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孙大陟教授团队:二维纳米材料在摩擦润滑及高分子复合材料领域的应用研究与产业化进展

发布日期:2020-07-21

根据几何维度的不同,可将纳米材料分为零维球形纳米颗粒,一维纳米线/棒/管,以及二维纳米片。其中二维纳米材料具有特殊的各向异性属性、优异的力学性能和极大的比表面积等优点,是性能优异的特种添加材料,可以广泛应用于塑料、树脂、油墨、涂层等领域;二维纳米材料通常具有片层状结构,层间结合力相对较弱,具有较低的剪切强度,所以也是优秀的润滑减摩擦材料。利用二维纳米材料制备高性能高分子复合材料,以及作为润滑抗磨添加剂已成为当前科学研究以及工业应用的热点之一。

南方科技大学材料科学与工程系孙大陟教授团队系统研究了新型二维层片状纳米材料(氟化石墨,氟化石墨稀,α-磷酸锆等)在高分子纳米复合材料及润滑抗磨领域中的应用;团队在二维纳米材料及其高分子复合材料的制备、表征、改性、加工、分散、表面与界面特性、力学性能、润滑机理及调控等方面做了大量工作,并取得了系列研究成果,已在Chemical Engineering Journal, Industrial & Engineering Chemistry Research, International Journal of Electrochemical Science, Polymer, Advanced Composites and Hybrid Materials, Friction, Polymer International, Materials Today Communications等期刊发表多篇研究论文,并已申请10多项发明专利,相关研究成果正在进行技术孵化、产业化及产品的市场推广。 

磷酸锆纳米片在油相中的分散和润滑机理研究

磷酸锆纳米片作为一种六边形二维纳米材料,在润滑抗磨方面有着广泛的应用前景;而在实际应用中,未改性的磷酸锆纳米片在润滑油中不能稳定分散,长时间后会形成沉淀,影响油的品质,从而降低油的润滑性。孙大陟教授团队从磷酸锆纳米片的结构出发,利用磷酸锆纳米片表面的磷酸羟基基团,结合润滑油主要由长链烃分子组成的特点,提出利用胺类来修饰磷酸锆纳米片的表面,进而提升磷酸锆纳米片在润滑油中的分散性。摩擦性能测试表明,润滑油摩擦系数和磨损体积都因磷酸锆纳米片分散性能的提升而大大降低。该研究成果提供了一种将二维纳米材料分散在润滑油中的方法,并将二维纳米材料分散性能和润滑油摩擦性能有机结合起来,为未来润滑添加剂的选择及改性提供了一个新的指导方向。成果研究论文“Dispersion-tribological property relationship in mineral oils containing 2D layered α-zirconium phosphate nanoplatelets”已发表在由清华大学主办的JCR摩擦学领域一区期刊Friction(2020, 8, 695–707,最新影响因子5.29)上,并被选为期刊封底论文,论文链接:https://doi.org/10.1007/s40544-019-0294-2

磷酸锆纳米片增强树脂基体研究

磷酸锆纳米片因表面具有丰富的磷酸羟基基团,其与很多树脂具有良好的相容性,因此磷酸锆纳米片作为高分子材料的力学增强与耐磨填料具有非常大的潜力。孙大陟教授团队在前期利用磷酸锆纳米片改性聚烯烃树脂(Polymer, 2019, 172, 142-151)的研究基础上,以工程塑料尼龙66作为基体材料,通过熔融共混与注塑成型加工方法,制备了不同含量的微米(~1.33 μm)与纳米(~230nm)磷酸锆增强尼龙66纳米复合材料。摩擦测试结果显示,仅添加1 wt%的微米磷酸锆纳米片,就可使尼龙66的摩擦系数降低43%、磨损率降低59%。该成果研究论文“Enhanced mechanical and tribological performance of PA66 nanocomposites containing 2D layered α-zirconium phosphate nanoplatelets with different sizes”发表在期刊Advanced Composites and Hybrid Materials(2019, 2, 407–422)上,并被选为期刊封面论文,论文链接:https://doi.org/10.1007/s42114-019-00100-z

氟化石墨烯的制备、润滑性能及其高分子复合材料研究

氟化石墨烯被称为二维特氟龙,是最年轻的石墨烯衍生物,具有优异疏水,耐腐蚀,润滑及力学等性能。类似于从石墨片中剥离制备石墨烯,氟化石墨烯可以从氟化石墨中分离获得。孙大陟教授团队在前期已探讨氟化石墨对高分子材料的增强增韧机理(Polymer, 2018, 150, 44–51),氟化石墨高分子复合涂层的防腐蚀机理(International Journal of Electrochemical Science, 2020, 15, 4811-4826. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2018, 57, 16709-16717),以及氟化石墨增强尼龙的结晶与力学性能(Materials Today Communications, 2018, 16, 217-225)的基础上,首先采用自主开发的液相辅助微波剥离技术(Chemical Engineering Journal, 2019, 360, 673-679),从原始氟化石墨剥离得到高氟化度的氟化石墨烯,随后通过熔融共混与注塑成型的加工方法制备氟化石墨与氟化石墨烯增强尼龙66复合材料。研究结果表明,在尼龙66中仅添加0.5 wt%氟化石墨烯就能使其拉伸模量提高13%、拉伸强度提高5%,同时摩擦系数降低18%、磨损率降低43%;研究发现,在相对较高的浓度下,氟化石墨在PA66基体中能分散地更为均匀,表现出更优的增强效果。这种高性能氟化石墨与氟化石墨烯增强尼龙66复合材料在交通运输、建筑及人工智能等领域具有广阔的应用前景。该成果研究论文“Graphite fluoride and fluorographeneas a new class of solid lubricant additives for high‐performance polyamide 66 composites with excellent mechanical and tribological properties”以封面文章发表在Polymer International(2020, 69, 457–466)上,论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pi.5975

二维纳米材料的产业化应用

基于对二维纳米材料润滑与分散技术多年的研发积累,孙大陟教授团队已申请10多项相关发明专利,其中授权中国专利6项,授权美国专利1项。

基于上述研发成果,二维纳米材料在润滑和复合材料领域已实现成果转化并进入产业化阶段,目前已孵化了深圳南科新材科技有限公司、包头协同纳米新材科技有限公司及深圳南科二维复材科技有限公司,进行新材料产业化及产品开发与推广,主要产品有EngineLubA安路佰发动机高效抗磨剂和发动机减磨环,轻量化高强度高分子复合材料,耐摩擦耐刮擦涂层,高导热及高效热管理材料等。

 

EngineLubA安路佰发动机高效抗磨剂和发动机减磨环

此外,二维纳米材料润滑与分散技术成果还多次获得各种创新创业比赛的奖励,其中主要包括:2018年,先进纳米润滑项目入选2018年“全国大众创业万众创新活动周”主会场(成都)主题展示,该项目由省级推荐,经过中国科协3轮专家评审,从全国2000多各部委推荐项目中脱颖而出,与腾讯、阿里巴巴、柔宇、宁德时代等行业领军公司一并入选“创世技”颠覆性创新榜–“2018中国颠覆性创新奖”Top 50,并被录入《2018年中国颠覆性创新蓝皮书》。

2019年底,先进纳米润滑抗磨材料研发和产业化成果获得了中国产学研界的最高奖项 - 2019年中国产学研合作创新成果优秀奖(国家级)。同时,课题组与深圳市优宝新材料科技有限公司进行产学研校企合作,共同获得深圳市工业和信息化局产业化专项项目总额1300万元经费,进行石墨烯基复合润滑脂抗磨剂的研发和中试生产。