本发明属于润滑材料制备，特别涉及一种具有复合表面结构的水凝胶润滑材料及其制备方法和应用。
背景技术：
1、水凝胶是一种同时兼备“软”、“湿”两种属性的三维含水聚合物网络，在生物医学、组织工程等领域得到广泛的应用。水凝胶用于制作一些承载润滑材料时，对其力学强度和润滑性能提出更高的要求。现有技术中，为增强水凝胶的力学强度与机械性能，可以通过增加水凝胶聚合物分子链之间的交联密度来实现，如构筑复合网络结构等。然而，致密的网络结构会使水凝胶的网格孔隙减小，限制了水分子向水凝胶内部的渗透能力，导致水凝胶的含水量降低，其润滑性能也随之下降。
2、科研人员采用激光刻蚀、光刻等微纳米级加工技术，在摩擦表面加工出具有一定形状、尺寸和排列规则的的几何形貌(如凹坑、凸起和沟槽)，这种技术称之为表面织构(surface texture)。公开号为cn116120618a的中国专利公开了一种激光选择性制备形性调控的水凝胶膝关节植入假体，该专利公开了利用激光在水凝胶表面刻蚀形成微沟壑、微凸起和微坑不同的微结构，降低了水凝胶表面的摩擦系数。通过不同微结构调节表面粘附摩擦性能和摩擦系数，即：将摩擦系数低的微结构刻蚀在软骨摩擦最为剧烈的区域，微结构的分布随着摩擦剧烈程度逐渐减弱逐渐变化，使得整个软骨接触曲面保持相同的摩擦性能。该专利中使用激光制造出来的孔洞结构单一，无法有效储存润滑液，在不持续补充润滑液的情况下润滑液易挥发，润滑寿命短。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有复合表面结构的水凝胶润滑材料的及其制备方法和应用。本发明提供的具有复合表面结构的水凝胶润滑材料具有多种孔洞结构，能够有效存储润滑介质，能够在有限润滑介质环境中实现长效减摩润滑。
2、本发明提供了一种具有复合表面结构的水凝胶润滑材料，包括复合层和承载基底；
3、所述复合层由解离凝胶层和织构化孔道组成；所述织构化孔道分布于所述解离凝胶层中；
4、所述解离凝胶层具有疏松的凝胶网络结构；
5、所述织构化孔道包括刻蚀结构；
6、所述承载基底具有致密的凝胶网络特征；
7、所述复合层位于承载基底之上；
8、所述织构化孔道贯穿所述复合层。
9、优选地，所述刻蚀结构的水平投影的形状包括圆形、正方形和三角形中的一种或多种；
10、所述圆形的直径为50～300μm，所述正方形的边长为50～300μm，所述三角形的边长为50～300μm。
11、优选地，所述织构化孔道的水平投影面积为所述复合层的水平投影面积的5～40％。
12、本发明还提供了上述技术方案所述具有复合表面结构的水凝胶润滑材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
13、将丙烯酸、水性丙烯基单体、光引发剂、化学交联剂与水混合，进行紫外辐照，得到单网络水凝胶；
14、将所述单网络水凝胶浸泡于金属离子水溶液中，得到双交联水凝胶；
15、将所述双交联水凝胶浸渍于聚丙烯酸溶液中，进行表面网络解离处理，得到表面解离水凝胶；
16、将所述表面解离水凝胶脱水后，进行表面织构化处理，得到所述具有复合表面结构的水凝胶材料。
17、优选地，所述丙烯酸、水性丙烯基单体、光引发剂、化学交联剂和水的质量比为1:3～6:0.01～0.03:0.01～0.05:10～50；
18、所述水性丙烯基单体包括丙烯酰胺和/或甲基丙烯酸羟乙酯；
19、所述光引发剂包括α-酮戊二酸和/或irgacure2959；
20、所述化学交联剂为n’n-亚甲基双丙烯酰胺。
21、优选地，所述紫外辐照的时间为15～120min。
22、优选地，所述金属离子水溶液中的金属离子包括fe3+或al3+；所述金属离子水溶液的浓度为0.05～0.50mol/l；
23、所述浸泡的时间为12～72h。
24、优选地，所述聚丙烯酸溶液的浓度为5～50wt％；
25、所述表面网络解离处理的时间为2～24h。
26、优选地，所述表面织构化处理的方式包括激光刻蚀；
27、所述激光刻蚀的功率为5～20w。
28、本发明还提供了上述技术方案所述具有复合表面结构的水凝胶润滑材料或所述制备方法制备得到的具有复合表面结构的水凝胶润滑材料在制备高强度、超润滑承载材料中的应用。
29、本发明提供了一种具有复合表面结构的水凝胶润滑材料，包括复合层和承载基底；所述复合层由解离凝胶层和织构化孔道组成；所述织构化孔道分布于所述解离凝胶层中；所述解离凝胶层具有疏松的凝胶网络结构；所述织构化孔道包括刻蚀结构；所述承载基底具有致密的凝胶网络特征；所述复合层位于承载基底之上；所述织构化孔道贯穿所述复合层。
30、本发明提供的具有复合表面结构的水凝胶润滑材料包括两种能够吸收润滑介质的结构，分别为解离凝胶层和织构化孔道，织构化孔道还可以储存润滑介质(水)。本发明所述具有复合表面结构的水凝胶润滑材料在受压发生相对运动时，首先是疏松的解离凝胶层吸收的润滑介质释放到摩擦界面，能够有效地降低界面摩擦；进一步的，随着摩擦时间的延长，储存在织构化孔道中的润滑介质被挤出并逐渐释放到摩擦界面，能够持久地降低摩擦。此外，织构化孔道结构的存在降低了对磨界面之间的接触面积，有效分散接触应力，进一步降低摩擦系数。本发明实现在液体环境和受压剪切的条件下，织构化孔道向对磨界面定向挤出并持续补充润滑介质，使得对磨界面具有极低的摩擦系数。在本发明提供的具有复合表面结构的水凝胶润滑材料表面仅滴加5μl润滑介质，在高法向载荷(40n)作用下可实现长效超润滑，润滑时间>1500s，摩擦系数<0.01。
31、本发明还提供了一种具有复合表面结构的水凝胶润滑材料的制备方法，包括以下步骤：将丙烯酸、水性丙烯基单体、光引发剂、化学交联剂与水混合，进行紫外辐照，得到单网络水凝胶；将所述单网络水凝胶浸泡于金属离子水溶液中，得到双交联水凝胶；将所述双交联水凝胶浸渍于聚丙烯酸溶液中，进行表面网络解离处理，得到表面解离水凝胶；将所述表面解离水凝胶脱水后，进行表面织构化处理，得到所述具有复合表面结构的水凝胶材料。
32、在本发明中，金属离子与化学交联水凝胶中的羧基形成配位键和离子交联，形成了新的交联网络并将聚合物链连接在一起，增加了水凝胶的交联密度，提高其力学性能，获得高强度水凝胶。本发明通过紫外辐照和金属离子配位两种方式使得水凝胶充分聚合交联，得到双交联水凝胶，所述双交联水凝胶具有致密的凝胶网络，即所述承载基底具有的结构特征。然后，本发明使用聚丙烯酸溶液解离所述双交联水凝胶，一方面聚丙烯酸溶液酸性较弱，另一方面所述双交联水凝胶具有致密的凝胶网络特征，且双交联水凝胶的厚度≥1mm，因此，聚丙烯酸溶液只能渗透并解离所述双交联水凝胶的表面层，而不会完全解离透所述双交联水凝胶。聚丙烯酸溶液中的质子(h+)与高强度水凝胶中的金属离子-羧基形成的配位键发生置换反应，破环金属离子与羧酸集团之间的键合，从而解离水凝胶的网络结构。解离后的凝胶表面网络疏松，与双交联水凝胶本体相比可以吸收更多的润滑介质。本发明采用激光刻蚀微纳加工手段在表面构筑织构孔道，能够将润滑介质储存在孔道中。本发明制备得到的具有复合表面结构的水凝胶材料，通过在受压剪切过程中持续释放储存的润滑液，改善对磨界面接触状态，从而实现摩擦系数的降低，以满足对高强度水凝胶材料的润滑需求。本发明提供的制备方法原料来源丰富，制备方法简单，成本低，个性化定制，具有市场化应用前景。
1.一种具有复合表面结构的水凝胶润滑材料，其特征在于，包括复合层和承载基底；
2.根据权利要求1所述的具有复合表面结构的水凝胶润滑材料，其特征在于，所述刻蚀结构的水平投影的形状包括圆形、正方形和三角形中的一种或多种；
3.根据权利要求1所述的具有复合表面结构的水凝胶润滑材料，其特征在于，所述织构化孔道的水平投影面积为所述复合层的水平投影面积的5～40％。
4.权利要求1～3任一项所述具有复合表面结构的水凝胶润滑材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸、水性丙烯基单体、光引发剂、化学交联剂和水的质量比为1:3～6:0.01～0.03:0.01～0.05:10～50；
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述紫外辐照的时间为15～120min。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属离子水溶液中的金属离子包括fe3+或al3+；所述金属离子水溶液的浓度为0.05～0.50mol/l；
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯酸溶液的浓度为5～50wt％；
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述表面织构化处理的方式包括激光刻蚀；
10.权利要求1～3任一项所述具有复合表面结构的水凝胶润滑材料或权利要求4～9任一项所述制备方法制备得到的具有复合表面结构的水凝胶润滑材料在制备高强度、超润滑承载材料中的应用。
