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凝胶网络水基润滑的时间效应研究

水凝胶是生物界面中的一类重要水基润滑材料，其在溶液中具有可调节的摩擦行为，关节、口腔等生物界面主要通过水基润滑材料来降低界面摩擦与磨损。影响水凝胶摩擦与润滑行为的因素较复杂，目前关于凝胶润滑的研究集中在滑移速度、载荷、溶液pH、凝胶网格等摩擦参数，从时间因素角度结合高分子网格研究凝胶润滑行为的工作相对较少。基于前期研究工作，分别设计了三种不同类型的交联水凝胶网格，通过流变仪技术对其摩擦特性进行了系统的研究，重点探究了时间因素对水凝胶润滑行为的影响。研究发现水凝胶在初始阶段摩擦系数的迅速下降符合摩擦松弛理论：当摩擦实验开始运行时，水凝胶网格处于剪切状态，吸附在基片上的聚合物链发生形变并从表面脱离，摩擦系数急剧下降。当到运行时间到达某一临界值时，多数聚合物链从基片表面脱离，摩擦系数不再继续下降。随着剪切时间的继续增加，界面摩擦系数保持不变或者缓慢上升，这一阶段主要取决于水凝胶网格自身交联程度以及所带电荷,其摩擦特性可通过溶液pH值实现调控。本研究为解释水凝胶摩擦与润滑行为提供了基础，对进一步了解并调控水凝胶的摩擦润滑行为有一定启示。