本發(fā)明涉及一種含天然脂環(huán)結(jié)構(gòu)的離子液體及其制備方法和應(yīng)用。該離子液體作為減摩添加劑應(yīng)用于烷基環(huán)戊烷潤滑油，或以烷基環(huán)戊烷為基礎(chǔ)油的潤滑脂。
背景技術(shù)：
多烷基化環(huán)戊烷(MACs)具有低的揮發(fā)性、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在空間機械的潤滑上有很大的應(yīng)用潛力，并已取得了空間應(yīng)用的實際經(jīng)驗。(D. J. Carre, C. G. Kalogeras, S. V. Didziulis, R. Bauer. Recent experience with synthetic hydrocarbon lubricants for spacecraft applications. Aerospace Corp., Report TR(5935)-3, June 1995；W. R. Jones, Jr., A. K. Poslowski. Evaluation of several space lubricants using a vacuum four-ball tribometer. NASA TM-1998-208654, October 1998.)。
多烷基化環(huán)戊烷的核心五元環(huán)使這類化合物具有高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。但是，由于此類化合物屬于非極性化合物，對基底的吸附力較弱，摩擦過程中邊界潤滑膜容易被破壞，因此其極壓性能相對比較弱。
離子液體是一類強極性的化合物，有著獨特的溶解性能，高熱穩(wěn)定性和極低的蒸氣壓。研究顯示，離子液體結(jié)構(gòu)中的不同官能基團能顯著改變其性能。如果利用離子液體所特有的“可設(shè)計性”，通過化學(xué)合成的方法在離子液體中引入五元環(huán)，使取代環(huán)戊烷和離子液體各自的優(yōu)異性能相結(jié)合，將有利于增強多烷基化環(huán)戊烷與基底的吸附能力，改進其摩擦學(xué)性能。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種含天然脂環(huán)結(jié)構(gòu)的離子液體及其制備方法和應(yīng)用。
一種含天然脂環(huán)結(jié)構(gòu)的離子液體，其特征在于該離子液體的結(jié)構(gòu)式如式()所示，分子式為[CH3C3H3N2CnH2n+1]X，X為C6H10NO2或C10H15O4S，化學(xué)名稱為1-烷基-3-甲基咪唑1-氨基環(huán)戊烷甲酸鹽或1-烷基-3-甲基咪唑樟腦磺酸鹽，
式(I) ，
其中，n為4～10的整數(shù)。
本發(fā)明化合物的合成方法如式(Ⅱ)所示：
式(Ⅱ)
其中，n為4～10的整數(shù)。
本發(fā)明通過溴化1-烷基-3-甲基咪唑和1-氨基環(huán)戊烷甲酸或樟腦磺酸反應(yīng)，得到含天然脂環(huán)結(jié)構(gòu)的離子液體。
一種含天然脂環(huán)結(jié)構(gòu)的離子液體的制備方法，其特征在于以溴化1-烷基-3-甲基咪唑和1-氨基環(huán)戊烷甲酸或樟腦磺酸為原料，反應(yīng)溫度20～90℃，反應(yīng)時間2～10小時，反應(yīng)結(jié)束后洗滌、干燥生成物得到目標(biāo)產(chǎn)物。
所述溴化1-烷基-3-甲基咪唑與1-氨基環(huán)戊烷甲酸或樟腦磺酸的摩爾比為1: 1.1~3.6。
所述溴化1-烷基-3-甲基咪唑為溴化1-丁基-3-甲基咪唑、溴化1-己基-3-甲基咪唑、溴化1-辛基-3-甲基咪唑或溴化1-癸基-3-甲基咪唑。
在實驗室中，我們具體的制備過程是：在圓底燒瓶中，加入溴化1-烷基-3-甲基咪唑，在攪拌過程中，加入1-氨基環(huán)戊烷甲酸或樟腦磺酸的水溶液，于20~90℃，攪拌1~5小時，用二氯甲烷萃取三次，二氯甲烷相用水洗滌三次后無水硫酸鎂干燥過夜，減壓蒸去溶劑，再在100℃/0.1 mmHg減壓抽1小時，除去可能含有的水份，得到目標(biāo)產(chǎn)物。
上述離子液體作為減摩添加劑以超聲分散于烷基環(huán)戊烷基礎(chǔ)油中。以潤滑油總重為基準(zhǔn)，離子液體添加量為0.1~2.0wt%。
文獻報道利用離子液體所特有的“可設(shè)計性”，通過功能化陰陽離子，可以得到預(yù)期性能的離子液體。近年來，針對陽離子的功能化有大量文獻報道，但是較少涉及針對于陰離子的功能化研究。另外，為了實現(xiàn)離子液體的功能化，不可避免地會引入一些較大的基團，必然會提高離子液體的熔點，因而限制了功能化離子液體適用的范圍。
本發(fā)明的新穎之處在于：利用離子液體所特有的“可設(shè)計性”，通過化學(xué)合成的方法在離子液體中引入取代的五元環(huán)。離子液體本身帶有負電荷，在摩擦過程中很容易與摩擦副的正電荷點結(jié)合，形成很穩(wěn)定的過渡態(tài)，而且這種過渡態(tài)的構(gòu)型非常有序，并能保持一定的厚度，在摩擦過程中起到減摩抗磨的作用，因此其摩擦學(xué)性能很好。咪唑部分雜環(huán)中的氮原子有利于提高共扼雜環(huán)的熱穩(wěn)定性，并賦予潤滑劑良好的極壓抗磨性能和高閃點。所選的陰離子原料是天然產(chǎn)物的衍生物，無需特殊制備，不用先期功能化，操作簡單；可以縮短反應(yīng)流程，可控性強。因為是不對稱陰離子，其最終產(chǎn)物在室溫（25℃）下呈淡黃色或黃色的粘稠透明液體，20℃粘度280~450 mm2·s-1，粘度指數(shù)110~130，傾點<-30℃，初始熱分解溫度﹥350℃，該化合物具有很寬的液相溫度范圍、優(yōu)異的高低溫性能和良好的粘溫性能。
本發(fā)明的優(yōu)點在于：
(1) 隨著人們環(huán)境保護意識的日益增加，對化工產(chǎn)品的環(huán)保性能提出了更高的要求。本發(fā)明的離子液體，陰離子是天然產(chǎn)物的衍生物，在微生物作用下易降解，從而達到環(huán)保要求。
(2) 通過化學(xué)合成的方法將取代環(huán)戊烷和離子液體二者的優(yōu)異性能相結(jié)合，化合物具有很寬的液相溫度范圍、優(yōu)異的高低溫性能、良好的粘溫性能。由于分子結(jié)構(gòu)的相似性，化合物與取代環(huán)戊烷有良好的相容性，可以作為減摩添加劑應(yīng)用于烷基環(huán)戊烷潤滑油，或以烷基環(huán)戊烷為基礎(chǔ)油的潤滑脂。
本發(fā)明所述潤滑劑的摩擦學(xué)性能采用模擬真空條件摩擦磨損試驗機評價。實驗條件：真空度，10-4Pa；載荷，3N；轉(zhuǎn)速，300 rpm；時間，1h。實驗上試球為Si3N4球或9Cr18鋼球，下試盤為半徑24mm的GCr15鋼盤。
具體實施方式
本發(fā)明可通過如下實施例進一步說明，以下實施例僅用于說明本發(fā)明的具體實施方案，而不是用于限制本方法的應(yīng)用。
實施例1
合成1-丁基-3-甲基咪唑1-氨基環(huán)戊烷甲酸鹽。
在圓底燒瓶中，加入52.56g(0.24mol)溴化1-丁基-3-甲基咪唑，在攪拌過程中，加入34.8g(0.27mol) 1-氨基環(huán)戊烷甲酸水溶液，于40℃，攪拌2小時，用二氯甲烷萃取三次，二氯甲烷溶液再用蒸餾水洗滌三次，之后用無水硫酸鎂干燥過夜，減壓蒸去溶劑，再在100℃/0.1 mmHg減壓抽1小時，得到目標(biāo)產(chǎn)品。
實施例2
合成1-己基-3-甲基咪唑1-氨基環(huán)戊烷甲酸鹽。
在圓底燒瓶中，加入59.28g(0.24mol) 溴化1-己基-3-甲基咪唑，在攪拌過程中，加入36.1g(0.28mol) 1-氨基環(huán)戊烷甲酸水溶液，于40℃，攪拌3小時。其余同實施例1。
實施例3
合成1-辛基-3-甲基咪唑1-氨基環(huán)戊烷甲酸鹽。
在圓底燒瓶中，加入66.00g(0.24mol) 溴化1-辛基-3-甲基咪唑，在攪拌過程中，加入38.7g(0.30mol) 1-氨基環(huán)戊烷甲酸水溶液，于50℃，攪拌4小時。其余同實施例1。
實施例4
合成1-癸基-3-甲基咪唑1-氨基環(huán)戊烷甲酸鹽。
在圓底燒瓶中，加入72.72g(0.24mol) 溴化1-癸基-3-甲基咪唑，在攪拌過程中，加入41.3g(0.32mol) 1-氨基環(huán)戊烷甲酸水溶液，于50℃，攪拌4小時。其余同實施例1。
實施例5
合成1-丁基-3-甲基咪唑樟腦磺酸鹽。
在圓底燒瓶中，加入52.56g(0.24mol)溴化1-丁基-3-甲基咪唑，在攪拌過程中，加入62.64g(0.27mol) 樟腦磺酸水溶液，于40℃，攪拌2小時。其余同實施例1。
實施例6
合成1-己基-3-甲基咪唑樟腦磺酸鹽。
在圓底燒瓶中，加入59.28g(0.24mol) 溴化1-己基-3-甲基咪唑，在攪拌過程中，加入64.96g(0.28mol) 樟腦磺酸水溶液，于40℃，攪拌3小時。其余同實施例1。
實施例7
合成1-辛基-3-甲基咪唑樟腦磺酸鹽。
在圓底燒瓶中，加入66.00g(0.24mol) 溴化1-辛基-3-甲基咪唑，在攪拌過程中，加入69.60g(0.30mol) 樟腦磺酸水溶液，于50℃，攪拌4小時。其余同實施例1。
實施例8
合成1-癸基-3-甲基咪唑樟腦磺酸鹽。
在圓底燒瓶中，加入72.72g(0.24mol) 溴化1-癸基-3-甲基咪唑，在攪拌過程中，加入74.24g(0.32mol) 樟腦磺酸水溶液，于50℃，攪拌4小時。其余同實施例1。
實施例9
將實施例1~8的離子液體分別以質(zhì)量百分數(shù)1.5%、1.0%、0.6%、0.4%、1.4%、0.8%、0.5%、0.3%的加劑量超聲分散于烷基環(huán)戊烷基礎(chǔ)油中，采用模擬真空條件摩擦磨損試驗機評價它們的摩擦學(xué)性能，結(jié)果列于表1。
表1 實施例9實驗結(jié)果
表1中的結(jié)果表明，本發(fā)明的化合物應(yīng)用于烷基環(huán)戊烷基礎(chǔ)油中具有良好的減摩性能。