胆固醇衍生离子液体复合氮化硼纳米片作为减摩抗磨添加剂的性能研究

郑治文, 刘小龙, 于鸿翔, 陈海杰, 冯大鹏*, 乔 旦*

(1. 中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000;2. 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049)

在工业和机械制造领域，相对运动的机械零部件间会产生不可避免的摩擦和磨损，从而影响机械系统的正常运转，造成能源利用率低、设备服役可靠性差，形成安全隐患等[1]. 据统计，约有80%的机械零部件由于磨损而失效，由于摩擦损耗的能源高达约33%，严重的摩擦磨损问题甚至会造成可怕的灾难性事故[2-3].润滑油因其优异的润滑、减摩、抗磨、冷却、密封和防锈等性能被广泛应用在机械零部件间[4-6]. 然而，简单的基础油并不能满足苛刻条件下的润滑需求，需要使用不同类型的添加剂改善基础油的润滑性能[7-9].

离子液体(ILs)是一类由不同的阴离子和阳离子构成的室温熔融盐，具有不燃性、良好的热稳定性、化学稳定性、低挥发性和高电导率等特性[10]. 2001年，离子液体作为一类新型高效润滑剂被首次报道，此后，各种结构和功能的离子液体被广泛用作润滑剂或润滑油添加剂，在学术领域和实际应用方面都取得了重大进展[11-18]. 然而，传统的咪唑类离子液体因其含有卤素等有害元素，对环境有较大危害，且具有毒性和腐蚀性，限制了其广泛应用[19-20]. 随着绿色环保意识的逐渐加强，从天然产物出发，合成绿色可降解的新型离子液体，替代传统有毒离子液体作为润滑添加剂具有广阔的发展前景[21-22].

近年来，纳米材料作为一类新型材料被广泛应用于催化、光电和智能器件等领域[23]. 在摩擦方面，纳米材料也表现出无与伦比的优势，特别是二维层状材料，如氧化石墨烯、二硫化钼和六方氮化硼等，因其具有弱的层间相互作用，可以在摩擦过程中进入摩擦区域并吸附在摩擦副表面，通过层间滑移有效阻止摩擦副的直接接触，从而降低摩擦和磨损[24-28]. 然而，纳米材料的分散稳定性是其作为润滑油添加剂的主要限制因素[29-30]. 研究表明，离子液体和二维纳米材料复合作为润滑油添加剂表现出优异的润滑性能，然而，这方面的报道较少，且两者减摩抗磨作用机制尚不明确，润滑机理需进一步探究[31-32].

在本文中，利用天然胆固醇为前体，合成一种新型可生物降解的胆固醇胍盐离子液体[ColC4][TMG]，并通过机械-化学剥离法制备纳米尺寸的六方氮化硼纳米片(h-BNNS)，考察两种添加剂单独或复合后作为基础油添加剂的减摩抗磨性能. 通过比较，探究离子液体及h-BNNS在减摩抗磨方面的性能，揭示离子液体与二维纳米材料复配后的协同润滑机理.

1.1 试验材料

六方氮化硼(h-BN)粉末(宽度1 μm，98.5%)，胆固醇(Chol, 95%, AR)和四甲基胍(TMG，99%, AR)购自上海麦克林生化有限公司，丁二酸酐(＞98%, AR)、4-二甲氨基吡啶(DMAP，99%, AR)和吡啶(99%, AR)均购自上海萨恩化工科技有限公司，试验中所需的其他化学试剂购自天津科密欧化学试剂有限公司，并未进一步纯化处理.

1.2 六方氮化硼纳米片(h-BNNS)的制备

h-BNNS通过文献[28]报道的方法制备. 采用优化的球磨(QM-QX-2，MITR，China)工艺，将1.0 g h-BN粉末、50.0 mL N, N-二甲基甲酰胺(DMF)和150 g氧化锆球(Φ10/8/5 mm=50/50/50 g)添加到250 mL氧化锆小瓶中. 球磨转速设定为300 r/min，球磨过程持续10 h.当球磨结束时，将产物取出并超声24 h，之后在60 ℃下真空干燥24 h. 然后，将获得的粉末重新分散在乙醇中，以3 000 r/min转速离心分离，收集上清液并在60 ℃下再次真空干燥制备h-BNNS.

1.3 [ColC4][TMG]离子液体的制备

[ColC4][TMG]离子液体通过图1所示的合成路径制备. 首先，合成中间体Col-C4OOH：将1.55 g (15.5 mmol)丁二酸酐和5 g (12.9 mmol)胆固醇加入250 mL圆底烧瓶中，并加入50 mL CH2Cl2溶解，然后加入10 mL吡啶和50 mg DMAP，60 ℃下反应过夜，采用薄层色谱法(TLC)检测反应至完全. 冷却至室温，加入50 mL水，用CH2Cl2萃取3次. 合并有机相并用浓度为1 mol/L的HCl(3×50 mL)、水(3×50 mL)和80 mL饱和食盐水依次洗涤，最后用无水Na2SO4除水，浓缩并真空干燥，得到白色固体，收率为95%. [ColC4][TMG]的合成：将1.5 g中间体Col-C4OOH (3.08 mmol)溶解于30 mL CH2Cl2中，加入0.35 g (3.08 mmol) TMG. 室温下快速搅拌3 h，浓缩后过滤并用水洗涤，真空干燥，得到淡黄色固体，收率为94%.

Fig. 1 The synthesis path of ionic liquid [ColC4][TMG]图1 [ColC4][TMG]离子液体的合成路径

1.4 摩擦测试样品的制备

以PEG 200作为基础油，以[ColC4][TMG]和h-BNNS作为减摩抗磨添加剂，制备测试所需的样品. 具体操作如下：在含有10 g PEG 200的样品瓶里分别添加质量分数为0.1%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的[ColC4][TMG](后文中如无特殊说明，均为质量分数)，在80 ℃真空烘箱中加热，使IL完全溶解，并在室温下超声分散1 h，使其均匀混合，其中添加1.5%离子液体的样品标记为P-IL. 在含有10 g PEG 200的样品瓶中加入100 mg制备的h-BNNS (0.1%)，超声分散1 h，标记为P-BNNS.在溶解有1.5% IL (P-IL)的样品瓶中分别加入10、50、100、150和200 mg (0.01%、0.05%、0.10%、0.15%和0.20%)制备的h-BNNS，超声分散1 h，使其均匀混合，其中添加0.1% h-BNNS的样品标记为P-IL@BNNS.

1.5 摩擦磨损试验

使用多功能摩擦磨损试验机(MS-M9000)测量并评价上述几种润滑剂样品的摩擦学性能，采用球-盘点接触方式，试验中使用GCr15钢球(Φ6 mm)和GCr15钢块(Φ24 mm，厚度7.9 mm)，钢球和钢块的硬度均为59~61 HRC. 测试条件为载荷200 N，频率20 Hz，振幅1 mm，时间30 min，室温且环境湿度为30~50% RH. 摩擦试验至少重复两次以减小误差. 试验后钢球和钢块用乙醇和石油醚清洗干净，用于表征磨痕.

1.6 试验仪器

使用JEM 2100F型高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和EMPYREAN型X射线衍射光电子能谱仪(XRD)表征剥离后的h-BNNS结构. 使用Thermo Fisher Scientific型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)表征IL和h-BNNS的化学键种类. 使用Bruker Avance III 400 MHz Spectrometer型核磁仪(NMR)和Bruker micro TOF Q Ⅱ型高分辨质谱仪(HRMS)确定IL结构. 使用STA449F3型热重分析仪(TG)分析润滑剂样品的热稳定性能. 使用SVM3000运动黏度测试仪确定润滑剂样品的运动黏度和黏度指数. 使用XDS-0745D光学显微镜测量钢球磨斑直径，使用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)和MicroXAM-800型非接触表面形貌轮廓仪(3D profiler)测量钢块表面磨斑形貌和磨损体积，并用PHI-5000型X射线光电子能谱仪(XPS)分析钢块磨斑表面的化学元素.

2.1 h-BNNS的结构表征

图2所示为剥离后六方氮化硼纳米片(h-BNNS)的结构特征，在球磨过程中加入极性溶剂DMF，利用化学剥离和机械剪切力的协同作用获得更小尺寸且均一的h-BNNS. 图2(a)所示为BNNS的TEM照片，可以看出剥离后h-BNNS的尺寸大致为70~80 nm. HRTEM结果表明，制备的BNNS有完整的晶格结构，晶格间距为0.25 nm，对应于六方氮化硼的(100)晶面，说明化学-机械剥离过程并未破坏BN的晶体结构. 图2(d)所示为h-BNNS的红外谱图，3 450 cm-1处的吸收峰对应于吸附的羟基官能团，1 385和783 cm-1处的吸收峰分别对应于B-N 面内伸缩振动和B-N-B面外弯曲振动[33].图2(e)所示为h-BN粉末和h-BNNS的XRD谱图，可以看出剥离后h-BNNS的(002)峰发生轻微的蓝移，且半峰宽(FWHM)增大，说明h-BNNS的尺寸变小. 这些结果表明，化学-机械剥离成功制备具有更小尺寸且均一的h-BNNS，这有助于二维材料在基础油里的均匀分散和在摩擦界面的填充.

2.2 [ColC4][TMG]和测试样品分析

离子液体[ColC4][TMG]的结构通过NMR和HRMS确定. 图3(a)所示为[ColC4][TMG]的氢核磁谱图，表明

Fig. 2 (a) TEM micrograph, (b, c) HRTEM micrographs and (d) FTIR spectrum of h-BNNS.(e) XRD patterns of h-BN powder and h-BNNS图2 (a) h-BNNS形貌的TEM照片，(b, c) h-BNNS形貌的HRTEM照片，(d) h-BNNS的FTIR谱图和(e) h-BN粉末和h-BNNS的XRD谱图

Fig. 3 (a) 1H NMR and (b) FTIR spectrum of IL [ColC4][TMG], (c) the optical pictures of fresh and stewing 3 days of PEG200, P-BNNS, P-IL and P-IL@BNNS and (d) TG curve of the friction test samples图3 离子液体[ColC4][TMG]的(a) 1H NMR谱图和(b)FTIR谱图，(c)新配制和静置3 d后摩擦测试样PEG 200, P-BNNS，P-IL和P-IL@BNNS的光学照片和(d)摩擦测试样的热重曲线

胆固醇衍生的离子液体通过图1所示的合成路径被成功制备. 其结构特征如下：1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ 7.82 (s, 2H), 5.32~5.17 (m, 1H), 4.58~4.35 (m, 1H),2.86 (s, 12H), 2.43 (t,J=6.9 Hz, 2H), 2.34 (t,J=6.9 Hz,2H), 2.18 (d,J=7.6 Hz, 2H), 1.98~1.79 (m, 2H), 1.79~1.66 (m, 3H), 1.58~1.11 (m, 12H), 1.13~0.96 (m, 6H),0.90 (s, 6H), 0.80 (d,J=6.4 Hz, 3H), 0.78~0.73 (m, 6H),0.57 (s, 3H).13C NMR (101 MHz, CDCl3) δ 177.4, 173.4,162.4, 139.8, 122.2, 73.4, 56.6, 56.1, 50.0, 42.2, 39.5, 38.1,37.0, 36.5, 36.1, 35.7, 32.7, 31.8, 31.4, 28.1, 27.9 27.7,24.2, 23.8, 22.7, 22.5, 21.0, 19.2, 18.6, 11.8. HRMS (ESI):cation, m/z calculated for116.118 2，found 116.119 1；
anion, m/z calculated for C31H49O4-485.365 2，found 485.364 8. 图3(b)所示为[ColC4][TMG]的FTIR谱图，3 400 cm-1处的吸收峰归属于氨基，2 940和1 420 cm-1处的吸收峰归属于甲基和亚甲基，1 731和1 161 cm-1处的吸收峰对应于羰基或酯基，而1 606和1 567 cm-1处的吸收峰分别归属于-COO-和

图3(c)所示为BNNS和IL添加剂在PEG 200中的分散和溶解状态，可以看出h-BNNS在基础油中有很好的分散性，这主要归因于h-BNNS小而均一的尺寸，然而过高浓度的h-BNNS会在瓶底出现大量沉淀，不利于二维材料的分散. 样品静置3 d后，P-BNNS瓶底出现大量氮化硼颗粒沉淀，而P-IL@BNNS几乎没有沉淀. 同样，低浓度(质量分数小于1.5%)的[ColC4][TMG]在PEG 200中能完全溶解形成均一透明的溶液，当IL添加剂质量分数大于2%时，加热至80 ℃时IL完全溶解，然而冷却至室温时析出大量淡黄色絮状固体，使润滑剂浑浊，说明胆固醇基离子液体在基础油中有一定的溶解度. 通过超声分散，使IL和h-BNNS通过分子间相互作用和静电作用复合，复合后的溶液有很好的分散性和稳定性，这主要是因为h-BNNS在剥离过程中，表面悬键会被氧化，引入羟基或酰胺基官能团，离子液体的烷基链会接枝到h-BNNS表面，使其复合后在润滑剂里的分散性和稳定性增强[29]. 图3(d)所示为四种润滑样品的热稳定性曲线，结果表明，加入添加剂后样品的热稳定性轻微下降，由表1所列数据可知，加入IL后，样品分解温度轻微降低，主要是因为四甲基胍离子液体的热稳定性较差[17]，而加入h-BNNS后，70 ℃开始出现质量损失，主要是因为h-BNNS表面和层间吸附大量水分子[25]. 尽管如此，这四种润滑剂样品的分解温度均在200 ℃左右，均满足常规润滑剂的需求.

表1 四种摩擦测试样品PEG 200、P-BNNS、P-IL和P-IL@BNNS的分解温度、运动黏度和黏度指数Table 1 The decomposition temperature, kinematic viscosities and viscosity index of four friction test samples PEG 200, P-BNNS, P-ILand P-IL@BNNS.

表1列出了四种润滑剂样品在不同温度下的运动黏度和黏度指数，结果表明在室温(25 ℃)下，P-IL@BNNS具有最高的运动黏度，高温下基础油PEG 200具有最高的运动黏度. 四种润滑剂的黏度指数在50~79之间，说明其均属于中黏度指数润滑油，然而加入添加剂后，润滑剂的黏度指数降低，其中加入h-BNNS后黏度指数降低明显，而加入IL后黏度指数轻微降低，这主要是因为h-BNNS表面存在的羟基或酰胺基官能团会影响PEG 200分子间氢键相互作用，使黏度指数降低[30]，说明添加剂会轻微影响PEG 200的黏温性能，这与热稳定性能结果一致.

2.3 摩擦磨损性能测试

2.3.1 添加剂种类的影响

首先考察了PEG 200基础油以及P-BNNS、P-IL和P-IL@BNNS润滑剂样品的摩擦性能. 如图4(a)所示，在高载荷下(200 N，对应的赫兹接触应力为38.3 GPa)，PEG 200的摩擦系数在开始后极短的时间内升高至0.12，直至测试结束. 当使用0.1% h-BNNS作为添加剂时，初始摩擦系数在0.04左右，且存在一定的波动，试验至12 min时摩擦系数突增为0.11且保持稳定直至测试结束，说明h-BNNS有一定的减摩性能. 当仅添加1.5% IL作为添加剂时，在前13 min试验时摩擦系数在0.04左右出现轻微的波动，此后摩擦系数平稳至测试结束，说明制备的离子液体有显著的减摩性能. 将IL与h-BNNS作为复合添加剂时，由于跑合期的作用，摩擦系数在初始的2 min内出现波动，之后平稳在0.04左右直至测试结束，说明IL与h-BNNS的协同作用使摩擦状态更平稳，表现出优异的减摩性能，摩擦系数相对于空白基础油降低67%.

使用四种不同润滑剂后下试钢块的磨损体积和磨损率如图4(b)所示，结果表明，添加h-BNNS、IL和IL@BNNS后，磨损体积相较于PEG 200分别降低19%、65%和77%. PEG 200的磨损率为21.4 μm3/(N·m)，当使用IL@BNNS作为添加剂后，磨损率降低至5.2 μm3/(N·m). 因此，IL与h-BNNS的协同作用也表现出优异的抗磨性能.

Fig. 4 (a) The evolution of friction coefficient with time lubricated by PEG 200, P-BNNS, P-IL and P-IL@BNNS on steel/steel friction pair, (b) corresponding wear volume and wear rate of the lower test disk (test conditions: 200 N, 1 mm, 20 Hz, 30 min, 25±3 ℃)图4 (a)PEG 200，P-BNNS，P-IL和P-IL@BNNS作为润滑剂时，钢/钢摩擦副的摩擦系数随时间变化曲线，(b)下试钢块的磨损体积和磨损率(试验条件：200 N, 1 mm, 20 Hz, 30 min, 25±3 ℃)

为了分析不同添加剂对摩擦界面的影响，通过光学显微镜和三维轮廓仪对上试球和下试盘的磨斑进行分析，结果如图5所示. 从图5(a~d)可以看出，基础油的磨斑直径(WSD)最大，为0.394 mm，且磨斑表面存在严重的刮擦和较深的犁沟. 加入h-BNNS添加剂后，磨斑直径轻微减小，但表面依旧存在较深的犁沟. 加入IL添加剂后，磨斑直径降低至0.300 mm，磨损表面较为平整光滑，这可能是因为IL在金属表面的吸附作用形成性能优异的边界润滑膜，阻止了摩擦副的直接接触，从而实现低的摩擦和磨损. 当使用P-IL@BNNS作为添加剂时，磨斑直径轻微增大，然而磨斑更加平整光滑，这是由于h-BNNS在摩擦过程中充当抛光剂，同时会作为表面修复剂填充在表面的犁沟中，使磨斑平整光亮. 从图5(e~h)的三维轮廓图可以直观地看出，加入添加剂后，磨痕的三维形态得到极大的改善. 图5(i)所示为对应的二维剖面曲线，可以看出使用PEG 200时的磨痕深度达到3.5 μm，加入h-BNNS后，磨痕深度降低至2.2 μm，且存在多道犁沟. 使用IL时，存在1条磨痕深度为1 μm的犁沟，当使用IL@BNNS时，磨斑浅而光滑，磨痕深度只有0.5 μm，磨痕深度较基础油降低86%.

2.3.2 添加剂浓度的影响

图6所示为不同IL和h-BNNS浓度对摩擦性能的影响. 当IL添加浓度较低，如质量百分浓度为0.1%和0.5%时，前期摩擦系数在0.04左右，且出现较大的波动，摩擦试验进行至8 min左右时突变到0.12，这是因为IL浓度较低，不能维持长期的减摩性能. 当增大IL质量百分浓度至1%和2%时，在整个试验周期内摩擦系数能够维持在0.04. 从图6(b)和图4(b)可以看出，当使用纯PEG200作为润滑剂时，磨损率为21.44 μm3/(N·m)，当IL添加剂质量百分浓度分别为0.1%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%时，磨损率分别为17.34、15.25、10.81、7.73和13.04 μm3/(N·m)，磨损率较PEG 200分别降低19%、29%、49%、64%和39%，说明最优的IL质量百分浓度为1.5%. 浓度过高时磨损体积反而升高，这是因为胆固醇基离子液体在高浓度下会析出，使润滑剂分层，降低其抗磨性能. 在最优的IL添加量下，复合不同浓度的h-BNNS，考察混合油样的摩擦学性能，结果如图6(c~d)所示. 在所有浓度下，摩擦系数在前4 min出现明显的波动，之后稳定在0.04至测试结束.可以看出，随着h-BNNS浓度增大，磨损体积和磨损率降低，添加质量百分浓度为0.1%时磨损体积最低. 然而h-BNNS浓度较大时，磨损体积反而增大，这可能是因为过量的h-BNNS在基础油中不能均匀分散，从而发生团聚，形成大颗粒团簇，这些团簇类似于磨粒造成磨粒磨损，使磨损体积增大. 以上结果说明，离子液体和h-BNNS添加剂浓度存在最优值，在最优浓度以外，添加剂的减摩抗磨性能会变差.

Fig. 5 (a~d) Wear scar diameter of steel ball wear scar, (e~h) 3D morphology of steel disk of wear scar and (i)corresponding 2D profile of PEG 200, P-BNNS, P-IL and P-IL@BNNS as additives,图5 PEG 200以及P-BNNS、P-IL和P-IL@BNNS作为添加剂时的磨损情况：(a~d)上试钢球磨痕的磨斑直径；
(e~h)下试钢块磨痕的三维形貌；
(i)下试钢块磨痕的二维剖面图

Fig. 6 (a, c) The curves of friction coefficient with time for different IL and BNNS content; (b, d) Corresponding wear volume and wear rate of the lower test disk (test conditions: 200 N, 1 mm, 20 Hz, 30 min, 25±3 ℃)图6 (a, c)不同IL和h-BNNS浓度时摩擦系数随时间变化的曲线；
(b, d)下试块对应的磨损体积和磨损率(试验条件：200 N，1 mm，20 Hz，30 min，25±3 ℃)

图7所示为添加不同IL和BNNS浓度后钢块表面磨痕的SEM和HRSEM照片. 从图7(ai~di)可以看出，当IL浓度较低，如质量浓度百分比为0.1%和0.5%时，磨痕表面出现大量刮擦和犁沟，说明磨损方式主要是磨粒磨损和黏着磨损. 当IL质量浓度百分比增大至1.0%和1.5%时，磨痕表面较为平整光滑，磨斑表面只出现少量的剥落，说明添加适量的IL能够明显改善基础油的磨损特性. 然而，当IL质量浓度百分比增大到2.0%时，磨痕表面又出现少量的犁沟，这是因为IL在基础油中的溶解度有限，这与动态摩擦的数据相符. 在最优IL浓度下，添加不同浓度h-BNNS后，磨痕形貌如图7(e~h)所示，结果表明，在较低h-BNNS浓度下，磨痕表面呈现出少量的剥落，在较高浓度下，磨痕表面更为平整，这归因于h-BNNS的表面抛光作用和自修复作用.

为了更加直观地比较不同添加剂浓度下磨痕表面轮廓的变化趋势，钢块表面磨痕的2D剖面曲线如图8所示. 当仅加入IL时，磨痕深度达到2~3 μm，且表面出现多道尖锐的犁沟，表明仅加入IL添加剂时依旧以磨粒磨损为主，这与SEM结果相吻合. 当加入IL@BNNS后[图8(b)]，磨痕的表面轮廓明显改善，这主要是因为极性IL能够吸附在金属表面，形成致密且较厚的吸附膜，能阻止金属摩擦副间的直接接触，从而降低摩擦磨损，此外h-BNNS对接触界面有抛光和自修复作用.但是h-BNNS浓度较低(质量浓度百分比0.01%)和较高(质量浓度百分比0.20%)时，磨痕表面依旧存在犁沟，磨痕深度达到1.5 μm，这可能是因为低浓度时，h-BNNS不足以抛光和修复严重磨损的表面，而在高浓度下，h-BNNS出现团聚形成大颗粒，破坏了纳米结构特性，降低了抗磨性能.

2.4 磨斑表面化学成分分析

Fig. 7 SEM and HRSEM micrographs of wear scars of steel disks: (a~d) and (ai~di) different IL concentrations (0.1%,0.5%, 1.0% and 2.0%), (e~h) and (ei~hi) different h-BNNS concentrations (0.01%, 0.05% , 0.15% and 0.20%)图7 钢块磨痕表面形貌的SEM和HRSEM照片: (a~d)和(ai~di)为不同IL浓度(0.1%，0.5%，1.0%和2.0%), (e~h)和(ei~hi)为不同h-BNNS浓度(0.01%，0.05%，0.15%和0.20%)

Fig. 8 2D profile curves of wear scars of steel disks: (a) different IL concentrations; (b) different h-BNNS concentrations图8 钢块磨痕的二维剖面图：(a)不同IL浓度；
(b)不同h-BNNS浓度

为了进一步探究胆固醇衍生的IL和二维h-BNNS及其复合物作为添加剂的减摩抗磨机理，通过XPS对使用基础油及加入不同添加剂之后磨斑表面的化学成分进行分析，结果如图9所示. 图9(a)所示为使用四种不同润滑剂时磨痕表面的C 1s谱图，结果表明，4个样品的磨痕表面都能探测到284.6、285.4和288.3 eV处的特征峰，分别对应于表面吸附碳C-C、C-O和COO-键的结合能，而使用IL@BNNS添加剂时出现286.3 eV的峰，对应于C=O键. N 1s在399.7 eV的特征峰对应于胺类化合物，而使用h-BNNS作为添加剂时出现于400.1 eV的峰，归属于表面填充的h-BN[16,33]. 对于O 1s谱图，在531.4 eV处存在特征峰，结合Fe 2p在723.6、711.0和709.8 eV的峰，能对应于铁氧化物，如Fe2O3、Fe(OH)O和Fe3O4. 而O 1s在529.5 eV的峰对应于碳氧化物，说明摩擦膜主要由铁氧化物和氮氧化物组成. 使用IL作为添加剂时，O 1s在532.9 eV处的峰，结合Fe 2p在707.1 eV处的峰，能够归属于氮铁化物[17]，表明IL能够参与到摩擦化学反应中形成摩擦膜. 使用IL@BNNS时，出现于530.0 eV的O 1s峰，归属于BO键，表明h-BNNS在摩擦过程中能够填充在磨痕表面犁沟中，修复表面.

2.5 减摩抗磨机理

Fig. 9 XPS spectrum of wear scars surface lubricated by PEG 200, P-BNNS, P-IL and P-IL@BNNS as additives图9 PEG 200、P-BNNS、P-IL和P-IL@BNNS作为润滑剂时磨斑表面的XPS谱图

由摩擦磨损试验结果可知，胆固醇衍生胍盐离子液体复合h-BNNS作为润滑油添加剂表现出优异的减摩抗磨性能，通过对接触表面磨斑形貌和元素成分分析，离子液体复合二维纳米材料的润滑机理被揭示，示意图如图10所示. 由于摩擦副间的高速相对运动，基础油(PEG 200)不能形成稳定的润滑油膜，摩擦过程中摩擦副直接接触造成严重的磨损和较高的摩擦系数. 对于使用IL@BNNS添加剂的润滑体系，极性离子液体的阴离子和阳离子能够通过静电作用和分子间相互作用吸附在摩擦副表面形成厚而稳定的润滑膜，降低了液体分子间的剪切作用，同时活性氮元素与金属基底发生摩擦化学反应形成具有优异抗磨性能的反应膜，能够有效降低磨损[34]. 此外，均匀分散的h-BNNS能够填充在接触表面，由于h-BNNS层间弱的相互作用，片层结构发生滑移，能够抛光磨损表面，且纳米级的氮化硼颗粒能够填充在磨损表面的犁沟中，修复严重磨损的表面，获得光滑平整的磨损表面，使润滑膜更加稳定，从而进一步降低摩擦和磨损[35].

a. 以天然胆固醇为原料，设计合成了一种新型胆固醇基胍盐离子液体[ColC4][TMG]. 此外，通过机械-化学剥离法获得纳米尺度的六方氮化硼纳米片(h-BNNS)，并对其结构进行表征. 结果表明离子液体被成功制备，且h-BNNS的尺寸范围在70~100 nm，具有完整的晶格结构.

b. 将IL、h-BNNS和IL@BNNS分别作为基础油添加剂，考察其理化性能和摩擦学性能. 表明仅添加质量百分浓度为1.5%的IL时，摩擦系数和磨损体积分别降低67%和65%. 而仅添加h-BNNS时，摩擦学性能改善不大. 当使用IL@BNNS时，磨损体积降低77%.

c. 通过磨斑形貌和表面元素分析，对胆固醇离子液体复合氮化硼纳米片作为添加剂的减摩抗磨机理进行了研究. 结果表明IL通过静电作用和分子间相互作用在摩擦副表面吸附形成润滑膜，降低液体分子间的剪切作用，且会与基底发生摩擦化学反应形成摩擦膜，从而降低摩擦磨损. 而具有弱层间相互作用的二维h-BNNS通过抛光作用和表面自修复作用明显改善磨斑表面的平整度，从而使润滑膜更加稳定，从而进一步降低磨损.

Fig. 10 Schematic diagram of the synergistic anti-friction and anti-wear mechanism of IL@BNNS.图10 离子液体复合氮化硼纳米片的协同减摩抗磨机理示意图

猜你喜欢 磨痕基础油添加剂 完全滑移区690TT合金管微动磨损特性研究天津大学学报(自然科学与工程技术版)(2022年9期)2022-07-04微孔发泡材料外底耐磨性能关键点分析皮革与化工(2021年6期)2022-01-05Seeking UNESCO"s recognition for the baguette疯狂英语·新悦读(2021年10期)2021-11-23预防和控制食品添加剂对食品安全的影响食品安全导刊(2021年20期)2021-08-30茂名石化成功试产高黏度指数HVIⅢ + 4 cst 润滑油基础油润滑油(2019年1期)2019-11-29供应过剩致润滑油基础油利润下滑润滑油(2019年6期)2019-11-29欧洲基础油市场格局生变润滑油(2018年5期)2018-11-29减少GDX2包装机组“磨痕”烟包的数量山东工业技术(2018年13期)2018-08-20从轮胎磨痕准确判断装备轮胎损伤中华建设科技(2016年6期)2016-08-13发动机润滑油（三）汽车维修技师(2016年2期)2016-02-10 相关热词搜索：胆固醇，衍生，添加剂，