专利名称：离子液体润滑薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有纳米厚度的离子液体润滑薄膜的制备方法。
背景技术：
自从1957年苏联发射了第一颗人造地球卫星以来，空间技术的发展取得了日新月异的发展。它已经深刻的影响着人类社会进步和生活的改善，其中卫星通信、航天飞行器等在人类日常生活中和国防军事上具有极其重要的意义。
在许多条件下，如宇航、卫星设备、核设施、纺织、食品和电接触等条件下必须采用固体润滑方法。使用较多的固体润滑剂是石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯等。固体润滑剂的存在可以有效地改善边界润滑条件下摩擦副的摩擦磨损性能，而由有机化合物制备成的具有纳米厚度的润滑层越来越得到了广泛的实际应用，皂盐类有机润滑薄膜在气浮轴承上已经应用，全氟聚醚作为润滑薄膜更多的使用在磁记录工业中作为计算机硬盘润滑剂(US patent 112238)。目前，作为润滑油使用的全氟聚醚是得到广泛应用的空间机械润滑剂，但是全氟聚醚容易在摩擦过程中降解而且价格昂贵，在一定程度上限制了全氟聚醚的使用。文献检索证明空间润滑条件下相关润滑方式的使用及未来空间润滑的趋势，US patent6278011，NASATM-106392，NASATM-105198，NASATM-104531。
近年来发现室温离子液体具有优异的摩擦学性能，它具有良好的物理和化学特性，如高温稳定性，优良的导电性，低挥发性，不可燃性，低熔点，很宽的液相范围，与其他有机溶剂良好的互溶性。离子液体作为润滑油使用已经证实具有优异的摩擦学性能，能够大幅度降低滑动过程中的摩擦系数，但是油的泄漏问题会对机械部件造成损害和污染，对于精密机械尤其是一个严重的问题。离子液体制成薄膜后能够解决该问题同时大幅度降低对偶部件滑动过程中的摩擦系数。利用室温离子液体制备有机润滑薄膜作为边界润滑层目前尚未见报道。在滑动摩擦的过程中，离子液体形成的边界润滑层能够有效地分隔开摩擦副，从而降低磨损，保证了机械装置运行的平稳和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种离子液体润滑薄膜的制备方法。
本发明的制备方法包括以下步骤a基底材料的选择选择洁净的单晶硅片、玻璃、陶瓷、不锈钢作为基底材料；b离子液体薄膜的制备将离子液体加入到二氯甲烷中配成溶液，溶液中离子液体质量分数为0.05～0.5％，离子液体选自烷基烯丙基咪唑六氟磷酸盐或者烷基羟乙基咪唑六氟磷酸盐，利用匀胶机控制基底材料转速为1000～5000rpm，采用旋涂法制备薄膜；c热处理将涂覆于基底材料上的薄膜在90℃～120℃条件下热处理1～3小时。
烷基烯丙基咪唑六氟磷酸盐或者烷基羟乙基咪唑六氟磷酸盐由通式(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。
本发明所说的离子液体的制备是这样实现的向乙醇钠的乙醇溶液中加入咪唑和溴代烷烃回流反应得到烷基咪唑。在氮气的保护下向烷基咪唑中滴加氯乙醇，反应回流后再用向其中滴加六氟磷酸铵水溶液得到烷基羟乙基咪唑六氟磷酸盐。若向烷基咪唑中加入烯丙基溴进行反应，最后得到的离子液体为烷基烯丙基咪唑六氟磷酸盐。
制取离子液体参考文献P.Bonhote，A.Dias，N.Papageorgiou，K.Kalyanasundaram，M.Gratzel.Hydrophobic，highly conductive ambient-temperaturemolten salts.Inorg.Chem.，1996，35(5)1168-1178.
本发明制备的离子液体润滑薄膜，对于多种不同的材料作为摩擦副均有较好的摩擦学性能，在低载荷下具有很低的摩擦系数和较长的耐磨寿命。
摩擦磨损测试方法如下摩擦磨损试验机为日本协和株式会社生产的动静摩擦系数测定仪，滑动速度为100mm·min-1～160mm·min-1，单向滑动行程为9mm，法向载荷为0.5～3.0N。当摩擦系数上升至0.4时认为薄膜已经失效，以此时所经历的滑动循环次数表示薄膜的耐磨寿命。对偶件选用φ3GCr15钢球和Si3N4陶瓷球。结果显示涂覆于摩擦副表面的离子液体薄膜可以有效地降低摩擦系数，磨斑很小，具有良好的抗磨作用。在相对较低的载荷下，润滑薄膜的摩擦系数最低可以达到0.04，而耐磨寿命超过10000次。
选用美国CETR公司UMT-2MT微摩擦试验机测试高速下薄膜的耐磨损性能，滑动速度为720mm·min-1～14400mm·min-1，往复滑动行程为6mm，法向载荷为0.1～1.0N。当摩擦系数上升至0.4时认为薄膜已经失效，以此时所经历的滑动时间表示薄膜的耐磨寿命，可以计算出对偶在薄膜上经历的滑动次数。对偶件选用φ3GCr15钢球。测试结果载荷为0.5N，滑动速度为14400mm·min-1时，耐磨寿命超过43万次。
本发明得到的润滑薄膜厚度为10～20nm，为解决苛刻条件下的边界润滑和摩擦磨损问题提供了新的途径。具体有望用于要求边界润滑和要求洁净的条件下，如气浮轴承，微型机械，电接触开关，微型机械等装置中得到应用。
具体实施例方式
为了更好地理解本发明现举例加以说明。
实施例1羟基化单晶硅基底上离子液体薄膜的制备1、对单晶硅片进行预处理，将单面抛光的单晶硅片在丙酮溶剂中超声清洗15分钟，高纯氮气吹干，置入体积比为7∶3的浓H2SO4和30％H2O2溶液中，保持90℃反应2小时，用蒸馏水超声清洗。高纯氮气高速吹干，得到洁净的表面羟基化的单晶硅片。
2、配制质量分数为0.2％的离子液体1-羟乙基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐的二氯甲烷溶液。利用匀胶机控制单晶硅片转速为3000rpm，将含有离子液体的二氯甲烷溶液滴到单晶硅片上。
3、将样品在大气气氛下，120℃条件下热处理3小时左右。得到的薄膜的厚度为15nm左右。用扫描电子显微镜观察可以看到薄膜表面非常均匀。
摩擦学性能对GCr15钢球摩擦摩擦磨损试验结果表明载荷为0.5N～1.0N、滑动速度为160mm·min-1时，薄膜的摩擦系数稳定值为0.08～0.12，耐磨寿命超过5000次(此时的摩擦系数仍低于0.12)，经历了5000次滑动之后薄膜的摩擦系数仍然相当稳定。钢球在薄膜上经历5000次滑动摩擦过程后磨斑处扫描电子显微镜照片显示钢球表面只有很小的磨斑，磨斑直径小于50μm。而同样条件下的钢球在空白基底上滑动100次之后表面的磨斑直径就能够超过100μm。在滑动摩擦过程中离子液体薄膜对偶件的保护作用是相当明显的。
相对较低载荷下本发明所制备的薄膜具有优良的润滑、抗磨性能，能够摩擦副在较低负荷下润滑问题。
薄膜对Si3N4陶瓷球的摩擦磨损试验结果表明0.5N～1.0N负荷下，薄膜的摩擦系数维持在0.06～0.09，耐磨寿命均大于3000次，说明薄膜在相对较低负荷下能够适用于不同摩擦副材料。
滑动速度在100mm·min-1～160mm·min-1范围内，相对滑动速度提高能够在一定程度上降低滑动摩擦系数。
实施例2乙烯基化玻璃基底上离子液体薄膜的制备1、利用同实施例1步骤1的方法得到表面羟基化的玻璃片。
2、将经过羟基化处理之后清洁玻璃片立即浸入体积分数为0.2％的乙烯基三乙氧基硅烷的甲苯溶液中，70℃反应24小时，得到端乙烯基自组装修饰的玻璃片，用50ml二氯甲烷超声清洗三次，除去未跟基底发生键合的乙烯基三乙氧基硅烷，高纯氮气吹干。
3、配制质量分数为0.1％的离子液体1-羟乙基-3-己基咪唑六氟磷酸盐的二氯甲烷溶液，其他操作步骤同实施例1步骤2。
4、操作步骤同实施例1步骤3。
对GCr15钢球摩擦摩擦磨损试验结果表明在载荷为0.5N～1.0N，滑动速度为100mm·min-1～160mm·min-1时，该方法制备的离子液体薄膜的摩擦系数稳定值为0.08～0.12，耐磨寿命最长超过5000次。
薄膜对Si3N4陶瓷球的摩擦磨损试验结果表明0.5N～1.0N负荷下，薄膜的摩擦系数维持在0.08～0.12，耐磨寿命均大于3000次，而且在滑动摩擦过程中摩擦系数相当稳定。说明薄膜在相对较低负荷下能够适用于不同摩擦副材料。
实施例3洁净的氮化硅陶瓷基底上离子液体薄膜的制备1、取洁净的氮化硅陶瓷块作为基底材料。
2、配制质量分数为0.5％的离子液体1-烯丙基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐的二氯甲烷溶液，其他操作步骤同实施例1步骤2。
3、将样品在大气气氛下，100℃条件下热处理3小时左右。得到的薄膜的厚度为20nm左右。用扫描电子显微镜观察可以看到薄膜表面非常均匀。
该种方法制备的离子液体薄膜在载荷为0.5N，速度为160mm·min-1时，对GCr15钢球的摩擦系数稳定在0.06～0.10，耐磨寿命超过3000次。
实施例4洁净的不锈钢基底上离子液体薄膜的制备1、取洁净的不锈钢块作为基底材料。
2、配制质量分数为0.2％的离子液体1-烯丙基-3-己基咪唑六氟磷酸盐的二氯甲烷溶液，其他操作步骤同实施例1步骤2。
3、操作步骤同实施例3步骤3。
该方法制备的离子液体薄膜载荷为0.5N，滑动速度为160mm·min-1时，对GCr15钢球的摩擦系数稳定在0.06～0.10，耐磨寿命超过3000次。
权利要求
1.一种离子液体润滑薄膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤a基底材料的选择选择洁净的单晶硅片、玻璃、陶瓷、不锈钢作为基底材料；b离子液体薄膜的制备将离子液体加入到二氯甲烷中配成溶液，溶液中离子液体质量分数为0.05～0.5％，离子液体选自烷基烯丙基咪唑六氟磷酸盐或者烷基羟乙基咪唑六氟磷酸盐，利用匀胶机控制基底材料转速为1000～5000rpm，采用旋涂法制备薄膜；c热处理将涂覆于基底材料上的薄膜在90℃～120℃条件下热处理1～3小时。
2.如权利要求1所说的方法，其特征在于烷基烯丙基咪唑六氟磷酸盐或者烷基羟乙基咪唑六氟磷酸盐由通式(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
本发明公开了一种有机润滑薄膜一离子液体润滑薄膜的制备方法。具有纳米厚度的离子液体润滑薄膜为解决苛刻条件下的边界润滑和摩擦磨损问题提供了新的途径。本发明利用离子液体为成膜材料，在清洁的基底材料上涂覆润滑薄膜。制备过程和方法简单，得到的有机润滑薄膜厚度为10～20nm，对于多种不同的材料作为摩擦副均具有较好的摩擦学性能，在低载荷下具有很低的摩擦系数和较长的耐磨寿命。具有纳米厚度的离子液体薄膜可望在气浮轴承、电接触开关、微型机械等装置中得到应用。
文档编号C07F7/00GK1778878SQ20041009725
公开日2006年5月31日 申请日期2004年11月19日 优先权日2004年11月19日
发明者刘维民, 于波, 周峰 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所