Lubrication mechanisms and properties of non-halogenated orthoborate ionic liquids
Tid: Fr 2023-06-09 kl 13.00
Plats: Gladan, Brinellvägen 85, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/61855885187
Språk: Engelska
Ämnesområde: Maskinkonstruktion
Respondent: Patrick Rohlmann , System- och komponentdesign
Opponent: Professor Ali Erdemir, Texas A&M University
Handledare: Professor Sergei Glavatskih, Maskinkonstruktion; Professor Mark W. Rutland, Yt- och korrosionsvetenskap; Professor Oleg N Antzutkin, Luleå tekniska universitet
Abstract
Den globala klimatförändringen är uppenbar och dess konsekvenser är synliga för människor runt om i världen. FN har därför enats om målet att begränsa ökningen av den globala temperaturen. Detta mål ska uppnås genom flera åtgärder, bland annat minskad energiförbrukning och energislöseri. Ett sätt att uppnå detta genom att välja ett lämpligt smörjmedel för dess applicering för att minimera friktionsförluster. Därför är joniska vätskor (IL), särskilt icke-halogenerade IL, lovande kandidater. Förutom deras inneboende joniska egenskaper, så som lågt ångtryck och hög termisk stabilitet, som är önskvärda för smörjmedel. Dessutom är icke-halogenerade IL:er gynnsamma jämfört med halogenerade IL:er, eftersom de senare är föremål för hydrolysprocesser och kan producera frätande föreningar så som halogenider. Icke-halogenerade IL som relativt nya typer av smörjmedel kräver systematiska studier för att öka deras tekniska beredskapsnivå förutom att förstå deras funktion.
Denna doktorsavhandling fokuserar på smörjprestanda hos ortoborat-fosfonium och imidazolium IL. Olika tribologiska kontaktförhållanden undersöktes i ett temperaturområde från 80 ◦ C till 140 ◦ C och för glidavstånd på 200 m, 2000 m och 4300 m, användes kula-på-tre plattor och fram- och återgående kula-på-skiva tribo-tester. Dessutom bestämdes viskositeten och densiteten för dessa ortoborat icke-halogenhaltiga IL för att möjliggöra deras jämförbarhet med vanliga smörjmedel. Bortsett från dessa fysikaliska egenskaper mättes deras jonledningsförmåga för att jämföras med andra IL.
Resultaten visar att den elementära sammansättningen och strukturen hos IL spelar en stor roll på deras smörjbeteende så väl som på deras fysikaliska egenskaper. Alkylkedjelängden och strukturella egenskaper, så som aromatiska ringar, påverkar huvudsakligen fysikaliska egenskaper. Smörjprestandan hos ILs beror dock på deras elementära sammansättning, deras förmåga att självmontera ytan och nedbrytningen av joner. Imidazoliumbaserade IL:er överträffar de fosfoniumbaserade IL:er när det gäller friktion, men motsatsen observeras för slitaget. Detta beteende induceras av nedbrytningsprodukter från IL som orsakas av smörjtester. Till och med produktionen, d.v.s. syntesen, har en effekt på ILs smörjprestanda. Närvaron av ejfullständigt reagerade reaktanter kan främja smörjprestandan på grund av en accelererad nedbrytning av IL. Balansen mellan nedbrytningsprodukter och deras inverkan på friktion och slitage är dock känslig. Märkbar är inverkan av spår av reaktanter på fysikaliska egenskaper hos IL. Beviset på konceptet att ILs är avsevärda gränsfilm-bildande smörjmedel har visats genom smörjtester med IL som tillsatser till polära och icke-polära biologiskt nedbrytbara basoljor. Tillsatsen av ortoboratfosfonium-IL som tillsats minskar slitaget för blandningar med båda genom att skapa slitagereducerande filmer vid gränsytor. Men när det gäller den polära oljan är minskningen liten på grund av konkurrensen mellan joner och de polära basoljemolekylerna om ytarea. Enbart jonerna är kapabla att bilda nötningsreducerande filmer vid gränsytor.
Sammanfattningsvis bidrar detta arbete avsevärt till utforskningen av IL som nya smörjmedel genom att utöka förståelsen för inverkan av strukturella och elementära variationer på deras smörjande prestanda och fysikaliska egenskaper. Som en konsekvens är IL kandidater för mer energieffektiv smörjning.