环境友好无卤素离子液体润滑剂的制备与润滑机制研究

Ionic liquids (ILs) are a new type of lubricants developed at the beginning of this century. They were regarded to be ideal and green lubricants because of their low volatility, non-flammability, high thermal stability, and excellent tribological properties. But, being used as lubricants, traditional halogen containing ILs were found to have defects of corrosion, toxicity, poor biodegradability and non environmental-friendly preparation. In order to dissolve these problems, the present work aims to develop environmental-friendly and halogen-free lubricants, as well as investigate their lubricating mechanism. Based on the physical and chemical adsorption of ions on the surface of metallic friction pairs, we plan to use non-toxical and biodegradable materials to prepare IL lubricants through solvent free and atom economic reactions. By means of introducing different adsorption groups, various sulphonate and carboxylic acid ILs will be synthesized. Their tribological properties, toxicity and biodegradability will be systematically tested. The adsorption property and film formation ability of the IL molecule on the surface of metallic friction pairs will be investigated, as well as the changes of the ILs before and after friction to reveal the lubricating mechanism. The present work will provide effective way to dissolve the corrosion, toxicity, poor biodegradability and non environmental-friendly preparation problems of using traditional ILs as lubricants, and also give meaningful guidance to further develop novel environmental-friendly lubricants.

离子液体作为本世纪初发展起来的一类新型润滑剂，具有不挥发、不易燃、热稳定性高以及摩擦学性能优异等特点，被认为是一类极具发展前景的高性能润滑剂。但传统含卤素离子液体作为润滑剂在使用过程中存在腐蚀性、毒性、难于生物降解以及合成工艺不环保等弊端。针对这些问题，本项目拟开展环境友好无卤素离子液体润滑剂的设计制备与润滑机制研究工作。基于离子在摩擦副表面的物理化学吸附行为，拟选用不含卤素且无毒和可生物降解的阴阳离子原料，采用无溶剂的原子经济性反应，通过物理化学吸附基团的引入，设计制备具有不同结构特征的磺酸或羧酸离子液体润滑剂；考察它们的摩擦学性能、毒性及生物降解性；研究它们在摩擦过程中的表面/界面吸附行为、成膜特性以及物理化学变化，揭示其润滑抗磨损作用机制。本项目的实施不仅能为解决传统离子液体润滑剂在使用过程中存在的问题开辟新途径，而且对新型环境友好润滑剂的研究具有重要的理论指导意义。

离子液体是本世纪初发展起来的一类新型润滑剂，它们具有不挥发、不易燃、热稳定性高以及摩擦学性能优异等特点，被认为是一类极具发展前景的高性能润滑剂。但是，传统含卤素离子液体作为润滑剂存在腐蚀性强、毒性高、生物降解差以及合成工艺不环保等问题。针对这些突出的问题，本项目开展了环境友好无卤素离子液体润滑剂的设计制备与润滑机制研究工作。项目组以无卤素的羧酸（盐）、苯并三氮唑/苯并咪唑、磺酸盐和咪唑/季铵盐/季铵碱为原料，通过酸碱中和反应或离子交换反应，设计制备了一系列润滑性能优异的羧酸、苯并三氮唑/苯并咪唑、磺酸离子液体润滑剂；采用在离子液体结构中引入静电吸附强度（羧基、磺酸基、氮杂环等）和静电吸附点数目（单羧酸、二羧酸等）不同的吸附基团，以及使物理化学吸附基团带有不同结构的取代基（直链烷基、支链烷基、取代芳基等）等手段，获得了具有不同结构特征的无卤素离子液体润滑剂，通过对这些离子液体润滑剂进行结构–性能关系研究，明确了影响它们摩擦学性能的关键因素；通过总结摩擦学行为规律，测量摩擦副间的接触电阻、润滑剂在摩擦副表面的吸附强度以及摩擦前后摩擦副表面元素分布，从分子层面上探讨它们的减摩抗磨作用机制，为新型绿色环保合成润滑剂开发和应用提供了一定的理论支撑和技术参考。项目的研究成果经整理已发表研究论文18篇。其中，被SCI收录论文12篇、EI收录论文2篇；取得授权国家发明专利2件，另有6件发明专利处于实审过程中；在本项目的经费支持下，通过相关研究工作的开展，培养了7名具备扎实理论基础知识和较强实验技能的研究生，其中3人考取国内知名高校和科研院所的博士研究生，1人留校工作，2人进入地方中学任教，1人进入企业工作；在项目执行过程中，项目负责人参加国内外学术会议10次，作邀请报告6次，项目组成员参加国际国内学术会议23人/次。