Page 85 - 《摩擦学学报》2021年第5期

674 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

间的变化曲线，图2(b)为下试样钢块的磨损体积图. 由 体润滑剂具有优异的减摩抗磨性能，其主要原因之一
图中数据可以看出，去离子水在添加0.05 mol/L的 为离子液体润滑剂结构中带有负电荷的阴离子能与
[Ch] [3,4-Pydc]后，减摩抗磨性能得到显著改善，当添 金属摩擦副表面在摩擦过程中外逸电子形成的正电
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加浓度达到0.2 mol/L时，其减摩抗磨性能达到相对较 荷产生静电吸附作用，在摩擦副表面形成稳定的阴离
好的水平. 继续在一定范围内增加添加剂的浓度，水 子吸附层. 再通过离子液体阴、阳离子之间的相互作

的减摩抗磨性能变化幅度不大. 但当添加剂的浓度达 用在阴离子吸附层外形成阳离子屏蔽层，因而在摩擦
到1.667 mol/L时，水的减摩抗磨性能改善幅度极为显 副表面形成了基于物理化学吸附作用的离子液体保
著. 我们推测添加剂在添加浓度相对较低和较高的两 护膜 [26-27] . 当该离子液体与金属表面的吸附作用较强
种情况下可能存在两种不同的润滑状态. 为了进一步 时，形成的吸附膜就更牢固，不易被破坏，该离子液体
探究此问题，在接下来的试验中，我们分别选择了离 就会表现出更优异的减摩抗磨性能. 由于吡啶二酸离
子液体[Ch] [Hdc]添加浓度为0.2和1.667 mol/L的水基 子液体中氮杂环上的氮原子具有较强的吸电子效应，
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润滑剂测试所制备的水溶液的减摩抗磨性能. 导致处于其邻位的羧基负离子的负电性减弱，因而使
图3(a)给出了添加浓度为0.2 mol/L的含有不同结 吡啶二酸阴离子与金属表面的吸附作用变弱. 最终结
构[Ch] [Hdc]添加剂的水溶液的摩擦系数随时间的变 果使得羧基处于吡啶环氮原子间位或对位的离子液
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化曲线. 从图中可以看出，除[Ch] [2,5-Fdc]外，含有其 体添加剂的减摩抗磨性能优于羧基处于吡啶环氮原
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他[Ch] [Hdc]添加剂的水溶液的摩擦系数均小于去离 子邻位的离子液体添加剂的减摩抗磨性能. 此理论也
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子水，它们的平均摩擦系数大小顺序为[Ch] [2,5- 可以解释[Ch] [2,3-Pyadc]为何具有较差的减摩抗磨
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Fdc]>[Ch] [2,3-Pydc]>[Ch] [2,3-Pyadc]>[Ch] [2,6- 性能.
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Pydc]>[Ch] [2,5-Tdc]>[Ch] [3,5-Pydc]>[Ch] [3,4- 图4(a)给出了添加浓度为1.667 mol/L的含有不同
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Pydc]. 从此项数据可以看出，在此添加浓度条件下， 结构[Ch] [Hdc]添加剂的水溶液的摩擦系数随时间的
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分子式相同分子结构不同的吡啶二酸离子液体对水 变化曲线. 从图中可以看出含有[Ch] [Hdc]添加剂的
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的减摩性能的影响差异较大. 其中，有一个或两个羧 水溶液的摩擦系数均小于去离子水，它们的平均摩擦
基处于吡啶环氮原子邻位的离子液体添加剂（如： 系数大小顺序为[Ch] [3,5-Pydc]<[Ch] [2,5-Tdc]<[Ch] 2
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[Ch] [2,3-Pydc]、[Ch] [2,6-Pydc]）对水溶液的减摩性 [2,3-Pyadc]<[Ch] [2,6-Pydc]<[Ch] [3,4-Pydc]<[Ch] 2
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能的改善明显差于两个羧基都处于吡啶环氮原子间 [2,3-Pydc]<[Ch] [2,5-Fdc]. 由此项数据不难看出，在此
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位 或 对 位 的 离 子 液 体 添 加 剂 (如 [Ch] [3,4-Pydc]、 添加浓度条件下，水溶液的平均摩擦系数大小与溶液
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[Ch] [3,5-Pydc]). 图3(b)为下试样钢块的磨损体积，从 的黏度值之间呈现明显的正相关关系. 溶液的黏度值
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图中可以看出，所制备的[Ch] [Hdc]添加剂中也只有 越大，其摩擦系数越高. 因此，添加剂浓度较高时，溶
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[Ch] [3,4-Pydc]和[Ch] [3,5-Pydc]对水的抗磨性能有显 液的黏度成为其减摩性能的决定性因素. 图4(b)为下
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著的提高. 我们推测导致此结果的原因如下：离子液 试样钢块的磨损体积，由图4(b)可以看出，所制备的
0.7 6 H 2 O
(a) H 2 O (b) 0.2 mol/L[Ch] 2 [2,5-Fdc]
0.2 mol/L[Ch] 2 [2,5-Fdc]
0.6 5 0.2 mol/L[Ch] 2 [2,5-Tdc]
0.2 mol/L[Ch] 2 [2,5-Tdc] 4 0.2 mol/L[Ch] 2 [2,3-Pydc]
0.2 mol/L[Ch] 2 [2,3-Pydc]
Friction coefficient 0.4 0.2 mol/L[Ch] 2 [3,4-Pydc] Wear volume×10 −3 /mm 3 3 2 0.2 mol/L[Ch] 2 [3,4-Pydc]
0.2 mol/L[Ch] 2 [2,6-Pydc]
0.5
0.2 mol/L[Ch] 2 [2,6-Pydc]
0.2 mol/L[Ch] 2 [3,5-Pydc]
0.2 mol/L[Ch] 2 [3,5-Pydc]
0.2 mol/L[Ch] 2 [2,3-Pyadc]
0.2 mol/L[Ch] 2 [2,3-Pyadc]
0.3
0.2 1
0.1 0
0 400 800 1 200 1 600
Time/s

Fig. 3 The friction coefficients (a) and wear volumes (b) of aqueous solutions containing 0.2 mol/L [Ch] 2 [Hdc]
on steel–steel friction pairs
图 3 含有0.2 mol/L [Ch] 2 [Hdc]的水溶液在钢/钢摩擦副上的摩擦系数(a)及下试样钢块的磨损体积(b)