離子液體在摩擦中的應用

離子液體具有一些特殊性質,可以忽略的蒸汽壓,非燃性,高的熱穩定性,低熔點和高導電能力,這些特性也正是優良的潤滑劑所應具備的優點。因此離子液體在摩擦領域中具有很重要的作用。在2001年,離子液體首次作為高性能潤滑劑應用在摩擦領域。咪唑類離子液體的分解溫度一般在350℃以上,有時甚至到480℃,而且離子液體在低溫(-50℃甚至-100℃)仍具有流動性,如此寬的液體溫度范圍使得離子液體在很寬的溫度內都具有良好的減摩抗磨作用。離子液體與其他合成潤滑油最顯著不同的是離子液體的高極性,從而使得離子液體能夠在摩擦副表面形成高效吸附膜和發生摩擦化學反應。如果向離子液體中添加一些添加劑,其摩擦學性能將更加優異。Priest發現添加1%的磷酸甲苯可以通過協同作用使離子液體在高溫下很快的形成摩擦膜。離子液體自身就包含抗磨和抗極壓的潤滑活性元素(N,P,B,F),添加劑的作用是阻止離子液體被氧化和腐蝕摩擦副。傳統的潤滑油很難應用于特殊條件下的潤滑摩擦,而設計的功能化離子液體可以達到這種目的。

離子液體的熔點和粘度是潤滑油的兩大重要因素,并且都取決于它們的分子結構,陽離子類型,陰離子以及烴基鏈的類型和長度[9]。在減摩抗磨方面最理想的陽離子是1-烷基-3-甲基咪唑類離子液體。摩擦系數隨烷基鏈的增長而降低,這是由于粘度的增加和長的烷基鏈可以阻止摩擦副間的直接接觸。疏水性離子(如BF4-和PF6-)在潮濕環境易引起鋼的腐蝕,PF6-降解后水解產生HF。相反的,其他的疏水性陰離子腐蝕性較小,摩擦學性能也較好。如果離子液體具有相同陰離子和陽離子上取代的烴基鏈,其粘度按咪唑啉型<吡啶型<吡咯烷鎓鹽的順序增加。對于不同的陰離子類型,粘度按Tf2N-<FAP-< BETI-< BF4-<PF6-<Cl-<Br-的順序增加。由于離子液體高度對稱近乎球形陰離子結構,它經常具有高粘性。離子體積更大,更疏水(BF4-和PF6-),或者通過全氟化引入更多的構象靈活性(Tf2N-,FAP-,BETI-),這樣都能減弱離子對間相互作用從而降低粘性。在常見的陽離子離子液體中,最低和最高粘度指數的離子液體都是與Tf2N-結合。了解離子液體粘度與結構的關系有助于我們設計合適的離子液體來滿足特殊工況。通過研究離子液體分子結構與其摩擦學性能之間的關系,我們可以得到以下結論:比較理想的陰離子應該是疏水的從而提高減摩抗磨能力和熱氧化穩定性。咪唑類陽離子上長的烷基基團可以提高摩擦性能,但是另一方面也會導致熱氧化穩定性降低。離子液體的抗磨能力可以通過加入添加劑得到提高,其中氨基酸鹽的效果最好。添加劑中的羧基可以很強的吸附在表面,從而形成保護膜。N-苯基添加劑比N-乙?;砑觿┑目鼓バ阅芤?,可能是因為苯基與咪唑環間有芳香作用。

離子液體可以以潤滑油,添加劑以及薄膜三種方式表現它的優良的摩擦學性能。其中,分子級的室溫離子液體薄膜在中等壓力下仍保持良好的潤滑性能,在剪切過程中并未出現靜摩擦和粘滑運動從而制止了摩擦副可能的磨損[12]。究其原因,可能是離子液體電荷以及其不規則的粒子形狀。

由于離子液體具有可設計性,我們需要發展新型潤滑劑,比如說無鹵素的陰離子潤滑劑,減少對環境的污染。由于陽離子比陰離子更加靈活,多重官能團修飾的復雜陽離子同樣也是我們應該致力于進行研究的。

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