Phosphonium-Organophosphate Ionic Liquids as Lubricant Additives: Effects of Cation Structure on Physicochemical and Tribological Characteristics

润滑油 离子液体 材料科学 烷基 溶解度 化学工程 粘度 有机化学 高分子化学 化学 复合材料 工程类 催化作用
作者
William Barnhill,Jun Qu,Huimin Luo,Harry M. Meyer,Cheng Ma,Miaofang Chi,B. L. Papke
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:6 (24): 22585-22593 被引量:187
标识
DOI:10.1021/am506702u
摘要

Our previous work suggested great potential for a phosphonium-organophosphate ionic liquid (IL) as an antiwear lubricant additive. In this study, a set of five ILs were carefully designed and synthesized, with identical organophosphate anions but dissimilar phosphonium cations, to allow systematic investigation of the effects of cation alkyl chain length and symmetry on physicochemical and tribological properties. Symmetric cations with shorter alkyl chains seem to increase the density and thermal stability due to closer packing. On the other hand, either higher cation symmetry or longer alkyl moieties induce a higher viscosity, though the viscosity index is dependent more on molecular mass than on symmetry. While a larger cation size generally increases an IL's solubility in nonpolar hydrocarbon oils, six-carbon seems to be the critical minimum alkyl chain length for high oil miscibility. Both the two ILs, that are mutually oil miscible, have demonstrated promising lubricating performance at 1.04% treat rate, though the symmetric-cation IL moderately outperformed the asymmetric-cation IL. Characterizations on the tribofilm formed by the best-performing symmetric-cation IL revealed the film thickness, nanostructure, and chemical composition. Results here provide fundamental insights for future molecular design in developing oil-soluble ILs as lubricant additives.
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