Page 119 - 《摩擦学学报》2020年第5期

674 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

(L-P 108) as a reference. The effects of cation chain length changes of NPILs on their physicochemical properties and
tribological properties were studied. The results show that the viscosity of NPILs is higher than PAO 10 and L-P 108,
and the thermal decomposition temperature is lower than that of PAO 10 and L-P 108. The viscosity and thermal
decomposition temperature of NPILs increase with the increasing chain length. As lubricants for steel/steel friction pairs,
NPILs have lower friction reduction performance than L-P108 at room temperature, but the wear resistance of NP-11 118
is better than L-P108; at high temperatures, the friction reduction and wear resistance of NPILs are better than L-P 108.
NPILs have excellent antifriction and anti-wear properties both at normal temperature and high temperature, and
tribological properties increase with increasing alkyl chain length. Scanning electron microscopy (SEM), elemental
analysis and XPS results of the wear spot demonstrate that the excellent tribological properties of such ionic liquids are
attributed to the tribochemical reaction of metal substrates and N, P in the ionic liquid structure to form tribo-film with
excellent antifriction and antiwear properties.
Key words: N/P halogen-free; ionic liquid; lubricant; chain length; tribological properties

20世纪中后期，离子液体因其可设计合成的分子 系统研究了这类润滑剂的摩擦学特性与烷基链长之
结构和特殊的物理化学性能，逐渐成为化学及材料学 间的关系，通过SEM/EDS，以及XPS对磨斑表面组成
科的研究热点 . 2001年，刘维民院士 首次系统研究 分析，进一步阐述了这类离子液体的润滑机理.
[1]
[2]
了传统咪唑型离子液体的摩擦学性能，证实此类材料
1 试验部分
在作为润滑剂时具有非常优异的减摩及抗磨性能. 此
后，关于离子液体润滑剂的研究成为摩擦学领域的重 1.1 材料及合成方法
要方向 [3–8] . 根据文献报道的方法，合成本文研究所需的
事实上，早期关于离子液体润滑剂的研究，多基 NPILs [15–16] . 合成离子液体润滑剂的分子结构如图1所
于以烷基咪唑为阳离子，以四氟硼酸盐、六氟磷酸盐、 示，合成离子液体所需的十四烷基三甲基溴化铵、十
双(三氟甲烷磺酰亚胺)盐等含卤素阴离子体系 [9-11] ，研 六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵购于安
究结果普遍证明这类离子液体的物理化学性能及润 耐吉试剂公司、磷酸二异辛酯钠由本实验室自行制
滑性能与离子液体的烷基链长的变化存在明显的相 备，制备离子液体所用的试剂及溶剂均为分析纯. 作
关性，然而，研究也证明咪唑型离子液体的阳离子由 为参比润滑剂的聚α-烯烃(PAO 10)由中国石油润滑油
[11]
于存在霍夫曼消除效应，导致其高温热稳定性差 . 公司兰州润滑油研究发展中心提供，含卤素离子液体
基于此，人们开始关注新型的非咪唑型离子液体体 1-辛基3-甲基咪唑六氟磷酸盐(L-P 108)中国科学院兰
[12]
系，Qu等 报道了含四氟硼酸阴离子的离子液体作为 州化学物理研究所提供.
钢/钢摩擦副润滑剂，发现其具有优异的摩擦学性能.
[11]
刘旭庆等 报道了一类季鏻盐四氟硼酸离子液体，发 R H R PF 6 −
H 3 C C C C CH 3 N N
现其不仅具有优异的抗氧化性和热稳定性，而且比相 n
H H H
同阴离子的咪唑离子液体更优异的抗磨性能. 然而， PAO 10 L-P 108
研究也表明，卤素型离子液体的阴离子的水解产生相
R −
应的HF会强烈的腐蚀金属基底. 上述工作虽然使用了 + O O
N R 3 P
非咪唑型阳离子，但是依然使用传统的卤素阴离子， R 1 R 2 O O
导致在解决传统咪唑离子液体热稳定性差的同时，并 R =R =R =CH 3 , R=n-C 14 H 29 , NP-11114;
2
3
1
1
2
3
R =R =R =CH 3 , R=n-C 16 H 33 , NP-11116;
没有完全解决卤素阴离子水解所造成的腐蚀问题.
R =R =R =CH 3 , R=n-C 18 H 37 , NP-11118
1
3
2
[14]
[13]
近期，凡明锦等 以及Khatri等 使用不含卤素 Fig. 1 Molecular structures of the synthesized NPILs (NP-11114，
的阴离子结合季铵或者季鏻阳离子构建的新型离子 NP-11116，NP-11118)，PAO 10 and L-P 108 as reference
液体润滑剂，此类离子液体合成简单，原料价格便宜， lubricants
图 1 合成NPILs(NP-11114，NP-11116，NP-11118)及作为参
性质稳定，对金属基底无腐蚀，作为钢/钢摩擦副的润
比润滑剂的PAO 10和L-P 108的分子结构
滑剂具有优异的减摩抗磨性能. 受此启发，本工作中
利用N/P协同设计摩擦改进剂的思想，合成了一类具 1.2 结构及性质表征
1
有不同烷基链长的季铵盐磷酸酯型离子液体润滑剂， 文中利用核磁共振波谱(Bruker 400Mz， H NMR：