱（XPS）研究表明：这些出色的润滑性能是由于在磨损钢表面上形成的含有铁氧化物和h-BN纳米片的，厚度为60-90nm的摩擦保护膜（图5）。

  这一通过聚合物与二维纳米材料间的氢键及偶极-偶极相互作用构建复合油凝胶的策略，解决了二维纳米添加剂在基础油中长期分散稳定性问题，为开发高性能凝胶润滑剂提供了一条新的途径。 

图5. (a-d) 油凝胶h-BN@H₆S₅₀H₆润滑的钢表面磨斑横截面的代表性TEM图，元素映射图：(e) Pt, (f) Fe, (g) O, (h) C和 (i) N。

  文章链接：https://doi.org/10.1016/j.triboint.2023.108468