一种离子液体水基润滑添加剂及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于化工技术领域，具体而言，涉及一种水基润滑添加剂，尤其涉及一种离子液体水基润滑添加剂及其制备方法和应用。
技术背景
2.众所周知，摩擦在世界范围内广泛存在，如果不能有效地抑制摩擦，不仅会导致更多设备运行事故的发生，还会造成大量能源的消耗。因此，人们使用不同种类的润滑剂来减少摩擦。石油基润滑剂一直被广泛应用于维持机械设备的有序运行，旨在节约能源和避免事故。然而，石油基润滑剂的许多缺点是显而易见的，如冷却能力低、易燃、生物降解性差和污染严重等，这限制了其在许多特殊领域的应用。因此，开发新型润滑剂替代石油基润滑剂从而避免这些缺点是十分有必要的。
3.近年来，许多研究人员对水基润滑剂进行了研究。与石油基润滑剂相比，水基润滑剂可以避免上述缺点，并具有许多独特的优势，如良好的导热性、冷却性、价格低廉、环境友好等，这使得它们在金属切削液等领域有较为广泛的应用。但是，由于水的粘度和粘压系数较低，它很难在摩擦表面上形成有效的润滑膜。因此，水对大多数摩擦副的润滑性能较差。此外，水的承载能力差及其在摩擦过程中产生的严重腐蚀也限制了其在许多复杂行业中的应用。因此，非常有必要使用有效的添加剂来提高水基润滑剂的摩擦学性能，并降低其腐蚀性能。


技术实现要素：

4.鉴于以上技术需求，本发明的第一个目的在于提供一种离子液体化合物，该离子液体作为水基润滑添加剂具有优异的减摩抗磨性能，并且能大幅度降低水对摩擦基底的腐蚀性。
5.为了实现本发明的上述目的，发明人通过大量试验研究并不懈探索，最终获得了如下技术方案：一种离子液体化合物，该离子液体化合物为tsn
4444
、tsp
4444
、tsnn
4444
或tsnp
4444
，具有如下所示结构：
[0006][0007]
其中：ts为对甲苯磺酰基，tsnn
4444
和tsnp
4444
简称为修饰后的离子液体。
[0008]
本发明的第二个目的在于提供以下上述离子液体化合物的制备方法，该方法包括如下步骤：为了合成tsn
4444
和tsp
4444
，首先，将变色酸与四丁基氢氧化胺(或四丁基氢氧化磷)按照摩尔比为1:2混合，室温下搅拌反应20
‑
30h(优选24h)。然后，在60℃下减压蒸馏0.8
‑
1h，并在60℃下真空干燥20
‑
30h(优选24h)，获得最终产物tsn
4444
(或tsp
4444
)；就tsnn
4444
和tsnp
4444
而言，根据已经报道的方法，首先合成中间体4,5
‑
二磺酰氧基萘
‑
2,7
‑
二磺酸二钠盐。然后将中间体和四丁基溴化胺(或四丁基溴化磷)按照摩尔比为1:2加入去离子水中，室温下搅拌20
‑
30h(优选24h)。反应结束后，用二氯甲烷萃取反应液，再用去离子水洗涤有机层，重复2次以上，并用无水na2so4干燥，减压蒸馏下去除溶剂后，将目标离子液体在150℃下真空干燥20
‑
30h(优选24h)，获得最终产物tsnn
4444
(或tsnp
4444
)。
[0009]
本发明第三个目的在于提供上述离子液体化合物作为水基润滑添加剂的应用。尤其是，本发明提供了上述离子液体化合物作为水基润滑添加剂在降低水对摩擦基底腐蚀中的应用，以及提高水在钢/钢摩擦副上的极压承载能力中的应用。
[0010]
本发明人通过大量试验探索了水中添加多少该离子液体能够实现最佳摩擦学性能。结果显示该离子液体化合物作为水基润滑添加剂时的使用浓度可以为0.1
‑
3.0％(w/w，质量百分比)，该水基润滑添加剂的最佳添加浓度为0.5％(w/w，质量百分比)。另外，本发明提供的离子液体水基润滑添加剂可以在钢/钢、钢/铜和钢/铝等不同摩擦副上进行应用。
[0011]
与现有技术相比，本发明提供的离子液体水基润滑添加剂具有如下优点和显著进步性：
[0012]
(1)本发明所提供的离子液体水基润滑添加剂能够大幅度降低水对摩擦基底的腐蚀。
[0013]
(2)本发明中所提供的离子液体，特别是修饰后的离子液体水基润滑添加剂能够大幅度提高水在钢/钢，钢/铜和钢/铝摩擦副上的减摩抗磨性能。
[0014]
(3)本发明中修饰后的离子液体添加剂能够大幅度提高水在钢/钢摩擦副上的极压承载能力。
附图说明
[0015]
图1：本发明提供的四种离子液体的化合物结构示意图。
[0016]
图2：添加不同浓度tsnn
4444
的水溶液在钢/钢摩擦副上的平均摩擦系数折线图(a)以及平均磨损体积折线图(b)。
[0017]
图3：添加了0.5％的本发明四种离子液体的水溶液与对照样纯水在钢/钢摩擦副上的平均摩擦系数折线图(a)以及平均磨损体积折线图(b)。
[0018]
图4：添加了0.5％的本发明四种离子液体的水溶液与对照样纯水在钢/铜摩擦副上的平均摩擦系数折线图(a)以及平均磨损体积折线图(b)。
[0019]
图5：添加了0.5％的本发明四种离子液体的水溶液与对照样纯水在钢/铝摩擦副上的平均摩擦系数折线图(a)以及平均磨损体积折线图(b)。
[0020]
图6：添加了0.5％的本发明四种离子液体的水溶液与对照样纯水在钢/钢摩擦副上的最大载荷折线图(a)和变频平均摩擦系数折线图(b)。
[0021]
图7：添加了0.5％的本发明四种离子液体的水溶液与对照样纯水的铸铁条腐蚀试验结果图。
具体实施方式
[0022]
本发明提供了四种离子液体化合物，图1为这四种离子液体的化学结构。为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明保护范围的限定。
[0023]
需要说明的是，以下实施例中采用德国optimol公司生产的srv
‑
v微振动摩擦磨损试验机评价了所提供离子液体添加到纯水中所得到的水溶液的摩擦磨损性能，并与纯水的摩擦磨损性能进行比较。srv
‑
v微振动摩擦磨损试验机的摩擦副接触方式为球
‑
盘点接触，测试条件为：载荷100n，温度25℃，频率25hz，振幅1mm，实验时间30min；试验上试球为φ10mm的aisi52100钢球；下试样为φ24mm、厚度7.9mm的aisi 52100轴承钢、zqsn663铜和2024铝合金，硬度分别为850
‑
920hv,90
‑
120hv和140
‑
165hv；下试样的磨损体积由美国bruker公司生产的npflex三维光学轮廓仪测得。此外，采用英国生产的四球摩擦试验机(19900
‑
2)遵循国标方法gb/t 3142
‑
1982测定了所提供的离子液体添加到纯水中所得到的水溶液和纯水的最大无卡咬负荷(p
b
)和最大烧结负荷(p
d
)。采用德国optimol公司生产的srv
‑
v微振动摩擦磨损试验机测定了所提供的离子液体添加到纯水中所得到的水溶液和纯水在变载和变频条件下的摩擦学性能。变载测试在温度为25℃、频率为25hz、振幅为1mm的条件下以50n/2min的变载速率进行。变频测试则在载荷为100n、温度为25℃、振幅为1mm、时间为30min的条件下以10hz/6min的变频速率进行。最后，遵循国标方法gb 6144
‑
2010评价了所提供的离子液体添加到纯水中所得到的水溶液和纯水的腐蚀性能。
[0024]
实施例1：离子液体水基润滑添加剂tsn
4444
的制备及减摩抗磨性能研究
[0025]
首先，将变色酸与四丁基氢氧化胺按照摩尔比为1:2混合，室温下搅拌24h。然后，在60℃下减压蒸馏1h，并在60℃下真空干燥24h，获得离子液体水基润滑添加剂tsn
4444
。采用1h(400mhz)和
13
c(100mhz)核磁共振波谱(nmr)以及高分辨质谱(hrms)对该离子液体水基润滑添加剂的结构进行了表征。tsn
4444
的核磁数据如下:1h nmr(400mhz,d2o)δ(ppm):7.47(d,2h),6.72
‑
6.71(d,2h),3.01
‑
2.97(t,16h),1.50
‑
1.44(m,16h),1.26
‑
1.21(m,16h),
0.86
‑
0.82(t,24h),
13
c nmr(100mhz,d2o)δ(ppm):163.17,142.63,134.87,119.91,113.17,104.59,58.03,58.00,57.98,23.08,19.11,19.09,19.08,12.81.hrms:m/z(esi,positive ion)calc.242.2842,found 242.2852[c
16
h
36
n

],m/z(esi,negative ion)calc.158.9749,found 158.9783[c5h3o4s
‑
]。
[0026]
将该离子液体按照质量分数0.5％的比例加入到纯水中，测试所得水溶液在钢/钢、钢/铜和钢/铝摩擦副上的减摩(摩擦系数)抗磨(磨损体积)性能，并与纯水进行对比。测试结果表明：添加了tsn
4444
的水溶液作为钢/钢摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数(0.208)和磨损体积(1.04*10
‑3mm3)，明显小于对照样纯水的平均摩擦系数(0.357)和磨损体积(2.34*10
‑3mm3)；添加了tsn
4444
的水溶液作为钢/铜摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数(0.295)和磨损体积(2.07*10
‑2mm3)，远远小于对照样纯水的平均摩擦系数(0.578)和磨损体积(33.01*10
‑2mm3)；添加了tsn
4444
的水溶液作为钢/铝摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数(0.226)和磨损体积(3.63*10
‑2mm3)，明显小于对照样纯水的平均摩擦系数(0.437)和磨损体积(4.98*10
‑2mm3)。
[0027]
实施例2：离子液体水基润滑添加剂tsp
4444
的制备及减摩抗磨性能研究
[0028]
首先，将变色酸与四丁基氢氧化磷按照摩尔比为1:2混合，室温下搅拌24h。然后，在60℃下减压蒸馏1h，并在60℃下真空干燥24h，获得离子液体水基润滑添加剂tsp
4444
。采用1h(400mhz)和
13
c(100mhz)核磁共振波谱(nmr)以及高分辨质谱(hrms)对该离子液体水基润滑添加剂的结构进行了表征。tsp
4444
的核磁数据如下:1h nmr(400mhz,d2o)δ(ppm):7.40
‑
7.39(d,2h),6.65(d,2h),1.90
‑
1.88(t,16h),1.32
‑
1.26(m,32h),0.78
‑
0.75(t,24h),
13
c nmr(100mhz,d2o)δ(ppm):163.28,142.82,134.79,119.96,112.94,104.55,23.25,23.10,22.62,22.58,17.72,17.25,12.52.hrms:m/z(esi,positive ion)calc.259.2549,found 259.2550[c
16
h
36
p

],m/z(esi,negative ion)calc.158.9749,found 158.9764[c5h3o4s
‑
]。
[0029]
将该离子液体按照质量分数0.5％的比例加入到纯水中，测试所得水溶液在钢/钢、钢/铜和钢/铝摩擦副上的减摩(摩擦系数)抗磨(磨损体积)性能，并与纯水进行对比。测试结果表明：添加了tsp
4444
的水溶液作为钢/钢摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数(0.218)和磨损体积(1.14*10
‑3mm3)，明显小于对照样纯水的平均摩擦系数(0.357)和磨损体积(2.34*10
‑3mm3)；添加了tsp
4444
的水溶液作为钢/铜摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数(0.342)和磨损体积(1.07*10
‑2mm3)，远远小于对照样纯水的平均摩擦系数(0.578)和磨损体积(33.01*10
‑2mm3)；添加了tsp
4444
的水溶液作为钢/铝摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数(0.238)和磨损体积(2.35*10
‑2mm3)，明显小于对照样纯水的平均摩擦系数(0.437)和磨损体积(4.98*10
‑2mm3)。
[0030]
实施例3：离子液体水基润滑添加剂tsnn
4444
的制备及减摩抗磨性能研究
[0031]
根据已经报道的方法，首先合成中间体4,5
‑
二磺酰氧基萘
‑
2,7
‑
二磺酸二钠盐。然后将中间体和四丁基溴化胺按照摩尔比为1:2加入50ml去离子水中，室温下搅拌24h。反应结束后，用二氯甲烷(50ml
×
2)萃取反应液，再用去离子水(50ml
×
2)洗涤有机层，并用无水na2so4干燥，减压蒸馏下去除溶剂后，将目标离子液体在150℃下干燥24h，获得离子液体水基润滑添加剂tsnn
4444
。采用1h(400mhz)和
13
c(100mhz)核磁共振波谱(nmr)以及高分辨质谱(hrms)对该离子液体水基润滑添加剂的结构进行了表征。tsnn
4444
的核磁数据如下:1h nmr(400mhz,dmso)δ(ppm):8.06(d,2h),7.53
‑
7.51(d,4h),7.39
‑
7.38(d,2h),7.33
‑
7.31(d,
4h),3.15
‑
3.10(t,16h),2.33(s,6h),1.55
‑
1.51(m,16h),1.29
‑
1.24(m,16h),0.90
‑
0.87(t,24h),
13
c nmr(100mhz,dmso)δ(ppm):147.10,146.08,142.58,135.40,131.80,130.25,128.75,124.48,120.18,120.13,57.98,23.50,21.59,19.63,13.89.hrms:m/z(esi,positive ion)calc.242.2842,found 242.2851[c
16
h
36
n

],m/z(esi,negative ion)calc.312.9837,found 312.9840[c
12
h9o6s2‑
]。
[0032]
将该离子液体按照质量分数0.5％的比例加入到纯水中，测试所得水溶液在钢/钢、钢/铜和钢/铝摩擦副上的减摩(摩擦系数)抗磨(磨损体积)性能，并与纯水进行对比。测试结果表明：添加了tsnn
4444
的水溶液作为钢/钢摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数(0.117)和磨损体积(0.41*10
‑3mm3)，远远小于对照样纯水的平均摩擦系数(0.357)和磨损体积(2.34*10
‑3mm3)；添加了tsnn
4444
的水溶液作为钢/铜摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数(0.117)和磨损体积(2.47*10
‑2mm3)，远远小于对照样纯水的平均摩擦系数(0.578)和磨损体积(33.01*10
‑2mm3)；添加了tsnn
4444
的水溶液作为钢/铝摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数(0.114)和磨损体积(1.56*10
‑2mm3)，远远小于对照样纯水的平均摩擦系数(0.437)和磨损体积(4.98*10
‑2mm3)。
[0033]
实施例4：离子液体水基润滑添加剂tsnp
4444
的制备及减摩抗磨性能研究
[0034]
根据已经报道的方法，首先合成中间体4,5
‑
二磺酰氧基萘
‑
2,7
‑
二磺酸二钠盐。然后将中间体和四丁基溴化磷按照摩尔比为1:2加入50ml去离子水中，室温下搅拌24h。反应结束后，用二氯甲烷(50ml
×
2)萃取反应液，再用去离子水(50ml
×
2)洗涤有机层，并用无水na2so4干燥，减压蒸馏下去除溶剂后，将目标离子液体在150℃下干燥24h，获得离子液体水基润滑添加剂tsnp
4444
。采用1h(400mhz)和
13
c(100mhz)核磁共振波谱(nmr)以及高分辨质谱(hrms)对该离子液体水基润滑添加剂的结构进行了表征。tsnp
4444
的核磁数据如下:1hnmr(400mhz,dmso)δ(ppm):8.06(s,2h),7.53
‑
7.51(d,4h),7.39
‑
7.33(d,2h),7.31(s,4h),2.83(s,6h),2.16
‑
2.11(t,16h),1.41
‑
1.35(m,32h),0.88
‑
0.85(t,24h),
13
c nmr(100mhz,dmso)δ(ppm):147.10,146.07,142.60,135.39,131.81,130.24,128.74,124.426,120.19,120.13,55.33,23.85,23.69,23.09,23.05,21.58,18.01,17.54,13.66.hrms:m/z(esi,positive ion)calc.259.2549,found 259.2559[c
16
h
36
p

],m/z(esi,negative ion)calc.312.9837,found 312.9836[c
12
h9o6s2‑
]。
[0035]
将该离子液体按照质量分数0.5％的比例加入到纯水中，测试所得水溶液在钢/钢、钢/铜和钢/铝摩擦副上的减摩(摩擦系数)抗磨(磨损体积)性能，并与纯水进行对比。测试结果表明：添加了tsnp
4444
的水溶液作为钢/钢摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数(0.126)和磨损体积(0.55*10
‑3mm3)，远远小于对照样纯水的平均摩擦系数(0.357)和磨损体积(2.34*10
‑3mm3)；添加了tsnp
4444
的水溶液作为钢/铜摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数(0.219)和磨损体积(1.94*10
‑2mm3)，远远小于对照样纯水的平均摩擦系数(0.578)和磨损体积(33.01*10
‑2mm3)；添加了tsnp
4444
的水溶液作为钢/铝摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数(0.116)和磨损体积(1.55*10
‑2mm3)，远远小于对照样纯水的平均摩擦系数(0.437)和磨损体积(4.98*10
‑2mm3)。
[0036]
表1为添加不同浓度tsnn
4444
的水溶液作为钢/钢摩擦副的润滑剂的减摩(平均摩擦系数)抗磨性能(平均磨损体积)，图2为相应的平均摩擦系数折线图(a)以及平均磨损体积折线图(b)。从表1、图2中数据可以看出，添加极低浓度的tsnn
4444
(0.1％)就能显著改善
水的减摩抗磨性能，该添加剂的最佳添加浓度为0.5％。
[0037]
表1：tsnn
4444
在钢/钢摩擦副上不同浓度下水溶液的摩擦学性能
[0038]
浓度(wt％)平均摩擦系数平均磨损体积(*10
‑3mm3)00.3592.070.10.2070.770.50.1220.4210.1160.6420.1230.6430.1260.51
[0039]
表2、表3和表4为添加了0.5％的本发明所提供的离子液体的水溶液与对照样纯水作为钢/钢、钢/铜和钢/铝摩擦副的润滑剂的平均摩擦系数以及下试样磨斑的平均磨损体积。图3、4、5为相应的平均摩擦系数折线图(a)以及平均磨损体积折线图(b)。由表2、3、4及图3、4、5数据可知，无论是哪种摩擦副，本发明所提供的离子液体，特别是修饰后的离子液体均能显著提高水的减摩抗磨性能。
[0040]
表2：添加0.5％四种离子液体的水溶液与对照样纯水在钢/钢摩擦副上的摩擦对比
[0041]
样品平均摩擦系数平均磨损体积(*10
‑3mm3)纯水0.3572.340.5％tsn
4444
0.2081.040.5％tsp
4444
0.2181.140.5％tsnn
4444
0.1170.410.5％tsnp
4444
0.1260.55
[0042]
表3：添加0.5％四种离子液体的水溶液与纯水在钢/铜摩擦副上的摩擦对比
[0043]
样品平均摩擦系数平均磨损体积(*10
‑2mm3)纯水0.57833.010.5％tsn
4444
0.2952.070.5％tsp
4444
0.3421.270.5％tsnn
4444
0.1172.470.5％tsnp
4444
0.2191.94
[0044]
表4：添加0.5％四种离子液体的水溶液与纯水在钢/铝摩擦副上的摩擦对比
[0045]
样品平均摩擦系数平均磨损体积(*10
‑2mm3)纯水0.4374.980.5％tsn
4444
0.2263.630.5％tsp
4444
0.2382.350.5％tnsn
4444
0.1141.560.5％tsnp
4444
0.1161.55
[0046]
实施例5：本发明所提供离子液体水溶液作为钢/钢摩擦副润滑剂的极压承载性能试验研究
[0047]
采用四球摩擦试验机依照国标gb/t 3142
‑
1982所述方法测定了本发明所提供的离子液体水溶液的最大无卡咬负荷与最大烧结负荷。同时，采用srv
‑
v微振动摩擦磨损试验机测试了该水溶液在变载和变频条件下的摩擦学性能。采用以上数据表征本发明所提供的离子液体的极压承载性能。表5为添加了0.5％的本发明所提供的离子液体的水溶液与对照样纯水作为钢/钢摩擦副润滑剂的最大无卡咬负荷和最大烧结负荷，图6为添加了0.5％的本发明所提供的离子液体的水溶液与对照样纯水在钢/钢摩擦副上的最大载荷折线图(a)和变频平均摩擦系数折线图(b)。由表5、图6数据可知，本发明所提供的离子液体，特别是修饰后的离子液体可以显著提高水的极压承载能力。
[0048]
表5：添加0.5％四种离子液体的水溶液与纯水的最大无卡咬负荷和最大烧结负荷对比
[0049]
样品最大无卡咬负荷(n)最大烧结负荷(n)纯水983140.5％tsn
4444
19612350.5％tsp
4444
24512350.5％tsnn
4444
49012350.5％tsnp
4444
8331568
[0050]
实施例6：本发明所提供离子液体水溶液对铸铁条腐蚀的试验研究
[0051]
遵循国标gb 6144
‑
2010所述方法评价了本发明所提供的离子液体的腐蚀性。图7为添加了0.5％的本发明所提供的离子液体的四种水溶液与对照样纯水的铸铁条腐蚀试验结果，由图7可以看出，本发明所提供的离子液体，特别是修饰后的离子液体能大幅度降低水对摩擦基底的腐蚀。
[0052]
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。