一种咖啡酸盐类离子液体及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及润滑添加剂技术领域，尤其涉及一种咖啡酸盐类离子液体及其制备方法和应用。

背景技术

摩擦、磨损和润滑一直是人类社会发展所需研究和解决的问题，大量的机械摩擦部件在运转中都处于边界润滑状态，载荷几乎全部通过微凸体以及润滑材料和表面间相互作用所生成的边界润滑膜来承受，普通的润滑材料有可能造成严重的摩擦磨损情况，这就对润滑材料在苛刻条件下的服役性能有了更高的要求。

添加剂的加入可以提高润滑材料品质，赋予其新的关键性能，是高端装备润滑材料必不可少的组分。随着科技的进步，延长机械设备的使用寿命和减少能源的消耗是当务之急，制备新型添加剂是时代的需要。离子液体是指由有机阳离子与有机/无机阴离子构成的在室温附近呈液态的离子型化合物。它的化学稳定性和高热稳定性符合润滑添加剂的需求。同时离子液体具有饱和蒸汽压极低、热稳定性高、结构可设计性强、溶解性强等独特的性质和功能，依据其结构的可设计性，可以在阴阳离子结构上引入功能性的官能团，从而设计合成出具备特殊功能的离子液体，适用于不同的服役工况。因此离子液体具有极大的潜力作为高性能添加剂在润滑工程领域实现广泛的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有良好润滑性能的咖啡酸盐类离子液体。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该咖啡酸盐类离子液体的制备方法。

本发明所要解决的第三个技术问题是提供该咖啡酸盐类离子液体的应用。

为解决上述问题，本发明所述的一种咖啡酸盐类离子液体，其特征在于：该咖啡酸盐类离子液体的结构如下：

其中：R

如上所述的一种咖啡酸盐类离子液体的制备方法，其特征在于：将咖啡酸、碳酸氢钠分别用无水乙醇完全溶解，并超声分散5~10 min，分别得到浓度为0.12 g/ml的咖啡酸乙醇溶液、浓度为0.17g/ml 的碳酸氢钠乙醇溶液；然后将所述碳酸氢钠乙醇溶液缓慢滴加到所述咖啡酸乙醇溶液中，常温磁力搅拌反应8~12 h，得到混合液；所述混合液中加入1,3-二烷基咪唑氯盐，常温磁力搅拌反应24~36 h；反应结束后，析出白色固体，过滤，取下层液体依次经旋蒸、洗涤、提纯、真空干燥后，即得咖啡酸盐类离子液体；所述碳酸氢钠与所述咖啡酸的质量比为1:2.15；所述1,3-二烷基咪唑氯盐与所述碳酸氢钠的质量比为1:0.35~0.50。

如上所述的一种咖啡酸盐类离子液体的应用，其特征在于：该咖啡酸盐类离子液体与复合钛基润滑脂经充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，即得润滑脂。

所述复合钛基润滑脂按下述方法制得：将硬脂酸和苯甲酸在90℃下溶于基础油中，然后向其中加入钛酸异丙酯，在95℃进行皂化反应1 h，继续加入去离子水进行水化反应0.5 h，将混合体系继续升温至210℃进行高温炼制5 min，冷却至室温后使用三辊研磨机研磨三遍即得。

所述硬脂酸、苯甲酸、基础油、钛酸异丙酯、去离子水的质量比为1:0.43:14.06:2:0.2。

所述润滑脂中咖啡酸盐类离子液体的质量分数为0.5~2%。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明借鉴离子液体独特的有机分子阴阳离子结构，设计羟基功能化的离子液体结构，在室温下通过简单离子交换的方法，获得室温下为液态的离子液体。

2、本发明制备方法简单，所得离子液体具有良好润滑性能，且不含硫、磷、卤素等元素，摩擦反应后产物对水体、土壤等自然环境无污染。

3、本发明所述咖啡酸盐类离子液体作为添加剂，在较低含量下即可显著提高复合钛基润滑脂的结构强度和摩擦学性能，有望作为润滑脂添加剂在润滑工程与工业领域获得广泛的应用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明润滑脂样品粘弹性曲线。其中：a为[BMIM][CA]、TCG；b为[HMIM][CA]、TCG；c为[OMIM][CA]、TGG；d为[BMIM][SA]、TCG。

图2为本发明各样品屈服应力与交叉应力柱状图。其中：a为[BMIM][CA]、TCG；b为[HMIM][CA]、TCG；c为[OMIM][CA]、TGG；d为[BMIM][SA]、TCG。

具体实施方式

一种咖啡酸盐类离子液体，该咖啡酸盐类离子液体的结构如下：

其中：R

该咖啡酸盐类离子液体的制备方法：将咖啡酸、碳酸氢钠分别用无水乙醇完全溶解，并超声分散5~10 min，分别得到浓度为0.12 g/ml 的咖啡酸乙醇溶液、浓度为0.17 g/ml的碳酸氢钠乙醇溶液；然后将碳酸氢钠乙醇溶液缓慢滴加到咖啡酸乙醇溶液中，碳酸氢钠与咖啡酸的质量比（g/g）为1:2.15。常温磁力搅拌反应8~12 h，得到混合液；混合液中加入1,3-二烷基咪唑氯盐，1,3-二烷基咪唑氯盐与碳酸氢钠的质量比（g/g）为1:0.35~0.50。常温磁力搅拌反应24~36 h；反应结束后，析出白色固体，过滤，取下层液体依次经旋蒸、洗涤、提纯、真空干燥后，即得咖啡酸盐类离子液体。

一种咖啡酸盐类离子液体的应用：该咖啡酸盐类离子液体与复合钛基润滑脂经充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，即得润滑脂。润滑脂中咖啡酸盐类离子液体的质量分数为0.5~2%。

其中：复合钛基润滑脂按下述方法制得：将硬脂酸和苯甲酸在90℃下溶于基础油中，然后向其中加入钛酸异丙酯，在95℃进行皂化反应1 h，继续加入去离子水进行水化反应0.5 h，将混合体系继续升温至210℃进行高温炼制5 min，冷却至室温后使用三辊研磨机研磨三遍即得。硬脂酸、苯甲酸、基础油、钛酸异丙酯、去离子水的质量比（g/g）为1:0.43:14.06:2:0.2。

实施例1

将18.02 g咖啡酸加入到烧瓶中，用150 ml无水乙醇完全溶解，超声分散5 min。同时将8.41 g碳酸氢钠以相同的方式溶解到50 ml无水乙醇中。随后将碳酸氢钠乙醇溶液缓慢滴加到咖啡酸乙醇溶液中，常温磁力搅拌反应8 h。反应结束后，将17.47 g 1-丁基3-甲基咪唑氯盐加入，常温磁力搅拌反应24 h。反应结束后，析出白色固体。过滤，取下层液体进行旋蒸、洗涤、提纯、真空干燥后，即得1-丁基-3-甲基咪唑咖啡酸盐类离子液体，记作[BMIM][CA]。

将5.69 g硬脂酸和2.45 g苯甲酸在90℃下溶于80 g 4016基础油中，然后向其中加入11.37 g钛酸异丙酯，在95℃进行皂化反应1 h，继续加入1.09 g去离子水进行水化反应0.5 h，将混合体系继续升温至210℃，高温炼制5 min，冷却至室温后使用三辊研磨机研磨三遍，得到复合钛基润滑脂，记作TCG。

取0.5 g[BMIM][CA]加入到99.5 g TCG，经过充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，得到含质量分数0.5%的咖啡酸盐类离子液体的润滑脂，记作TCG+0.5%[BMIM][CA]。

实施例2

[BMIM][CA]、TCG制备方法同实施例1。

取1 g[BMIM][CA]加入到99 g TCG，经过充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，得到含质量分数1%的咖啡酸盐类离子液体的润滑脂，记作TCG+1%[BMIM][CA]。

实施例3

[BMIM][CA]、TCG制备方法同实施例1。

取2 g[BMIM][CA]加入到98 g TCG，经过充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，得到含质量分数2%的咖啡酸盐类离子液体的润滑脂，记作TCG+2%[BMIM][CA]。

实施例4

将90.1 g咖啡酸加入到烧瓶中，用750 ml无水乙醇完全溶解，超声分散8 min。同时将42.05 g碳酸氢钠以相同的方式溶解到250 ml无水乙醇中。随后将碳酸氢钠乙醇溶液缓慢滴加到咖啡酸乙醇溶液中，常温磁力搅拌反应10 h。反应结束后，将101.4 g1-己基3-甲基咪唑氯盐加入，常温磁力搅拌反应30 h。反应结束后，析出白色固体。过滤，取下层液体进行旋蒸、洗涤、提纯、真空干燥后，即得1-己基-3-甲基咪唑咖啡酸盐类离子液体，记作[HMIM][CA]。

将28.45 g硬脂酸和12.25 g苯甲酸在90℃下溶于400 g 4016基础油中，然后向其中加入56.85 g钛酸异丙酯，在95℃进行皂化反应1 h，继续加入5.45 g去离子水进行水化反应0.5 h，将混合体系继续升温至210℃，高温炼制5 min，冷却至室温后使用三辊研磨机研磨三遍，得到复合钛基润滑脂，记作TCG。

取0.5 g[HMIM][CA]加入到99.5 g TCG，经过充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，得到含质量分数0.5%的咖啡酸盐类离子液体的润滑脂，记作TCG+0.5%[HMIM][CA]。

实施例5

[HMIM][CA]、TCG制备方法同实施例4。

取1 g[HMIM][CA]加入到99 g TCG，经过充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，得到含质量分数0.5%的咖啡酸盐类离子液体的润滑脂，记作TCG+1%[HMIM][CA]。

实施例6

[HMIM][CA]、 TCG 制备方法同实施例4。

取2 g[HMIM][CA]加入到98 g TCG，经过充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，得到含质量分数0.5%的咖啡酸盐类离子液体的润滑脂，记作TCG+2%[HMIM][CA]。

实施例7

将36.04 g咖啡酸加入到烧瓶中，用300 ml无水乙醇完全溶解，超声分散10 min。同时将16.82 g碳酸氢钠以相同的方式溶解到100 ml无水乙醇中。随后将碳酸氢钠乙醇溶液缓慢滴加到咖啡酸乙醇溶液中，常温磁力搅拌反应12 h。反应结束后，将46.16 g1-辛基3-甲基咪唑氯盐加入，常温磁力搅拌反应36 h。反应结束后，析出白色固体。过滤，取下层液体进行旋蒸、洗涤、提纯、真空干燥，即得1-辛基-3-甲基咪唑咖啡酸盐类离子液体，记作[OMIM][CA]。

将28.45 g硬脂酸和12.25 g苯甲酸在90℃下溶于400 g 4016基础油中，然后向其中加入56.85 g钛酸异丙酯，在95℃进行皂化反应1 h，继续加入5.45 g去离子水进行水化反应0.5 h，将混合体系继续升温至210℃，高温炼制5 min，冷却至室温后使用三辊研磨机研磨三遍，得到复合钛基润滑脂，记作TCG。

取0.5 g[OMIM][CA]加入到99.5 g TCG，经过充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，得到含质量分数0.5%的咖啡酸盐类离子液体的润滑脂，记作TCG+0.5%[OMIM][CA]。

实施例8

[OMIM][CA]制备方法同实施例7。

TCG制备方法同实施例4。

取1 g[OMIM][CA]加入到99 g TCG，经过充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，得到含质量分数2%的咖啡酸盐类离子液体的润滑脂，记作TCG+1%[OMIM][CA]。

实施例9

[OMIM][CA]制备方法同实施例7。

TCG制备方法同实施例4。

取2 g[OMIM][CA]加入到98 g TCG，经过充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，得到含质量分数2%的咖啡酸盐类离子液体的润滑脂，记作TCG+2%[OMIM][CA]。

对比实施例1

将13.82 g水杨酸酸加入到烧瓶中，用100 ml无水乙醇完全溶解，超声分散10min。同时将8.41 g碳酸氢钠以相同的方式溶解到50 ml无水乙醇中。随后将碳酸氢钠乙醇溶液缓慢滴加到咖啡酸乙醇溶液中，常温磁力搅拌反应12 h。反应结束后，将17.47 g1-丁基3-甲基咪唑氯盐加入，常温磁力搅拌反应36 h。反应结束后，析出白色固体。过滤，取下层液体进行旋蒸、洗涤、提纯、真空干燥后，即得1-丁基-3-甲基咪唑水杨酸类离子液体，记作[BMIM][SA]。

将5.69 g硬脂酸和2.45 g苯甲酸在90℃下溶于80 g 4016基础油中，然后向其中加入11.37 g钛酸异丙酯，在95℃进行皂化反应1 h，继续加入1.09 g去离子水进行水化反应0.5 h，将混合体系继续升温至210℃，高温炼制5 min，冷却至室温后使用三辊研磨机研磨三遍，得到复合钛基润滑脂，记作TCG。

取0.5 g[BMIM][SA]加入到99.5 g TCG，经过充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，得到含质量分数0.5%的水杨酸类离子液体的润滑脂，记作TCG+0.5%[BMIM][SA]。

对比实施例2

[BMIM][SA]、TCG的制备方法同对比实施例1。

取1 g[BMIM][SA]加入到99 g TCG，经过充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，得到含质量分数0.5%的水杨酸类离子液体的润滑脂，记作TCG+0.5%[BMIM][SA]。

对比实施例3

[BMIM][SA]、TCG的制备方法同对比实施例1。

取2 g[BMIM][SA]加入到98 g TCG，经过充分搅拌均匀后，使用三辊磨研磨三遍，得到含质量分数0.5%的水杨酸类离子液体的润滑脂，记作TCG+0.5%[BMIM][SA]。

咖啡酸盐类离子液体作为润滑脂添加剂的性能测试

摩擦学性能测试：

在四球摩擦磨损试验机上，考察本发明咖啡酸盐类离子液体作为润滑脂添加剂的润滑性能，并与基础脂（TCG）及[BMIM][SA]作对比。

选定载荷392 N，温度75 ℃，转速1200 r/min，实验时间60 min，试验用上、下试球均为GCr15轴承钢，其物理参数为：直径12.7mm、硬度HRC 60-63。摩擦实验结束后，采用光学显微镜检测钢球的磨损直径。摩擦实验结果见表1。

表1 基础脂与含离子液体润滑脂的平均摩擦系数对比

由表1可以看出，与基础脂（TCG）、对比实施例1~3中[BMIM][SA]离子液体相比，本发明咖啡酸盐类离子液体具有优异的摩擦学性能。

流变学性能测试：

采用瑞士 Anton Paar 公司的 MCR302e 旋转流变仪，评价润滑脂的储能模量G'、损耗模量G''等参数，确定润滑脂的线性黏弹区范围及其结构强度，对比咖啡酸盐类离子液体和[BMIM][SA]对润滑脂结构强度的影响规律。

流变仪主要技术参数如下：最大扭矩 230 mN·m，扭矩分辨率 0.1 nN·m，角频率范围 10

根据流变学性能结果可知，与对比实施例1~3中[BMIM][SA]离子液体会降低复合钛基润滑脂的屈服应力和交叉应力，破坏复合钛基润滑脂的结构强度不同，本发明咖啡酸盐类离子液体作为添加剂，能够有效提高复合钛基润滑脂的屈服应力与交叉应力，显著增强复合钛基润滑脂的结构强度。

综上所述，与对比实施例1~3中[BMIM][SA]离子液体相比，本发明咖啡酸盐类离子液体作为复合钛基润滑脂的添加剂表现出优异的减摩和抗磨性能，可以作为高性能减摩抗磨添加剂在润滑工程领域使用。