烷基咪唑六氟磷酸鹽離子液體作為聚脲潤(rùn)滑脂添加劑的摩擦學(xué)行為研究

張世堂，李金龍，王昆

(中國(guó)人民解放軍92117部隊(duì)，北京 100072)

0 引言

離子液體是指在室溫或近于室溫下呈液態(tài)的全部由離子組成的物質(zhì)，又稱為室溫離子液體、室溫熔融鹽、液態(tài)有機(jī)鹽等，最大特點(diǎn)是可以通過(guò)陰陽(yáng)離子的設(shè)計(jì)而改變其物理化學(xué)性質(zhì)[1]。最初的離子液體主要用于電化學(xué)研究， 近年來(lái)在作為環(huán)境友好的溶劑方面有很大的潛力，故也稱之為“綠色溶劑”[2]。同時(shí)也廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成、相轉(zhuǎn)移催化、分離分析、電化學(xué)、材料化學(xué)等領(lǐng)域[3]。具有低蒸氣壓、高熱穩(wěn)定性和優(yōu)良低溫流動(dòng)性的潤(rùn)滑劑一直是空間機(jī)械和電子、計(jì)算機(jī)工業(yè)追尋的目標(biāo)，尤其是在空間機(jī)械的潤(rùn)滑方面，離子液體作為潛在的高性能潤(rùn)滑劑引起了人們的極大關(guān)注[4]。由于離子液體具有極強(qiáng)的極性，因此多數(shù)離子液體與潤(rùn)滑油相溶性較差，但若將其作為潤(rùn)滑脂添加劑使用，則不存在相溶性的問(wèn)題。聚脲潤(rùn)滑脂具有很好的耐溫性能，因此，要求其中所采用的潤(rùn)滑添加劑也具有較好的耐溫性，烷基咪唑六氟磷酸鹽離子液具有很好的耐溫性能，同時(shí)具備了優(yōu)異的抗磨性能，因此將其作為聚脲潤(rùn)滑脂添加劑，不僅能夠解決其抗磨性能，同時(shí)還能夠拓展聚脲潤(rùn)滑脂的使用溫度范圍。基于此，本文考察了幾種烷基咪唑六氟磷酸鹽離子液作為聚脲潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑劑的摩擦學(xué)性能。

1 試驗(yàn)部分

所制備的離子液體潤(rùn)滑劑為含有不同鏈長(zhǎng)的烷基咪唑六氟磷酸鹽，合成方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5-9]，合成所需要的試劑全部為國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)，分析純。表1給出了這幾種離子液體潤(rùn)滑劑的分子結(jié)構(gòu)示意圖。

表1 幾種離子液體潤(rùn)滑劑的分子結(jié)構(gòu)示意圖

采用的聚脲潤(rùn)滑脂為實(shí)驗(yàn)室自制的未加任何添加劑的樣品，基礎(chǔ)油為合成烴(PAO10)，稠化劑采用甲苯二異氰酸酯和十八胺，所制備樣品滴點(diǎn)為283 ℃，錐入度為255。在制備試驗(yàn)樣品時(shí)，將離子液體以質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%添加至潤(rùn)滑脂中，在三輥研磨機(jī)上研磨3次后取出進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。

采用Optimol-SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑的摩擦學(xué)性能。摩擦副接觸方式為球-盤(pán)點(diǎn)接觸；試驗(yàn)條件為：頻率 25 Hz、振幅 1 mm、試驗(yàn)時(shí)間30 min，溫度分別為室溫和150 ℃。上試球材質(zhì)為GCr15鋼，下試盤(pán)材質(zhì)為GCr15鋼。上試球直徑為10 mm，硬度為59～61 HRC；下試盤(pán)直徑為24 mm、厚度為8.0 mm。每次試驗(yàn)前用刮尺在球盤(pán)接觸部位加潤(rùn)滑劑0.2 mg。試塊磨損量由表面輪廓儀測(cè)試而得，摩擦系數(shù)由自動(dòng)記錄儀給出。

在摩擦試驗(yàn)結(jié)束之后，分別用石油醚和丙酮超聲清洗下試盤(pán)10 min，然后進(jìn)行表面分析。采用PHI-5702多功能X射線光電子能譜儀(XPS)分析磨斑表面元素的化學(xué)狀態(tài)，選用Mg-Kα激發(fā)源，通過(guò)能量為29.4 eV，結(jié)合能測(cè)量精度約為±0.3 eV, 以C1s結(jié)合能284.6 eV作為內(nèi)標(biāo)。采用JSM-5600 LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨斑表面形貌并分析其元素面分布。

2 結(jié)果與討論

2.1摩擦學(xué)性能

圖1、圖2分別示出了幾種離子液體及通用的二烷基二硫代磷酸鋅(T-204)，按1%濃度添加到聚脲潤(rùn)滑脂中常溫下對(duì)鋼/鋼摩擦副在不同載荷時(shí)的摩擦系數(shù)及磨損體積的變化關(guān)系。可以看出，添加離子液體的潤(rùn)滑脂抗磨性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的T204添加劑。總體而言，常溫下摩擦系數(shù)及磨損體積均隨離子液體中碳鏈長(zhǎng)度的增加呈下降趨勢(shì)，我們認(rèn)為可能的原因是由于離子液體是一種極性化合物，碳鏈長(zhǎng)度的增加降低了其分子極性，從而使離子液體能夠較好地分散于具有非極性的聚脲潤(rùn)滑脂中，進(jìn)而在摩擦過(guò)程中能夠有效進(jìn)入摩擦表面，起到降低摩擦磨損的作用。此外，由于常溫下潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油黏度、潤(rùn)滑脂稠度均較高溫下大，因此造成摩擦系數(shù)也相應(yīng)的高于高溫條件。

圖1 室溫下載荷對(duì)添加1%離子液體和T204的聚脲潤(rùn)滑下鋼/鋼摩擦副摩擦系數(shù)的影響

圖2、圖3分別示出了幾種離子液體，按1%濃度添加到聚脲潤(rùn)滑脂中150 ℃下對(duì)鋼/鋼摩擦副在不同載荷時(shí)的摩擦系數(shù)及磨損體積的變化關(guān)系。從圖中可以看出，添加不同離子液體的聚脲潤(rùn)滑脂均能夠有效改善鋼/鋼摩擦副的摩擦系數(shù)及磨損，其中添加P110離子液體的潤(rùn)滑脂具有更為優(yōu)異的抗磨性能。

值得注意的是，P110盡管其摩擦系數(shù)在所有樣品中表現(xiàn)較高，但其磨損體積則最小，這是由于P110具有較長(zhǎng)的碳鏈，因此與基礎(chǔ)油的相溶性較好，易于進(jìn)入摩擦表面，同時(shí)隨著摩擦試驗(yàn)溫度的增加，該離子液體在高溫下更容易與摩擦表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而能夠有效提高潤(rùn)滑脂的抗磨性能。造成這一現(xiàn)象的原因是其溶解性的原因，由于P110油溶性好，進(jìn)而造成其分散性好，從而降低了磨損。

圖2 載荷對(duì)添加1%離子液體的聚脲潤(rùn)滑下鋼/鋼摩擦副摩擦系數(shù)的影響(150℃)

圖3 載荷對(duì)添加1%離子液體的聚脲潤(rùn)滑下鋼/鋼摩擦副磨損體積的影響(150℃)

2.2磨損表面分析

圖4分別示出了20 ℃時(shí)，添加1% P110和T204聚脲潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑條件下，鋼盤(pán)表面磨斑形貌SEM及相應(yīng)的典型元素的面分布照片。可以看出，離子液體作為添加劑添加至聚脲潤(rùn)滑脂中，鋼盤(pán)表面磨斑比T204添加至聚脲潤(rùn)滑脂中光滑，未出現(xiàn)明顯的犁溝現(xiàn)象和黏著磨損。說(shuō)明在聚脲潤(rùn)滑脂中添加離子液體作為抗磨劑的摩擦磨損效果優(yōu)于傳統(tǒng)潤(rùn)滑脂中的添加劑(T204)，從P110不同溫度條件下的摩擦表面典型元素面分布像可以看出(見(jiàn)圖5)，P、F等元素分布非常均勻，證明P110離子液體在摩擦過(guò)程中與摩擦表面形成了均勻的保護(hù)膜，進(jìn)而起到降低潤(rùn)滑脂摩擦磨損的作用。

圖4 P110(a和b)和T204(c和d)添加1%的聚脲潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下鋼盤(pán)磨斑形貌(300N, 20℃)

圖5 20℃時(shí)(a)、(b)、(c)和150℃時(shí)(d)、(e)、(f)添加1%P110的聚脲潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下鋼盤(pán)表面元素的面分布照片(300N)

為進(jìn)一步研究P110離子液體的抗磨機(jī)理，采用XPS對(duì)不同溫度條件下摩擦表面典型元素的結(jié)合能進(jìn)行了分析，圖6中示出了離子液體P110作為添加劑在鋼盤(pán)表面的XPS譜圖。由圖可以看出，P110中F1s譜峰為686.5 eV，在20 ℃和150 ℃時(shí)，磨斑表面F1s譜峰分別出現(xiàn)在684.87 eV和684.25 eV，結(jié)合能變化值分別為1.63 eV和2.25 eV，可以歸屬為氟化鐵等氟化物；P110中P2p譜峰為136.59eV，在20 ℃和150 ℃時(shí)，磨斑表面P2p譜峰分別出現(xiàn)在133.28 eV和133.42 eV，峰值變化分別為3.31 eV和3.17 eV，可以歸屬為磷酸鐵等；P110的N1s峰值出現(xiàn)在401.85 eV，在20 ℃和150 ℃時(shí)，磨斑表面中N1s峰值出現(xiàn)在400.61 eV和399.61 eV，結(jié)合能變化值分別為1.24 eV和2.24 eV，可以歸屬為有機(jī)氮化物；在20 ℃和150 ℃時(shí)，磨斑表面Fe2p譜峰分別出現(xiàn)在710.91 eV和710.73 eV，結(jié)合F1s的結(jié)合能值，可以確定，摩擦表面形成了FeF、FeF2、FeF3等金屬氟化物。此外，從圖中還可以看出，不同摩擦溫度下摩擦表面典型元素的結(jié)合能值相同，因此可以確定，溫度對(duì)離子液體抗磨機(jī)理的影響較小。

圖6 純離子液P110(A)，20℃(B)，150℃(C)在鋼表面摩擦后磨斑表面的XPS圖譜(300N)

3 結(jié)論

(1)對(duì)鋼/鋼摩擦副而言，烷基咪唑六氟磷酸離子液體可以作為聚脲潤(rùn)滑脂的抗磨添加劑，性能明顯優(yōu)于通用的ZDDP添加劑。

(2)烷基咪唑六氟磷酸離子液體作為聚脲潤(rùn)滑脂添加劑，在金屬表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，在摩擦副表面形成了含有有機(jī)氮、氟化鐵、磷酸鐵等復(fù)雜成分的化學(xué)保護(hù)膜，進(jìn)而起到降低摩擦磨損的作用。

(3)烷基咪唑六氟磷酸離子液體作為聚脲潤(rùn)滑脂添加劑，其摩擦磨損性能隨烷基碳鏈長(zhǎng)度的增加

而提高，這主要是由于碳鏈的增加提高了離子液體與基礎(chǔ)油的相溶性。

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