季膦鹽離子液體潤滑脂的制備范文

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《摩擦學(xué)學(xué)報》2016年第三期

摘要:

發(fā)展高性能離子液潤滑脂是離子液體作為新型潤滑材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的熱點和重點.針對這一問題,用三丁基烷基季膦鹽離子液體為基礎(chǔ)油,聚四氟乙烯微粉為稠化劑制備了三種具有較高滴點的潤滑脂.在鋼/鋼摩擦副表面摩擦學(xué)研究結(jié)果表明:與1-辛基-3甲基咪唑磷酸二辛基酯鹽離子液體潤滑脂相比,在室溫和高溫(100℃)下,三丁基烷基季膦鹽離子液體潤滑脂均具有優(yōu)異的減摩抗磨性能.通過磨斑表面的XPS分析和電場條件下考察離子液體潤滑脂摩擦系數(shù)變化,推斷三丁基烷基季膦鹽離子液體潤滑脂的減摩抗磨機(jī)理為離子液體潤滑脂中的聚四氟乙烯與摩擦表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成含F(xiàn)eF2的化學(xué)反應(yīng)膜,以及離子液體陽離子、陰離子以物理吸附的方式在摩擦表面形成穩(wěn)定吸附膜.

關(guān)鍵詞:

季膦鹽;離子液體;潤滑脂;電場

離子液體是一種綠色溶劑,因其具有揮發(fā)性低、不可燃、低熔點、熱穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性等高性能潤滑劑所必需的一些優(yōu)異特性而引起了國內(nèi)外研究人員的重視.對離子液體在室溫[1]、高溫[2]、高真空條件下作為基礎(chǔ)油和潤滑油脂添加劑[3–4]的研究結(jié)果表明離子液體均具有優(yōu)異的減摩抗磨性能.但迄今為止對離子液體作基礎(chǔ)油制備潤滑脂的研究還較少,發(fā)展高性能離子液潤滑脂成為離子液體作為新型潤滑材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的熱點和重點之一.本文作者曾以甲基咪唑類離子液體為基礎(chǔ)油,聚四氟乙烯微粉為稠化劑制備了一系列潤滑脂,并考察了其摩擦學(xué)性能,結(jié)果表明離子液體制備的潤滑脂具有優(yōu)異的減摩抗磨性能[5].離子液體的摩擦學(xué)性能與其分子結(jié)構(gòu),陽離子類型,陰離子以及烴基鏈的類型和長度密切相關(guān).因此,可以根據(jù)離子液體的分子“可設(shè)計性”設(shè)計合適的離子液體以滿足不同工況的潤滑要求.四烷基季膦鹽是一種以磷元素為中心原子的室溫離子液體,具有熱穩(wěn)定性高、阻燃和熔點低等特點[6].劉旭慶等[7]合成了幾種三丁基烷基四氟硼酸季膦鹽離子液體并考察了其在鋼/錫青銅表面的摩擦學(xué)性能,結(jié)果表明作為鋼/錫青銅摩擦副潤滑劑具有優(yōu)異的摩擦磨損性能,摩擦系數(shù)極低(<0.05),抗磨性優(yōu)于常規(guī)二烷基咪唑基離子液體.因此,本文作者選擇用三丁基烷基季膦鹽離子液體作基礎(chǔ)油,聚四氟乙烯微粉為稠化劑制備潤滑脂,并與傳統(tǒng)的1-辛基-3甲基咪唑磷酸二辛基酯鹽離子液體潤滑脂進(jìn)行對比,考察其理化性能和摩擦學(xué)性能,揭示減摩抗磨機(jī)理.

1試驗部分

1.1離子液體的合成和1-辛基-3-甲基磷酸二辛酯鹽離子液體(簡稱“[MOIM]DOP”)的合成參照文獻(xiàn)[6]中的無溶劑一步法,三丁基烷基季膦鹽離子液體的是將三丁基膦與磷酸三烷基酯混合后高溫一步反應(yīng)制得,其合成路線如圖1所示,其中,R=CH3,C2H5,C8H15,分別為三丁基甲基季膦鹽離子液體(簡寫為[TBMPM]DMP),三丁基乙基季膦鹽離子液體(簡寫為[TBEPM]DEP)),三丁基辛基季膦鹽離子液體(簡寫為[TBOPM]DOP).1-辛基-3-甲基磷酸二辛酯鹽離子液體的合成是將1-甲基咪唑和磷酸三辛酯混合高溫反應(yīng)制得,其合成路線如圖2所示。

1.2潤滑脂的制備在反應(yīng)容器中加入一定量的離子液體,然后將一定量的聚四氟乙烯微粉(3M,TF9702)加入容器中,攪拌使離子液體和聚四氟乙烯混合均勻.加入正己烷,在攪拌下混合直至形成潤滑脂結(jié)構(gòu),然后加熱并保持一段時間.將得到的潤滑脂在三輥研磨機(jī)上研磨得到潤滑脂.離子液體占潤滑脂組分的60%,聚四氟乙烯微粉占潤滑脂組分的40%.潤滑脂制備后,測定了其滴點和錐入度,結(jié)果如表1所示.

1.3摩擦學(xué)性能測試采用OptimolSRVⅣ摩擦試驗機(jī)評價季膦鹽離子液體潤滑脂作為鋼/鋼摩擦副潤滑劑的摩擦學(xué)性能,上試件為10mm,硬度為HV710的52100鋼球,下試件為24mm×7.9mm,硬度為HV600~650的鋼盤.試驗前在球盤接觸部位加約0.5g潤滑脂.試驗條件為頻率25Hz,振幅1mm,時間30min.試塊磨損體積損失由表面輪廓儀測得,摩擦系數(shù)由自動記錄儀給出.

2結(jié)果與討論

2.1離子液體潤滑脂的摩擦學(xué)性能圖3給出了室溫,400N條件下,三種三丁基烷基季膦鹽離子液體潤滑脂以及1-辛基-3-甲基磷酸二辛酯鹽離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線和磨損體積.從圖3中可以看出,在室溫下,三種季膦鹽離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)與1-辛基-3甲基咪唑磷酸二辛基酯鹽離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)非常接近,不同烷基鏈長的三丁基烷基季膦鹽離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)和磨損體積相差較小.但三丁基烷基季膦鹽離子液體潤滑脂的磨損體積要明顯小于1-辛基-3甲基咪唑磷酸二辛基酯鹽離子液體潤滑脂.圖4給出了高溫100℃,200N條件下離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線及磨損體積.從圖4中可以看出100℃時,三種三丁基烷基季膦鹽離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)要明顯低于1-辛基-3甲基咪唑磷酸二辛基酯鹽離子液體潤滑脂.對于三種三丁基烷基季膦鹽離子液體,三丁基甲基季膦鹽離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)低于三丁基乙基季膦鹽離子液體潤滑脂和三丁基辛基季膦鹽離子液體潤滑脂,但三丁基辛基季膦鹽離子液體潤滑脂的磨損體積最低.圖5給出了離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)隨頻率的變化曲線.試驗從10Hz開始,每5min升高10Hz,升至50Hz結(jié)束.從圖5(a)中可以看出,頻率從10Hz升高至20Hz時,1-辛基-3甲基咪唑磷酸二辛基酯鹽和三丁基甲基季膦鹽離子液體潤滑脂以及三丁基乙基季膦鹽離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)波動較大,而三丁基辛基季膦鹽離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)曲線比較平穩(wěn).圖5(b)給出了試驗結(jié)束后下試樣鋼塊的磨損體積.從圖5中可以看出,摩擦系數(shù)曲線平穩(wěn)的三丁基辛基季膦鹽離子液體潤滑脂的磨損體積最小,三丁基甲基季膦鹽離子液體潤滑脂的磨損體積最大.不同烷基鏈長的三丁基烷基季膦鹽離子液體制備的潤滑脂的磨損體積大小變化規(guī)律為甲基>乙基>辛基.因此可以推斷對于三丁基烷基季膦鹽離子液體,烷基鏈越長,離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)曲線隨頻率的變化越平穩(wěn),磨損體積越小.

2.2離子液體潤滑脂的減摩抗磨機(jī)理分析圖6給出了四種潤滑脂在相同試驗條件下的磨斑表面的掃描電鏡照片.從圖6中可以看出1-辛基-3甲基咪唑磷酸二辛基酯鹽離子液體潤滑脂的磨斑較明顯,存在磨斑表面部分剝落的現(xiàn)象,屬于黏著磨損和磨粒磨損.而三丁基烷基季膦鹽離子液體潤滑脂的磨斑表面比較光滑,犁溝較淺.為研究離子液體潤滑脂的減摩抗磨機(jī)理,對磨斑表面進(jìn)行了XPS分析.圖7為磨斑表面主要元素化學(xué)狀態(tài)的XPS分析結(jié)果.與聚四氟乙烯F1sXPS圖譜不同的是在磨斑表面F1sXPS圖譜中觀察到兩個雙峰,電子結(jié)合能分別為684.39和689.40eV,歸屬為FeF2[8].磨斑表面P2p的電子結(jié)合能與純離子液體的相同,為133.24eV.因此,可以推斷三丁基烷基季膦鹽離子液體潤滑脂在摩擦過程中聚四氟乙烯與磨斑表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成了含有FeF2的化學(xué)反應(yīng)膜而離子液體是以物理吸附的方式吸附在摩擦表面,從而起到減摩抗磨作用.為進(jìn)一步研究三丁基烷基季膦鹽離子液體潤滑脂在潤滑過程中是否有離子液體物理吸附膜存在,考察了離子液體潤滑脂在電場條件下的摩擦學(xué)性能.摩擦過程中,在上、下試樣中間,用干電池加了3V的穩(wěn)定電壓,摩擦系數(shù)的變化曲線如圖8所示.從圖8中可以看出,無論下試樣連接的是陽極還是陰極,離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)都較未加電壓時高.眾所周知,下試樣連接的是陽極時,摩擦表面主要吸附離子液體的陰離子,所吸附陽離子減少;下試樣連接的是陰極時,摩擦表面主要吸附離子液體的陽離子,所吸附陰離子減少.因此可以推斷摩擦過程中,離子液體中的陽離子液體和陰離子均以物理吸附的方式在摩擦表面形成穩(wěn)定吸附膜,陽離子或陰離子的減少均導(dǎo)致摩擦系數(shù)升高.

3結(jié)論

a.三丁基烷基季膦鹽離子液體作基礎(chǔ)油制備的潤滑脂具有較高的滴點,在室溫和高溫下表現(xiàn)出優(yōu)于1-辛基-3甲基咪唑磷酸二辛基酯鹽離子液體潤滑脂的減摩抗磨性能.b.電場條件下,由于摩擦表面吸附的陰離子或陽離子減少,三丁基烷基離子液體潤滑脂的摩擦系數(shù)較未加電場時高.c.通過磨斑表面XPS分析以及在電場條件下的摩擦學(xué)性能可以推斷三丁基烷基季膦鹽離子液體潤滑脂的減摩抗磨機(jī)理為離子液體潤滑脂中的聚四氟乙烯與摩擦表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成含F(xiàn)eF2化學(xué)反應(yīng)膜,以及離子液體陽離子和陰離子以物理吸附的方式在摩擦表面形成穩(wěn)定吸附膜.

作者：王澤云 姚美煥  柯楨 金艷萍 單位：寧夏大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 中科院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤滑國家重點實驗室 河南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,