离子液体在摩擦中的应用

离子液体具有一些特殊性质,可以忽略的蒸汽压,非燃性,高的热稳定性,低熔点和高导电能力,这些特性也正是优良的润滑剂所应具备的优点。因此离子液体在摩擦领域中具有很重要的作用。在2001年,离子液体首次作为高性能润滑剂应用在摩擦领域。咪唑类离子液体的分解温度一般在350℃以上,有时甚至到480℃,而且离子液体在低温(-50℃甚至-100℃)仍具有流动性,如此宽的液体温度范围使得离子液体在很宽的温度内都具有良好的减摩抗磨作用。离子液体与其他合成润滑油最显著不同的是离子液体的高极性,从而使得离子液体能够在摩擦副表面形成高效吸附膜和发生摩擦化学反应。如果向离子液体中添加一些添加剂,其摩擦学性能将更加优异。Priest发现添加1%的磷酸甲苯可以通过协同作用使离子液体在高温下很快的形成摩擦膜。离子液体自身就包含抗磨和抗极压的润滑活性元素(N,P,B,F),添加剂的作用是阻止离子液体被氧化和腐蚀摩擦副。传统的润滑油很难应用于特殊条件下的润滑摩擦,而设计的功能化离子液体可以达到这种目的。

离子液体的熔点和粘度是润滑油的两大重要因素,并且都取决于它们的分子结构,阳离子类型,阴离子以及烃基链的类型和长度[9]。在减摩抗磨方面最理想的阳离子是1-烷基-3-甲基咪唑类离子液体。摩擦系数随烷基链的增长而降低,这是由于粘度的增加和长的烷基链可以阻止摩擦副间的直接接触。疏水性离子(如BF4-和PF6-)在潮湿环境易引起钢的腐蚀,PF6-降解后水解产生HF。相反的,其他的疏水性阴离子腐蚀性较小,摩擦学性能也较好。如果离子液体具有相同阴离子和阳离子上取代的烃基链,其粘度按咪唑啉型<吡啶型<吡咯烷鎓盐的顺序增加。对于不同的阴离子类型,粘度按Tf2N-<FAP-< BETI-< BF4-<PF6-<Cl-<Br-的顺序增加。由于离子液体高度对称近乎球形阴离子结构,它经常具有高粘性。离子体积更大,更疏水(BF4-和PF6-),或者通过全氟化引入更多的构象灵活性(Tf2N-,FAP-,BETI-),这样都能减弱离子对间相互作用从而降低粘性。在常见的阳离子离子液体中,最低和最高粘度指数的离子液体都是与Tf2N-结合。了解离子液体粘度与结构的关系有助于我们设计合适的离子液体来满足特殊工况。通过研究离子液体分子结构与其摩擦学性能之间的关系,我们可以得到以下结论:比较理想的阴离子应该是疏水的从而提高减摩抗磨能力和热氧化稳定性。咪唑类阳离子上长的烷基基团可以提高摩擦性能,但是另一方面也会导致热氧化稳定性降低。离子液体的抗磨能力可以通过加入添加剂得到提高,其中氨基酸盐的效果最好。添加剂中的羧基可以很强的吸附在表面,从而形成保护膜。N-苯基添加剂比N-乙酰基添加剂的抗磨性能要好,可能是因为苯基与咪唑环间有芳香作用。

离子液体可以以润滑油,添加剂以及薄膜三种方式表现它的优良的摩擦学性能。其中,分子级的室温离子液体薄膜在中等压力下仍保持良好的润滑性能,在剪切过程中并未出现静摩擦和粘滑运动从而制止了摩擦副可能的磨损[12]。究其原因,可能是离子液体电荷以及其不规则的粒子形状。

由于离子液体具有可设计性,我们需要发展新型润滑剂,比如说无卤素的阴离子润滑剂,减少对环境的污染。由于阳离子比阴离子更加灵活,多重官能团修饰的复杂阳离子同样也是我们应该致力于进行研究的。

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