專利名稱：離子液體潤(rùn)滑薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有納米厚度的離子液體潤(rùn)滑薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
自從1957年蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星以來，空間技術(shù)的發(fā)展取得了日新月異的發(fā)展。它已經(jīng)深刻的影響著人類社會(huì)進(jìn)步和生活的改善，其中衛(wèi)星通信、航天飛行器等在人類日常生活中和國(guó)防軍事上具有極其重要的意義。
在許多條件下，如宇航、衛(wèi)星設(shè)備、核設(shè)施、紡織、食品和電接觸等條件下必須采用固體潤(rùn)滑方法。使用較多的固體潤(rùn)滑劑是石墨、二硫化鉬和聚四氟乙烯等。固體潤(rùn)滑劑的存在可以有效地改善邊界潤(rùn)滑條件下摩擦副的摩擦磨損性能，而由有機(jī)化合物制備成的具有納米厚度的潤(rùn)滑層越來越得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用，皂鹽類有機(jī)潤(rùn)滑薄膜在氣浮軸承上已經(jīng)應(yīng)用，全氟聚醚作為潤(rùn)滑薄膜更多的使用在磁記錄工業(yè)中作為計(jì)算機(jī)硬盤潤(rùn)滑劑(US patent 112238)。目前，作為潤(rùn)滑油使用的全氟聚醚是得到廣泛應(yīng)用的空間機(jī)械潤(rùn)滑劑，但是全氟聚醚容易在摩擦過程中降解而且價(jià)格昂貴，在一定程度上限制了全氟聚醚的使用。文獻(xiàn)檢索證明空間潤(rùn)滑條件下相關(guān)潤(rùn)滑方式的使用及未來空間潤(rùn)滑的趨勢(shì)，US patent6278011，NASATM-106392，NASATM-105198，NASATM-104531。
近年來發(fā)現(xiàn)室溫離子液體具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，它具有良好的物理和化學(xué)特性，如高溫穩(wěn)定性，優(yōu)良的導(dǎo)電性，低揮發(fā)性，不可燃性，低熔點(diǎn)，很寬的液相范圍，與其他有機(jī)溶劑良好的互溶性。離子液體作為潤(rùn)滑油使用已經(jīng)證實(shí)具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，能夠大幅度降低滑動(dòng)過程中的摩擦系數(shù)，但是油的泄漏問題會(huì)對(duì)機(jī)械部件造成損害和污染，對(duì)于精密機(jī)械尤其是一個(gè)嚴(yán)重的問題。離子液體制成薄膜后能夠解決該問題同時(shí)大幅度降低對(duì)偶部件滑動(dòng)過程中的摩擦系數(shù)。利用室溫離子液體制備有機(jī)潤(rùn)滑薄膜作為邊界潤(rùn)滑層目前尚未見報(bào)道。在滑動(dòng)摩擦的過程中，離子液體形成的邊界潤(rùn)滑層能夠有效地分隔開摩擦副，從而降低磨損，保證了機(jī)械裝置運(yùn)行的平穩(wěn)和可靠性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種離子液體潤(rùn)滑薄膜的制備方法。
本發(fā)明的制備方法包括以下步驟a基底材料的選擇選擇潔凈的單晶硅片、玻璃、陶瓷、不銹鋼作為基底材料；b離子液體薄膜的制備將離子液體加入到二氯甲烷中配成溶液，溶液中離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05～0.5％，離子液體選自烷基烯丙基咪唑六氟磷酸鹽或者烷基羥乙基咪唑六氟磷酸鹽，利用勻膠機(jī)控制基底材料轉(zhuǎn)速為1000～5000rpm，采用旋涂法制備薄膜；c熱處理將涂覆于基底材料上的薄膜在90℃～120℃條件下熱處理1～3小時(shí)。
烷基烯丙基咪唑六氟磷酸鹽或者烷基羥乙基咪唑六氟磷酸鹽由通式(I)表示 其中R1代表-CH2CH2CH2CH3，R2代表-CH2CH2OH，或R1代表-CH2CH2CH2CH2CH2CH3，R2代表-CH2CH2OH，或R1代表-CH2CH2CH2CH3，R2代表-CH2CH＝CH2，或R1代表-CH2CH2CH2CH2CH2CH3，R代表-CH2CH＝CH2。
本發(fā)明所說的離子液體的制備是這樣實(shí)現(xiàn)的向乙醇鈉的乙醇溶液中加入咪唑和溴代烷烴回流反應(yīng)得到烷基咪唑。在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下向烷基咪唑中滴加氯乙醇，反應(yīng)回流后再用向其中滴加六氟磷酸銨水溶液得到烷基羥乙基咪唑六氟磷酸鹽。若向烷基咪唑中加入烯丙基溴進(jìn)行反應(yīng)，最后得到的離子液體為烷基烯丙基咪唑六氟磷酸鹽。
制取離子液體參考文獻(xiàn)P.Bonhote，A.Dias，N.Papageorgiou，K.Kalyanasundaram，M.Gratzel.Hydrophobic，highly conductive ambient-temperaturemolten salts.Inorg.Chem.，1996，35(5)1168-1178.
本發(fā)明制備的離子液體潤(rùn)滑薄膜，對(duì)于多種不同的材料作為摩擦副均有較好的摩擦學(xué)性能，在低載荷下具有很低的摩擦系數(shù)和較長(zhǎng)的耐磨壽命。
摩擦磨損測(cè)試方法如下摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)為日本協(xié)和株式會(huì)社生產(chǎn)的動(dòng)靜摩擦系數(shù)測(cè)定儀，滑動(dòng)速度為100mm·min-1～160mm·min-1，單向滑動(dòng)行程為9mm，法向載荷為0.5～3.0N。當(dāng)摩擦系數(shù)上升至0.4時(shí)認(rèn)為薄膜已經(jīng)失效，以此時(shí)所經(jīng)歷的滑動(dòng)循環(huán)次數(shù)表示薄膜的耐磨壽命。對(duì)偶件選用φ3GCr15鋼球和Si3N4陶瓷球。結(jié)果顯示涂覆于摩擦副表面的離子液體薄膜可以有效地降低摩擦系數(shù)，磨斑很小，具有良好的抗磨作用。在相對(duì)較低的載荷下，潤(rùn)滑薄膜的摩擦系數(shù)最低可以達(dá)到0.04，而耐磨壽命超過10000次。
選用美國(guó)CETR公司UMT-2MT微摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)試高速下薄膜的耐磨損性能，滑動(dòng)速度為720mm·min-1～14400mm·min-1，往復(fù)滑動(dòng)行程為6mm，法向載荷為0.1～1.0N。當(dāng)摩擦系數(shù)上升至0.4時(shí)認(rèn)為薄膜已經(jīng)失效，以此時(shí)所經(jīng)歷的滑動(dòng)時(shí)間表示薄膜的耐磨壽命，可以計(jì)算出對(duì)偶在薄膜上經(jīng)歷的滑動(dòng)次數(shù)。對(duì)偶件選用φ3GCr15鋼球。測(cè)試結(jié)果載荷為0.5N，滑動(dòng)速度為14400mm·min-1時(shí)，耐磨壽命超過43萬次。
本發(fā)明得到的潤(rùn)滑薄膜厚度為10～20nm，為解決苛刻條件下的邊界潤(rùn)滑和摩擦磨損問題提供了新的途徑。具體有望用于要求邊界潤(rùn)滑和要求潔凈的條件下，如氣浮軸承，微型機(jī)械，電接觸開關(guān)，微型機(jī)械等裝置中得到應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
為了更好地理解本發(fā)明現(xiàn)舉例加以說明。
實(shí)施例1羥基化單晶硅基底上離子液體薄膜的制備1、對(duì)單晶硅片進(jìn)行預(yù)處理，將單面拋光的單晶硅片在丙酮溶劑中超聲清洗15分鐘，高純氮?dú)獯蹈桑萌塍w積比為7∶3的濃H2SO4和30％H2O2溶液中，保持90℃反應(yīng)2小時(shí)，用蒸餾水超聲清洗。高純氮?dú)飧咚俅蹈?，得到潔凈的表面羥基化的單晶硅片。
2、配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2％的離子液體1-羥乙基-3-丁基咪唑六氟磷酸鹽的二氯甲烷溶液。利用勻膠機(jī)控制單晶硅片轉(zhuǎn)速為3000rpm，將含有離子液體的二氯甲烷溶液滴到單晶硅片上。
3、將樣品在大氣氣氛下，120℃條件下熱處理3小時(shí)左右。得到的薄膜的厚度為15nm左右。用掃描電子顯微鏡觀察可以看到薄膜表面非常均勻。
摩擦學(xué)性能對(duì)GCr15鋼球摩擦摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明載荷為0.5N～1.0N、滑動(dòng)速度為160mm·min-1時(shí)，薄膜的摩擦系數(shù)穩(wěn)定值為0.08～0.12，耐磨壽命超過5000次(此時(shí)的摩擦系數(shù)仍低于0.12)，經(jīng)歷了5000次滑動(dòng)之后薄膜的摩擦系數(shù)仍然相當(dāng)穩(wěn)定。鋼球在薄膜上經(jīng)歷5000次滑動(dòng)摩擦過程后磨斑處掃描電子顯微鏡照片顯示鋼球表面只有很小的磨斑，磨斑直徑小于50μm。而同樣條件下的鋼球在空白基底上滑動(dòng)100次之后表面的磨斑直徑就能夠超過100μm。在滑動(dòng)摩擦過程中離子液體薄膜對(duì)偶件的保護(hù)作用是相當(dāng)明顯的。
相對(duì)較低載荷下本發(fā)明所制備的薄膜具有優(yōu)良的潤(rùn)滑、抗磨性能，能夠摩擦副在較低負(fù)荷下潤(rùn)滑問題。
薄膜對(duì)Si3N4陶瓷球的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明0.5N～1.0N負(fù)荷下，薄膜的摩擦系數(shù)維持在0.06～0.09，耐磨壽命均大于3000次，說明薄膜在相對(duì)較低負(fù)荷下能夠適用于不同摩擦副材料。
滑動(dòng)速度在100mm·min-1～160mm·min-1范圍內(nèi)，相對(duì)滑動(dòng)速度提高能夠在一定程度上降低滑動(dòng)摩擦系數(shù)。
實(shí)施例2乙烯基化玻璃基底上離子液體薄膜的制備1、利用同實(shí)施例1步驟1的方法得到表面羥基化的玻璃片。
2、將經(jīng)過羥基化處理之后清潔玻璃片立即浸入體積分?jǐn)?shù)為0.2％的乙烯基三乙氧基硅烷的甲苯溶液中，70℃反應(yīng)24小時(shí)，得到端乙烯基自組裝修飾的玻璃片，用50ml二氯甲烷超聲清洗三次，除去未跟基底發(fā)生鍵合的乙烯基三乙氧基硅烷，高純氮?dú)獯蹈伞?br>
3、配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％的離子液體1-羥乙基-3-己基咪唑六氟磷酸鹽的二氯甲烷溶液，其他操作步驟同實(shí)施例1步驟2。
4、操作步驟同實(shí)施例1步驟3。
對(duì)GCr15鋼球摩擦摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明在載荷為0.5N～1.0N，滑動(dòng)速度為100mm·min-1～160mm·min-1時(shí)，該方法制備的離子液體薄膜的摩擦系數(shù)穩(wěn)定值為0.08～0.12，耐磨壽命最長(zhǎng)超過5000次。
薄膜對(duì)Si3N4陶瓷球的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明0.5N～1.0N負(fù)荷下，薄膜的摩擦系數(shù)維持在0.08～0.12，耐磨壽命均大于3000次，而且在滑動(dòng)摩擦過程中摩擦系數(shù)相當(dāng)穩(wěn)定。說明薄膜在相對(duì)較低負(fù)荷下能夠適用于不同摩擦副材料。
實(shí)施例3潔凈的氮化硅陶瓷基底上離子液體薄膜的制備1、取潔凈的氮化硅陶瓷塊作為基底材料。
2、配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％的離子液體1-烯丙基-3-丁基咪唑六氟磷酸鹽的二氯甲烷溶液，其他操作步驟同實(shí)施例1步驟2。
3、將樣品在大氣氣氛下，100℃條件下熱處理3小時(shí)左右。得到的薄膜的厚度為20nm左右。用掃描電子顯微鏡觀察可以看到薄膜表面非常均勻。
該種方法制備的離子液體薄膜在載荷為0.5N，速度為160mm·min-1時(shí)，對(duì)GCr15鋼球的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.06～0.10，耐磨壽命超過3000次。
實(shí)施例4潔凈的不銹鋼基底上離子液體薄膜的制備1、取潔凈的不銹鋼塊作為基底材料。
2、配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2％的離子液體1-烯丙基-3-己基咪唑六氟磷酸鹽的二氯甲烷溶液，其他操作步驟同實(shí)施例1步驟2。
3、操作步驟同實(shí)施例3步驟3。
該方法制備的離子液體薄膜載荷為0.5N，滑動(dòng)速度為160mm·min-1時(shí)，對(duì)GCr15鋼球的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.06～0.10，耐磨壽命超過3000次。
權(quán)利要求
1.一種離子液體潤(rùn)滑薄膜的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟a基底材料的選擇選擇潔凈的單晶硅片、玻璃、陶瓷、不銹鋼作為基底材料；b離子液體薄膜的制備將離子液體加入到二氯甲烷中配成溶液，溶液中離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05～0.5％，離子液體選自烷基烯丙基咪唑六氟磷酸鹽或者烷基羥乙基咪唑六氟磷酸鹽，利用勻膠機(jī)控制基底材料轉(zhuǎn)速為1000～5000rpm，采用旋涂法制備薄膜；c熱處理將涂覆于基底材料上的薄膜在90℃～120℃條件下熱處理1～3小時(shí)。
2.如權(quán)利要求1所說的方法，其特征在于烷基烯丙基咪唑六氟磷酸鹽或者烷基羥乙基咪唑六氟磷酸鹽由通式(I)表示 其中R1代表-CH2CH2CH2CH3，R2代表-CH2CH2OH，或R1代表-CH2CH2CH2CH2CH2CH3，R2代表-CH2CH2OH，或R1代表-CH2CH2CH2CH3，R2代表-CH2CH＝CH2，或R1代表-CH2CH2CH2CH2CH2CH3，R代表-CH2CH＝CH2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有機(jī)潤(rùn)滑薄膜一離子液體潤(rùn)滑薄膜的制備方法。具有納米厚度的離子液體潤(rùn)滑薄膜為解決苛刻條件下的邊界潤(rùn)滑和摩擦磨損問題提供了新的途徑。本發(fā)明利用離子液體為成膜材料，在清潔的基底材料上涂覆潤(rùn)滑薄膜。制備過程和方法簡(jiǎn)單，得到的有機(jī)潤(rùn)滑薄膜厚度為10～20nm，對(duì)于多種不同的材料作為摩擦副均具有較好的摩擦學(xué)性能，在低載荷下具有很低的摩擦系數(shù)和較長(zhǎng)的耐磨壽命。具有納米厚度的離子液體薄膜可望在氣浮軸承、電接觸開關(guān)、微型機(jī)械等裝置中得到應(yīng)用。
文檔編號(hào)C07F7/00GK1778878SQ20041009725
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者劉維民, 于波, 周峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所