| 质子型离子液体水基润滑添加剂的设计制备及其摩擦学机制研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 董瑞 | |
| Thesis Advisor | 刘维民、蔡美荣 |
| 2021-05-26 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 离子液体，添加剂，水基润滑，摩擦学机制 |
| Abstract | 随着能源需求的持续增长和环保意识的日益增强，水基润滑技术因其成本低、清洁性能好、环境可持续、节约自然资源等优点愈发受到关注，然而水基润滑液自身抗腐蚀性能低和润滑成膜性差使其在实际工程应用中受到了极大的限制。研究表明，水基润滑液中添加离子液体可显著增强水基润滑液的承载、减摩及抗腐蚀能力。本论文设计制备一系列质子型离子液体，其合成步骤简单，作为水基润滑添加剂有着较好的水溶性和稳定性，同时表现出优异的防腐性能和减摩抗磨性能。主要内容和结论有以下几点： 1. 水溶性磺酸醇胺离子液体添加剂在钢/钢摩擦副上的减摩抗磨性能和摩擦学机制研究。合成了五种不同阴离子结构的磺酸醇胺离子液体，并将其作为水基润滑添加剂进行研究，考察了他们在钢/钢摩擦对偶上的摩擦学性能和润滑机理。结果表明：所合成的磺酸醇胺离子液体在水体系中有着良好的溶解性，同时表现出了一定的抗腐蚀性能。相比于对照样纯水，磺酸醇胺离子液体添加剂具有优异的减摩作用和极压性能，能够显著提升水体系的承载能力。添加剂分子结构中较长烷基链、刚性苯环结构以及对位的取代基位置都有利于其润滑性的提升。这主要归因于磺酸醇胺离子液体添加剂分子结构中的硫元素作为极压元素在摩擦应力和热的作用下可发生摩擦化学反应形成高力学强度和低剪切强度的摩擦膜。同时骨架结构中苯环间可通过π-π堆积作用，增强吸附分子的有序性和吸附膜的结构强度，降低滑动过程中的横向剪切应力，润滑性能明显地得到提升。 2. 磷酸酯醇胺离子液体作为水基润滑添加剂的抗腐蚀性、润滑性和摩擦学行为的研究。合成了四种磷酸酯醇胺离子液体用作水基润滑液添加剂，研究结果表明：合成的离子液体在水基润滑液中表现出优异的水溶性、稳定性和抗腐蚀性能，同时显著提升了水体系的承载能力和润滑性。其优异的摩擦学性能主要归因于离子液体在滑动界面上自组装生成的双层摩擦膜结构（吸附膜和摩擦化学反应膜的协同润滑），分子动力学模拟结果表明离子液体在水中自组装形成球型聚集体，有效地增强了其水溶性和润滑性。扭矩测试结果表明，离子液体具有较小的扭矩值，在小型台架试验中表现出较好的润滑性，表明该类离子液体具有作为水基切削液添加剂应用的潜力。 3. 界面电压和链长对羧酸醇胺离子液体水基润滑添加剂吸附行为、摩擦学性能和润滑机制的影响研究。合成了四种不同烷基链长的羧酸醇胺离子液体添加剂，理化性质测试结果表明该类添加剂在滑动界面上表现出强有力的吸附性以及一定的抗腐蚀性。载流摩擦试验结果表明：当界面加载正电荷时，润滑体系的摩擦系数明显降低，说明离子液体分子结构中的阴离子优先在滑动界面上富集形成了更强的吸附膜。分子动力学模拟了水体系中离子液体添加剂在分别带正、负电荷的铁表面的吸附形态和聚集过程，结果证实：羧酸醇胺离子液体中的阴离子首先以单层膜形式吸附在滑动界面上，然后阳离子局部聚积在阴离子吸附层上形成双层结构，同时流体层中阴阳离子形成聚集体，正是这种独特的结构保证了该体系的优异润滑性能。 4. 离子液体添加剂中不同极性基团对其吸附行为和摩擦学行为的影响研究。合成了磺酸酯醇胺、羧酸酯醇胺和磷酸酯醇胺三种新型离子液体添加剂并考察了它们在水基润滑液中在钢表面的吸附行为及摩擦学行为，研究结果表明：分子结构中不同极性靶向基团与滑动界面之间相互作用强度的差异，导致离子液体添加剂在界面上呈现出不同的吸附能力，极性基团的吸附能力为：磷酸酯醇胺离子液体＞磺酸醇胺离子液体＞羧酸醇胺离子液体。然而，摩擦学测试证实减摩性能为：磷酸酯醇胺离子液体＞羧酸醇胺离子液体＞磺酸醇胺离子液体。磨斑表面分析揭示，吸附与润滑性能间的差异性源自于极性基团在摩擦界面上不同的润滑膜特征，由于硫元素较氧元素更高的亲合性，磺酸醇胺离子液体润滑时在滑动界面上形成了以硫化物为主的摩擦化学膜；羧酸醇胺离子液体在摩擦界面上形成了稳固的化学吸附膜；而磷酸酯醇胺离子液体在摩擦界面上形成了化学吸附和摩擦化学反应协同作用的润滑膜。同时，将三种离子液体与纯水、商用水基抗磨添加剂四聚蓖麻油酸酯和克莱恩75进行对比，考察了它们在不同金属配副（钢/钢、钢/铜、钢/铝、钢/镁和钢/钛）上的摩擦学行为和润滑机制。研究结果表明：磷酸酯醇胺离子液体添加剂表现出最为优异的润滑性能, 具有一定实际工况应用价值和潜力。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 理学 |
| Pages | 142 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/29103 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 董瑞. 质子型离子液体水基润滑添加剂的设计制备及其摩擦学机制研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2021. |
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