环境友好脂肪酸型离子液体的流变学与摩擦学性能_鞠超.pdf

书书书2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.001文献引用:鞠超，苏桐，李维民，等环境友好脂肪酸型离子液体的流变学与摩擦学性能 J 润滑与密封，2023，48(2):16Cite as:JU Chao，SU Tong，LI Weimin，et alheological and tribological properties of environment friendly fatty acid based ionic liquids J Lubrication Engineering，2023，48(2):16*基金项目:国家自然科学基金面上项目(NSFC 51875553);山东省重点研发计划(2020CXGC011002);辽宁省揭榜挂帅科技攻关专项(2021JH1/10400103)收稿日期:20211123;修回日期:20211214作者简介:鞠超(1984)，男，博士研究生，副研究员，研究方向为润滑油脂添加剂的制备与应用。Email:juchao 。通信作者:王晓波(1976)，男，博士，研究员，主要研究方向为新型润滑添加剂及高性能润滑油脂的制备与应用。Email:wangxb 。环境友好脂肪酸型离子液体的流变学与摩擦学性能*鞠超1，2苏桐3李维民1赵勤1郑东东4王晓波1，2(1.中国科学院兰州化学物理研究所，固体润滑国家重点实验室甘肃兰州 730000;2.中国科学院大学北京 100049;3.淄博高端合成润滑材料创新中心山东淄博 255000;4.徐州工程学院材料与化学工程学院江苏徐州 221111)摘要:为研究不同结构脂肪酸离子液体的流变学及其对润滑油性能的影响，以蓖麻油酸、油酸、二聚酸及胆碱为原料，制备 3 种环境友好型润滑材料(cho ricinoleat，cho oleat，cho dimer)，采用流变仪和 SV 摩擦试验机研究其流变学和摩擦学性能，采用扫描电子显微镜(SEM)和 X射线能谱仪(EDS)对磨损表面进行分析，初步探讨其润滑机制。结果表明:制备的 cho ricinoleate 和 cho dimer 是离子液体，室温下以液体状态存在，而 cho oleic acid 室温下是以半固体的形态存在，类似润滑脂;随着温度和剪切速率的变化，cho ricin-oleate 和 cho dimer 黏度始终大于 150BS 基础油，其中 cho dimer 黏度最大，并具有最优的减摩和抗磨性能，其主要原因可以推测为离子液体在金属表面形成双电层结构的吸附膜，以及离子液体较高的黏度增加了油膜厚度以及承载能力。关键词:离子液体;流变学性能;摩擦学性能;流变学;双电层结构中图分类号:TH117.22heological and Tribological Properties of EnvironmentFriendly Fatty Acid Based Ionic LiquidsJU Chao1，2SU Tong3LI Weimin1ZHAO Qin1ZHENG Dongdong4WANG Xiaobo1，2(1.State Key Laboratory of Solid Lubrication，Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China;2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China;3.Zibo Innovation Center of Highend Synthetic Lubricating Materials，Zibo Shandong 255000，China;4.School of Materials and Chemical Engineering，Xuzhou University of Technology，Xuzhou Jiangsu 221111，China)Abstract:In order to study the rheology of fatty acid ionic liquids with different structures and its effect on the proper-ties of lubricating oil，three environmentally friendly lubricants were prepared from ricinoleic acid，oleic acid，dimer acidand choline，including cho ricinoleat，cho oleatand cho dimer Their rheological and tribological propertieswere investigated by heometer and SVThe lubrication mechanism was preliminary explored by analyzing the worn sur-faces with SEM/EDSThe results show that both cho ricinoleateand cho dimerare ionic liquids and in liquidstate at room temperature，but cho oleateis semisolid and seems like a lubricant greaseThe viscosities of cho rici-noleateand cho dimerare always higher than that of 150BS base oil with the changes of temperature and shearingrateEspecially，cho dimerwith the highest viscosity shows the optimal friction reducing and antiwear propertiesTheprobable reason is speculated that cho dimeras an ionic liquid forms an adsorption film with double electric layer，andits highest viscosity increases the lubrication film thickness and loading capacityKeywords:ionic liquid;rheological property;tribological property;rheology;double electric layer structure润滑剂由基础油和添加剂组成，其中基础油是主体，占据 90%以上，决定了润滑剂的主要性能。目前大部分基础油是矿物油，矿物油型润滑剂广泛应用于汽车、舰船等工业领域的设备润滑，占据了全世界润滑剂市场份额的 95%左右12。但矿物油闪点低、挥发性高、生物降解性差，容易对人类健康和生态环境造成危害;另外，矿物油本身润滑性能较差，即使配合抗磨剂使用，仍无法适应重载工况下高端设备的润滑，迫切需要发展一种润滑性能更加优异的高性能润滑剂。离子液体一般认为是由阴阳离子构成的熔点低于100 的有机熔融盐，具有挥发性低、表面吸附能力强、结构性能可调控等优点;同时具有良好的润滑性能，具备作为高性能润滑剂的潜质3。自 2001 年 YE等4 首次报道离子液体作为润滑剂以来，离子液体在摩擦学领域得到了广泛的关注和研究。然而，传统含卤素离子液体易水解，毒性大，制备复杂且成本昂贵，限制了它在润滑领域的实际应用。为了解决这一问题，近年来人们合成了一系列新型的无卤素离子液体用作润滑剂，研究其摩擦学性能。SONG、凡明锦等56 以丝氨酸、苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、赖氨酸、苯并氨酸、蛋氨酸等为原料制备了一系列氨基酸离子液体，研究了它们在钢钢、钢铜和钢铝接触下的摩擦学性能，相比合成基础油 PAO 10 具有更好的减摩抗磨性能。此外，FAN 等7 还以糖精钠和安赛蜜钾两种甜味剂为原料制备了两种无卤素离子液体，研究了它们在钢钢和钢铜接触下的摩擦学性能，发现其相比传统含卤素离子液体具有更好的减摩抗磨性能。SONG 等8 利用消炎药布洛芬为原料制备了一系列无卤素离子液体，发现其不仅具有优秀的水解安定性，并且由于布洛芬阴离子较强的吸附能力，相比 PAO 40 和含卤素离子液体具有更好的减摩抗磨性能。SHI 和 LASSON9 以油酸与油胺为原料制备一种离子液体，相比菜籽油和 I 类基础油具有更好的润滑性能。SENAGLIA 等10 利用辛酸和棕榈酸两种不同烷基链长的脂肪酸为原料制备了两种无卤素离子液体，研究了不同烷基链长对离子液体的物理化学性质和摩擦学性能的影响。PATEL 等11 报道了柠檬酸制备的质子型离子液体作为纯润滑剂和添加剂的润滑性能。AVILS 等12 也报告了二元琥珀酸铵水溶液制备的质子型离子液体在薄膜水润滑中的应用。此外，JIANG 等13 报道了不同氨基酸胆碱离子液体作为钢钢摩擦副的润滑性能，对比发现氨基酸胆碱离子液体相比传统离子液体表现出优异的摩擦学性能。尽管上述文献对脂肪酸离子液体作为润滑剂的应用有一定的影响和引领作用，然而对于蓖麻油酸、油酸、二聚酸等环境友好的植物酸来讲，很少文献对比研究它们作为离子液体润滑剂的润滑性能。为进一步扩宽脂肪酸离子液体的应用，本文作者利用蓖麻油酸、油酸、二聚酸和胆碱等生物基材料为原料设计合成环境友好的离子液体，综合研究其流变学和摩擦学性能，探讨其潜在的润滑机制。1试验部分1.1试剂蓖麻油酸(纯度97%，上海麦克林生化科技有限公司生产)，油酸(纯度97%，上海麦克林生化科技有限公司生产)，二聚酸(纯度97%，上海麦克林生化科技有限公司生产)，氢氧化胆碱水溶液(46%，SigmaAldric)，乙醇(纯度97%，天津富宇精细化工有限公司生产)。1.2合成与制备参照文献 14，以蓖麻油酸、油酸、二聚酸和胆碱为原料设计合成离子液体，合成步骤如下:分别向 1 mol 蓖麻油酸(或油酸或二聚酸)的乙醇溶液中滴加氢氧化胆碱水溶液(蓖麻油酸和油酸为 1 mol，二聚酸为 2 mol)，在室温下磁力搅拌反应 12 h，待反应完成后在 50 温度下进行旋转蒸馏，将旋转蒸馏后的产物在 70 下真空干燥 48 h，室温下得到 2 种液体(cho ricinoleate 和 cho dimer)和1 种半固体产物(cho oleate)，其分子结构见图 1。图 1合成产物的分子结构Fig.1The molecular structures of the prepared products1.3结构及性质表征采用 Bruker Tensor 27 傅立里叶红外光谱仪对合成的 3 种离子液体进行了结构表征。2润滑与密封第 48 卷1.4流变学试验采用 Anton Parr 的流变仪(MC 302)测试制备的离子液体的流变学性能。黏温性能测试采用平板振荡模式，平板间距为 0.1 mm，温度范围 0 100;剪切性能测试采用平板旋转模式，间距为 0.2 mm，温度为 30，剪切速率由 0.01 s1逐渐增大到 1 000s1;储能模量(G)和损耗模量(G)测试采用平板振荡模式，测试间距为 0.2 mm，温度为 30。1.5摩擦学试验利用 Optimal SVV 试验机的球盘往复模式进行摩擦试验，试验时 AISI 52100 轴承钢球(10 mm)在固定的 AISI 52100 轴承钢盘(24