氮磷离子液体润滑剂的分子结构设计及其润滑机理研究

题名	氮磷离子液体润滑剂的分子结构设计及其润滑机理研究
作者	韩云燕
答辩日期	2018-05-22
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	冯大鹏
关键词	磷酸酯和膦酸酯离子液体润滑剂添加剂结构设计润滑机理 Phosphate and phosphonate ionic liquids Lubricants Additives Structure design Lubrication mechanism
学位名称	工学博士
其他题名	无
学位专业	材料学
英文摘要	离子液体的不燃性、低挥发性、高的热稳定性和化学稳定性等性质使其成为一种性能优良的润滑剂。在过去的十几年里，离子液体在摩擦学中的应用研究已经受到了广泛关注，但是离子液体作为润滑剂还存在一些问题，如离子液体的腐蚀、氧化、高成本、结构与性能的关系还未完善等。众所周知，离子液体可通过结构设计实现“功能定制”，因此，通过研究离子液体的结构与其物理化学性能及摩擦学性能的关系，探索离子液体的润滑作用机理，以期为离子液体的结构设计提供理论指导，从而实现离子液体润滑剂的“功能定制”。基于此，本文通过研究多种不同氮磷离子液体和功能化离子液体结构与性能的关系及离子液体润滑作用机理，得到了以下成果： 1.设计合成了六种不同结构的磷酸酯和膦酸酯离子液体，并将其作为钢/铝合金、钢/铜合金、钢/镁合金摩擦副的润滑剂。详细研究了离子液体结构对其物理化学性能及摩擦学性能的影响。研究结果表明，离子液体结构对不同摩擦副的摩擦学性能影响不尽相同。对于钢/铝合金摩擦副，离子液体的阳离子对其润滑性能起主导作用，在阴离子相同的情况下，季铵盐和季鏻盐离子液体的润滑性能较烷基咪唑离子液体的润滑性能优异。对钢/铜合金摩擦副，离子液体的润滑性能主要与其粘度、润湿性和腐蚀性能相关。粘度较低、润湿性较差的离子液体表现出较低的摩擦系数，而腐蚀较强的离子液体，其磨损体积较大。对钢/镁合金摩擦副，阴阳离子对离子液体的润滑性能影响均较大。对于含相同阳离子的离子液体，磷酸酯离子液体对钢/镁合金的润滑性能较膦酸酯离子液体优异。而含相同阴离子的季铵盐离子液体比烷基咪唑和季鏻盐离子液体表现出更为优异的润滑性能。 2.设计合成了四种不同基团（羟基、羧基、氰基和苄基）功能化的离子液体，研究了功能化基团对其物理化学性能以及对钢/铝合金摩擦副润滑性能的影响。与非功能化离子液体BMIm-DBP相比，四种功能化离子液体的粘度显著增加；除了HOOCEMIm-DBP表现出较低的热分解温度，其它功能化离子液体的热稳定性变化不大，；三种极性官能团（羟基、羧基、氰基）功能化离子液体的摩擦学性能（尤其是抗磨性能和承载性能）得到了改善，而苄基功能化离子液体的摩擦学性能较差。值得注意的是，这些离子液体在高温下也表现出优异的减摩抗磨性能。机理研究表明，阳离子上的功能化基团影响了其在金属上的吸附行为—极性功能化基团（羟基、羧基、氰基）加强了吸附行为而非极性功能化基团（苄基）减弱了吸附行为，从而影响了其摩擦学行为。 3.考察了多种不同结构及粘度的基础油对钢/镁合金摩擦副润滑性能的影响。对于具有相似粘度的基础油，非极性基础油比极性基础油表现出更小的磨损体积，含有羧酸基和酯基的极性基础油表现出更低的摩擦系数，聚醚类极性基础油的减摩抗磨性能均较差，而磷酸酯铵盐离子液体表现出优异的减摩抗磨性能；同种类型的基础油，粘度较高的减摩抗磨性能更佳；磨斑表面研究表明，非极性基础油润滑后的表面有明显的氧化膜和转移膜生成，这也是此类基础油表现出较好的抗磨性能的原因，而极性基础油润滑后的表面无明显的氧化膜和转移膜形成。 4.设计合成了多种膦酸酯和磷酸酯离子液体，考察了其作为添加剂对非极性基础油摩擦学性能的影响。研究表明，三种不同结构的膦酸酯离子液体在非极性基础油中不溶，在较低的添加浓度下（0.25%），就能够有效改善基础油的减摩抗磨性能，并且离子液体在基础油中的分散稳定性对其摩擦学性能有影响。三种烷基链长度不同的磷酸酯铵盐离子液体均能够在一定程度上改善基础油的摩擦学性能，其摩擦学性能主要与离子液体的溶解度相关；在添加浓度≤0.01mol/kg的情况下，烷基链较短、在基础油中溶解度较小的离子液体摩擦学性能更佳，这主要归因于离子液体添加剂在基础油中的溶解与其在金属表面的吸附之间的平衡。 5.设计合成了三种膦酸酯离子液体，考察了其作为添加剂对极性基础油PEG和TMPO摩擦学性能的影响。研究结果表明，三种膦酸酯离子液体均能够在一定程度上改善这两种极性基础油的摩擦学性能；不同膦酸酯离子液体作为PEG的添加剂表现出不同的摩擦学性能，与金属基底具有更强相互作用的离子液体能够在更低的添加浓度下有效改善基础油的摩擦学性能，这主要与离子液体与极性基础油之间的竞争吸附有关。
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.licp.cn/handle/362003/25239]
专题	中国科学院兰州化学物理研究所
作者单位	1.中国科学院大学 2.中国科学院兰州化学物理研究所;
推荐引用方式 GB/T 7714	韩云燕. 氮磷离子液体润滑剂的分子结构设计及其润滑机理研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2018.