CN109233950B - 润滑剂以及摩擦系数的调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种润滑剂，包括光诱导结构变化的功能分子以及溶解所述光诱导结构变化的功能分子的溶剂，所述光诱导结构变化的功能分子具有润滑作用，所述光诱导结构变化的功能分子在第一波长范围的紫外光照射下能够转变为第一结构，在第二波长范围的可见光照射下能够转变为第二结构，所述光诱导结构变化的功能分子在所述第一结构下，所述润滑剂具有第一摩擦系数，在所述第二结构下，所述润滑剂具有第二摩擦系数，所述第一摩擦系数与所述第二摩擦系数不相等。本发明还公开了一种摩擦系数的调控方法。

Description

润滑剂以及摩擦系数的调控方法
技术领域
本发明涉及摩擦技术领域，特别是涉及一种润滑剂以及摩擦系数的调控方法。
背景技术
控制摩擦是人们一直追求的梦想，传统的调控摩擦系数的方法是控制润滑状态，但是无法在两个不同摩擦系数状态之间调控。
近些年来，人们采用外加电场、湿度变化、pH值变化等方法来主动控制摩擦以满足复杂工况下的阻尼和磨损方面的要求。比如日本学者本村好夫外加直流电场能使向列相液晶的摩擦系数降低25％；清华大学孟永刚教授发现外加电压可以改变硬脂酸锌水溶液的摩擦因数；Vanhulsel学者发现50％氢含量的类金刚石薄膜摩擦系数在潮湿空气、干燥氮气、真空中分别在0.22-0.27、0.02-0.03、0.007-0.013范围内波动。然而这些外加条件容易导致润滑剂性质改变，从而使摩擦系数控制不稳定。
发明内容
基于此，有必要提供一种更为稳定的调控摩擦系数的润滑剂以及摩擦系数的调控方法。
一种润滑剂，包括光诱导结构变化的功能分子以及溶解所述光诱导结构变化的功能分子的溶剂，所述光诱导结构变化的功能分子具有润滑作用，所述光诱导结构变化的功能分子在第一波长范围的紫外光照射下能够转变为第一结构，在第二波长范围的可见光照射下能够转变为第二结构；
所述润滑剂能够在同一摩擦副之间提供两个不同的摩擦系数，所述光诱导结构变化的功能分子处于所述第一结构的所述润滑剂使所述摩擦副之间具有第一摩擦系数，所述光诱导结构变化的功能分子处于所述第二结构的所述润滑剂使所述摩擦副之间具有第二摩擦系数。
在其中一个实施例中，所述光诱导结构变化的功能分子在所述第一波长范围的紫外光和在所述第二波长范围的可见光的交替照射下能够在所述第一结构与所述第二结构之间发生可逆转变。
在其中一个实施例中，所述光诱导结构变化的功能分子包括含偶氮苯基团的分子、螺吡喃类分子以及二芳烯类分子中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述第一波长范围为240nm～365nm。
在其中一个实施例中，所述第二波长范围为400nm～800nm。
在其中一个实施例中，所述第二摩擦系数小于所述第一摩擦系数。
在其中一个实施例中，所述光诱导结构变化的功能分子在所述润滑剂中的浓度为5.0×10-4mol/L～5.0×10-3mol/L。
在其中一个实施例中，所述溶剂包括直链烷烃和环烷烃中的一种或多种。
一种摩擦系数的调控方法，包括以下步骤：
提供所述的润滑剂；
将所述润滑剂施加在摩擦副的接触区；以及
将所述第一波长范围的紫外光照射所述接触区的润滑剂，使所述光诱导结构变化的功能分子转变为所述第一结构，或者将所述第二波长范围的可见光照射所述接触区的润滑剂，使所述光诱导结构变化的功能分子转变为所述第二结构。
在其中一个实施例中，所述紫外光或所述可见光的照射时间至少为2分钟～10分钟。
在其中一个实施例中，将所述第一波长范围的紫外光照射所述接触区的润滑剂，或者将所述第二波长范围的可见光照射所述摩擦副接触区的润滑剂之后，还包括将所述接触区的所述润滑剂遮光处理至所述润滑剂的温度为20℃～30℃。
在其中一个实施例中，交替的将所述第一波长范围的紫外光和所述第二波长范围的可见光照射所述接触区的润滑剂，使所述光诱导结构变化的功能分子在所述第一结构和所述第二结构之间可逆的转变。
本发明的润滑剂中包括光诱导结构变化的功能分子，所述光诱导结构变化的功能分子具有润滑作用，同时，所述光诱导结构变化的功能分子在特定波长的紫外光和可见光照射下转变为不同的结构，所述光诱导结构变化的功能分子的结构变化使得施加有所述润滑剂的摩擦副的摩擦系数改变，从而实现所述摩擦系数随着紫外光或可见光的照射而发生变化。相比于其他的触发方式，光触发要温和的多，能够避免引起润滑剂组分或热力学条件的改变，从而实现摩擦系数的更为稳定的控制。
在一实施例中，所述光诱导结构变化的功能分子的结构可以发生可逆变化，从而实现施加有所述润滑剂的摩擦副的摩擦系数随着紫外光和可见光的交替照射而发生可逆变化。
另外，光能够在空间中准确定位，且光照方式成本较低，使得所述润滑剂在智能材料和微流体控制领域存在潜在的应用前景。
附图说明
图1为本发明一实施例的摩擦系数的可逆调控的结构示意图；
图2为本发明一实施例的光诱导结构变化的二芳烯类分子在紫外和可见光下的分子结构变化示意图；
图3为本发明另一实施例的光诱导结构变化的二芳烯类分子在紫外和可见光下的分子结构变化示意图；
图4为本发明另一实施例的光诱导结构变化的二芳烯类分子在紫外和可见光下的分子结构变化示意图；
图5为本发明一实施例的光诱导结构变化的含偶氮苯基团的分子在紫外和可见光下的分子结构变化示意图；
图6为本发明另一实施例的光诱导结构变化的含偶氮苯基团的分子在紫外和可见光下的分子结构变化示意图；
图7为本发明一实施例的光诱导结构变化的螺吡喃类分子在紫外和可见光下的分子结构变化示意图；
图8为本发明另一实施例的光诱导结构变化的螺吡喃类分子在紫外和可见光下的分子结构变化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的润滑剂以及摩擦系数的调控方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种润滑剂，包括光诱导结构变化的功能分子以及溶解所述光诱导结构变化的功能分子的溶剂，所述光诱导结构变化的功能分子具有润滑作用，所述光诱导结构变化的功能分子在第一波长范围的紫外光照射下能够转变为第一结构，在第二波长范围的可见光照射下能够转变为第二结构。
所述润滑剂能够在同一摩擦副之间提供两个不同的摩擦系数，所述光诱导结构变化的功能分子处于所述第一结构的所述润滑剂使所述摩擦副之间具有第一摩擦系数，所述光诱导结构变化的功能分子处于所述第二结构的所述润滑剂使所述摩擦副之间具有第二摩擦系数。
本发明的润滑剂中包括光诱导结构变化的功能分子，所述光诱导结构变化的功能分子具有润滑作用，同时，所述光诱导结构变化的功能分子在特定波长的紫外光和可见光照射下转变为不同的结构，所述光诱导结构变化的功能分子的结构变化使得施加有所述润滑剂的摩擦副的摩擦系数改变，从而实现所述摩擦系数随着紫外光或可见光的照射而发生变化。相比于其他的触发方式，光触发要温和的多，能够避免引起润滑剂组分或热力学条件的改变，从而实现摩擦系数的更为稳定的控制。
在一实施例中，所述光诱导结构变化的功能分子在所述第一波长范围的紫外光和在所述第二波长范围的可见光的交替照射下能够在所述第一结构与所述第二结构之间发生可逆转变，从而实现施加有所述润滑剂的摩擦副的摩擦系数随着紫外光和可见光的交替照射而发生可逆变化。
另外，光能够在空间中准确定位，且光照方式成本较低，使得所述润滑剂在智能材料和微流体控制领域存在潜在的应用前景。
在本发明实施例中，所述光诱导结构变化的功能分子至少具有两个性质：润滑作用以及光致结构异化的性质。所述光诱导结构变化的功能分子可以包括功能基团，所述功能基团对光响应，能够在所述第一波长范围的紫外光照射下发生反应使所述光诱导结构变化的功能分子转变为第一结构，在所述第二波长范围的可见光照射下发生反应使所述光诱导结构变化的功能分子转变为第二结构，所述光诱导结构变化的功能分子的所述第一结构和所述第二结构互为同分异构体。在一实施例中，所述光诱导结构变化的功能分子可以选自含偶氮苯基团的分子、螺吡喃类分子以及二芳烯类分子中的一种或多种。具体的，请参阅图2-4，所述二芳烯类分子可以包括图示的化合物1、化合物2、化合物3及化合物4中的一种或多种。请参阅图5-6，所述含偶氮苯基团的分子可以包括图示的化合物5及化合物6中的一种或多种。请参阅图7-8，所述的螺吡喃类分子可以包括化合物7及化合物8中的一种或多种。
请参阅图2-4，在其中一个实施例中，所述功能基团在所述第一结构中为闭合环状结构，在所述第二结构中所述闭合环状结构转变为开环结构。在一实施例中，所述闭合环状结构可以包括碳碳单键，在所述第二波长范围的可见光照射下，所述闭合环状结构的碳碳单键断裂，形成含烯基的开环结构。所述开环结构在所述第一波长范围的紫外光照射下，所述烯基重新连接，形成所述闭合环状结构。
请参阅图5-6，在其中一个实施例中，所述功能基团在所述第一结构中为顺式结构，在所述第二结构中所述顺式结构转变为反式结构。在一实施例中，所述功能基团包括氮氮双键，通过所述氮氮双键的旋转实现所述顺式结构和所述反式结构的转变。
请参阅图7-8，在其中一个实施例中，所述功能基团包括吡喃环，所述吡喃环在所述第一结构中为开环结构，在所述第二结构中所述开环结构转变为闭合环状结构。在所述第一波长范围的紫外光照射下，所述吡喃环断裂，形成所述开环结构。在所述第二波长范围的可见光照射下，所述开环结构闭合，重新形成所述开环结构。
在其中一个实施例中，同一摩擦副之间在施加所述润滑剂时，所述第二摩擦系数小于所述第一摩擦系数。具体的，所述开环结构的所述光诱导结构变化的功能分子相对于闭环结构得到的所述润滑剂，使得所述摩擦副之间的摩擦系数降低。
在其中一个实施例中，所述第一波长范围为240nm～365nm。所述光诱导结构变化的功能分子对该波长范围的紫外光敏感，能够转变为第一结构。
在其中一个实施例中，所述第二波长范围为400nm～800nm。所述光诱导结构变化的功能分子对该波长范围的可见光敏感，能够转变为第二结构。
在一实施例中，所述可见光的施加功率可以为4W～50W；所述紫外光的施加功率可以为4W～50W。所述可见光或紫外光的功率避免过小使得所述光诱导结构变化的功能分子的光敏感性太弱，同时所述可见光或紫外光的功率避免过大而造成所述润滑剂的润滑性质改变。
所述溶剂能够溶解所述光诱导结构变化的功能分子，优选的，所述溶剂同时具有润滑作用。在其中一个实施例中，所述溶剂可以包括直链烷烃和环烷烃中的一种或多种。所述直链烷烃或所述环烷烃可以为饱和烷烃或不饱和烷烃。优选的，所述溶剂为饱和直链烷烃，所述饱和直链烷烃兼具优良的润滑性和对所述光诱导结构变化的功能分子的溶解性。所述饱和直链烷烃可以选自碳原子数为6至16的正己烷到正十六烷中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述光诱导结构变化的功能分子在所述润滑剂中的浓度为5.0×10-4mol/L～5.0×10-3mol/L。优选为1.0×10-3mol/L，在所述浓度范围内，所述光诱导结构变化的功能分子的结构对光的响应性更敏感，使得施加有所述润滑剂所述摩擦副之间的摩擦系数的可调控能力更强。
本发明实施例还提供一种摩擦系数的调控方法，包括以下步骤：
提供所述润滑剂；
将所述润滑剂施加在摩擦副的接触区；以及
将所述第一波长范围的紫外光照射所述接触区的润滑剂，使所述光诱导结构变化的功能分子转变为所述第一结构，或者将所述第二波长范围的可见光照射所述接触区的润滑剂，使所述光诱导结构变化的功能分子转变为所述第二结构。
本发明实施例通过光的变化实现摩擦系数的调控。所述润滑剂中的所述光诱导结构变化的功能分子对光的变化敏感，光照在第一波长范围的紫外光和第二波长范围的可见光变化时，所述光诱导结构变化的功能分子分别为第一结构和第二结构，所述光诱导结构变化的功能分子在两种结构状态下使得所述润滑剂表现为两种不同的摩擦系数，实现润滑剂的摩擦系数随紫外光和可见光的而变化而改变。相比于电场及其它触发方式，紫外光和可见光的光传播速度快，光波作为一种快捷及时的调控信号，光照方式成本较低，经济效益高。其次，相比于电和超声信号，光能够在空间中准确地定位，在微纳科学和医药学的应用中非常重要。相比于pH值、盐度或压力等变化的触发方式，光触发要温和的多，适用于绝大多数工况。
在其中一个实施例中，所述紫外光或所述可见光的照射时间至少为2分钟～10分钟。所述光诱导结构变化的功能分子的结构随光照刺激的变化可以在短时间内发生，在该光照时间范围内可以保证所述光诱导结构变化的功能分子能够充分发生结构的转变。另外，所述紫外光或所述可见光的照射时间不宜过长，避免所述润滑剂的润滑性质发生变化，例如所述照射时间至多为30分钟。
在其中一个实施例中，用所述第一波长范围的紫外光照射所述接触区的润滑剂，或者用所述第二波长范围的可见光照射所述摩擦副接触区的润滑剂之后，还包括将所述接触区的所述润滑剂遮光处理至所述润滑剂的温度为20℃～30℃。遮光处理一段时间可以避免所述光诱导结构变化的功能分子由于发生结构改变反应而产热过多，影响所述光诱导结构变化的功能分子和润滑剂的性能。
在所述摩擦系数调控的实施过程中，优选的，用所述第一波长范围的紫外光照射所述接触区的润滑剂使所述摩擦副之间的摩擦系数转变为第一摩擦系数，遮光处理至所述润滑剂的温度为20℃～30℃，然后在遮蔽所述第二波长范围的可见光照射条件下使用所述润滑剂，避免所述摩擦副之间的摩擦系数由所述第一摩擦系数改变为第二摩擦系数。或者用所述第二波长范围的可见光照射所述接触区的润滑剂使所述摩擦副之间的摩擦系数转变为第二摩擦系数，遮光处理至所述润滑剂的温度为20℃～30℃，然后在遮蔽所述第一波长范围的紫外光照射条件下使用所述润滑剂，避免所述摩擦副之间的摩擦系数由所述第二摩擦系数改变为第一摩擦系数。
在一实施例中，交替的将所述第一波长范围的紫外光和所述第二波长范围的可见光照射所述接触区的润滑剂，使所述光诱导结构变化的功能分子在所述第一结构和所述第二结构之间可逆的转变，实现所述摩擦副之间的摩擦系数在所述第一摩擦系数和所述第二摩擦系数之间可逆的调控。
实施例1
制备润滑剂：将光诱导结构变化的功能分子和直链烷烃混合得到润滑剂。光诱导结构变化的功能分子为非对称全氟环戊烯桥头的二芳烯类分子，所述二芳烯类分子为化合物1，分子式为C16H12F6OS2，结构式请参阅图2。直链烷烃为正十六烷。润滑剂中所述二芳烯类分子的浓度为1.0×10-3mol/L。
摩擦系数的测定：请参阅图1，以所述润滑剂作为润滑介质，采用球/面接触旋转的方式测量润滑条件下的摩擦系数，球摩擦副(球面)采用直径为4mm的钢球，面摩擦副(玻璃盘)采用载玻片。载荷为1N，温度为室温25℃，旋转偏心量为5mm，旋转速率为10r/min。
摩擦系数的光调控：去紫外线的钠黄灯照射的润滑剂10min，黑暗静置至温度恢复25℃，将润滑剂滴加至摩擦副接触区，测得摩擦系数为0.144；用紫外灯照射接触区的润滑剂10min，遮光处理至恢复25℃，测得摩擦系数为0.162，摩擦系数增大12.5％。请参阅图2，可以看出，非对称全氟环戊烯桥头的二芳烯类分子在紫外光照射下转变为闭合环状结构，在去紫外线的钠黄灯的可见光照射下转变为开环结构。
交替进行可见光和紫外光的照射，实现摩擦系数跟随光照交替从0.144±0.004到0.162±0.07可逆的变化。
实施例2
制备润滑剂：将光诱导结构变化的功能分子和直链烷烃混合得到润滑剂。光诱导结构变化的功能分子为对称全氟环戊烯桥头的二芳烯类分子，所述二芳烯类分子为化合物2，分子式为C29H22F6O2S2，结构式请参阅图3。直链烷烃为正十六烷。所述润滑剂中的所述二芳烯类分子的浓度为1.0×10-3mol/L。
摩擦系数的测定：以所述润滑剂作为润滑介质，采用球/面接触旋转的方式测量润滑条件下的摩擦系数，球摩擦副采用直径为4mm的钢球，面摩擦副采用载玻片。载荷为1N，温度为室温25℃，旋转偏心量为5mm，旋转速率为10r/min。
摩擦系数的光调控：用去紫外线的钠黄灯照射润滑剂10min，黑暗静置至温度恢复25℃，将润滑剂滴加至摩擦副接触区，测得摩擦系数为0.147；用紫外灯照射接触区润滑剂10min，遮光处理至恢复25℃，摩擦系数为0.174，测得摩擦系数增大18.4％。请参阅图3，可以看出，对称全氟环戊烯桥头的二芳烯类分子在紫外光照射下转变为闭合环状结构，在去紫外线的钠黄灯的可见光照射下转变为开环结构。
交替进行可见光和紫外光的照射，实现摩擦系数随光照交替从0.147±0.004到0.174±0.004可逆的变化。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种润滑剂，其特征在于，包括光诱导结构变化的功能分子以及溶解所述光诱导结构变化的功能分子的溶剂，所述光诱导结构变化的功能分子具有润滑作用，所述光诱导结构变化的功能分子在第一波长范围的紫外光照射下能够转变为第一结构，在第二波长范围的可见光照射下能够转变为第二结构；
所述润滑剂能够在同一摩擦副之间提供两个不同的摩擦系数，所述光诱导结构变化的功能分子处于所述第一结构的所述润滑剂使所述摩擦副之间具有第一摩擦系数，所述光诱导结构变化的功能分子处于所述第二结构的所述润滑剂使所述摩擦副之间具有第二摩擦系数；
所述光诱导结构变化的功能分子包括含偶氮苯基团的分子、螺吡喃类分子以及二芳烯类分子中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述光诱导结构变化的功能分子在所述第一波长范围的紫外光和在所述第二波长范围的可见光的交替照射下能够在所述第一结构与所述第二结构之间发生可逆转变。
3.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述第一波长范围为240nm～365nm。
4.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述第二波长范围为400nm～800nm。
5.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述第二摩擦系数小于所述第一摩擦系数。
6.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述光诱导结构变化的功能分子在所述润滑剂中的浓度为5.0×10-4mol/L～5.0×10-3mol/L。
7.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述溶剂包括直链烷烃和环烷烃中的一种或多种。
8.一种摩擦系数的调控方法，包括以下步骤：
提供根据权利要求1-7任一项所述的润滑剂；
将所述润滑剂施加在摩擦副的接触区；以及
将所述第一波长范围的紫外光照射所述接触区的润滑剂，使所述光诱导结构变化的功能分子转变为所述第一结构，或者将所述第二波长范围的可见光照射所述接触区的润滑剂，使所述光诱导结构变化的功能分子转变为所述第二结构。
9.根据权利要求8所述的摩擦系数的调控方法，其特征在于，所述紫外光或所述可见光的照射时间至少为2分钟～10分钟。
10.根据权利要求8所述的摩擦系数的调控方法，其特征在于，将所述第一波长范围的紫外光照射所述接触区的润滑剂，或者将所述第二波长范围的可见光照射所述摩擦副接触区的润滑剂之后，还包括将所述接触区的所述润滑剂遮光处理至所述润滑剂的温度为20℃～30℃。
11.根据权利要求8所述的摩擦系数的调控方法，其特征在于，交替的将所述第一波长范围的紫外光和所述第二波长范围的可见光照射所述接触区的润滑剂，使所述光诱导结构变化的功能分子在所述第一结构和所述第二结构之间可逆的转变。
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