WPŁYW RODZAJU ANIONU W IMIDAZOLIOWYCH CIECZACH JONOWYCH NA ICH WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 107 Marian Włodzimierz SUŁEK *, Tomasz WASILEWSKI *, Marta OGORZAŁEK *, Juliusz PERAK **, Filip WALKIEWICZ ** WPŁYW RODZAJU AIOU W IMIDAZOLIOWYCH CIECZACH JOOWYCH A ICH WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZE THE IFLUECE OF AIO TYPE I IMIDAZOLIUM IOIC LIQUIDS O TRIBOLOGICAL PROPERTIES Słowa kluczowe: ciecze jonowe, współczynnik tarcia, zużycie Key words: ionic liquids, friction coefficient, wear Streszczenie Celem pracy jest poszukiwanie nowych, efektywnych baz substancji smarowych, obniżających opory ruchu i zużycie. W artykule wykazano, że ciecze jonowe mogą wpływać na niezawodność i trwałość układów tribologicznych. Substancje te występują w temperaturach pokojowych * ** Politechnika Radomska, Katedra Chemii, Zakład Chemii Fizycznej i ieorganicznej ul. Chrobrego 27, Radom. Politechnika Poznańska, Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej, Zakład Technologii Chemicznej, pl. Skłodowskiej-Curie 2, Poznań.

2 108 T R I B O L O G I A w stanie ciekłym w postaci jonów. W pracy określano charakterystyki tribologiczne trzech związków zaliczanych do imidazoliowych cieczy jonowych, różniących się rodzajem anionu. Badania tribologiczne prowadzono w skojarzeniu materiałowym stal stal (aparat czterokulowy T-02). Analizowano opory ruchu i zużycie, których miarą było odpowiednio współczynnik tarcia oraz średnica skazy. Po testach analizowano profile zużycia skazy kulek. Z uzyskanych rezultatów badań tribologicznych wynika, że badane ciecze jonowe charakteryzują się niższymi oporami ruchu oraz mniejszym zużyciem w porównaniu z olejem parafinowym. ajniższymi wartościami współczynnika tarcia 0,08 charakteryzuje się ciecz jonowa zawierająca anion 3-aminotriazolanowy. Analiza uzyskanych rezultatów wskazuje, że imidazoliowe ciecze jonowe mogą być bardzo skutecznymi i efektywnymi bazami substancji smarowych. WPROWADZEIE Zastosowanie substancji smarowych jest jednym ze sposobów zapobiegania niekorzystnym skutkom tarcia. Substancje te korzystnie wpływają na właściwą eksploatację i niezawodność maszyn. Otrzymanie odpowiedniej substancji smarowej jest trudne, dlatego prowadzi się liczne prace naukowe, które koncentrują się na optymalizacji układu baza pakiet dodatków [L. 1 3]. W literaturze światowej obserwujemy wyraźny wzrost zainteresowania cieczami jonowymi. Obecnie ciecze jonowe znalazły zastosowanie głównie jako rozpuszczalniki dla dużej grupy związków organicznych, nieorganicznych i metaloorganicznych, a także jako katalizatory w różnych typach reakcji [L. 4, 5]. Są to substancje ciekłe zbudowane wyłącznie z jonów: dużego organicznego kationu oraz mniejszych anionów zarówno organicznych, jak i nieorganicznych. W zależności od rodzaju i budowy jonów charakteryzują się one różnymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi w tym temperaturą topnienia. ajwiększą zaletą, stosowanych także w tej pracy, niskotemperaturowych cieczy jonowych jest ich względnie niska wartość temperatury topnienia, rzędu kilkudziesięciu stopni [L. 4, 5]. W końcu XX i na początku XXI wieku podjęto próbę wykorzystania cieczy jonowych, o temperaturze topnienia bliskiej temperaturze pokojowej jako baz substancji smarowych [L. 4, 6, 7] względnie dodatków [L. 8]. W niniejszej pracy podjęto próbę wykazania na drodze eksperymentalnej możliwości zastosowania cieczy jonowych jako nowych baz

3 T R I B O L O G I A 109 substancji smarowych. Pozytywne rezultaty badań dałyby asumpt do konstytuowania kompozycji smarowychm wykorzystując fakt, że ciecze jonowe są bardzo dobrymi rozpuszczalnikami [L. 4, 5]. MATERIAŁY I METODYKI BADAWCZE Do badań wytypowano trzy rodzaje cieczy jonowych typu soli imidazoliowych. Zostały one zsyntezowane w zespole prof. Juliusza Pernaka [L. 5]. Wzory wytypowanych cieczy jonowych przedstawiono na Rys. 1. C + 3 CH 3 H + 3 C CH 3 H Benzotriazolan 1-heksylo-3- metyloimidazoliowy [1H3MI] + [BTA] - 1,2,4 -Triazolan 1-heksylo-3- metyloimidazoliowy [1H3MI] + [124TA] - H 3 C + CH 3 H 2 3-Aminotriazolan 1- heksylo-3-metyloimidazoliowy [1H3MI] + [3ATA] - Rys. 1. Wzory wykorzystywanych w badaniach cieczy jonowych Fig. 1. Formulas of researched ionic liquids Jako substancję smarową, do której będą odnoszone wyniki pomiarów zaproponowano olej parafinowy firmy Augmed. Wybór był podyktowany praktycznym wykorzystaniem oleju w maszynach pracujących na potrzeby przemysłu: spożywczego, kosmetycznego i farmaceutycznego. ie działa on szkodliwie na organizmy żywe i środowisko naturalne. Wpisuje się więc w kierunek badań tribologicznych, którego celem jest wykorzystanie ekologicznych substancji smarowych [L. 1 3, 9, 10]. Właściwości tribologiczne badanych cieczy jonowych oraz oleju parafinowego prowadzono z zastosowaniem aparatu czterokulowego T02 produkcji ITeE PIB Radom, zgodnie z metodyką prezentowaną w literaturze [L. 11, 12]. Stosowano kulki łożyskowe o średnicy ½, wykonane ze stali łożyskowej chromowej. Chropowatość powierzchni wynosiła R a = 0,032 µm, twardość HRC. Analizowano opory ruchu i zużycie, których miarą był odpowiednio współczynnik tarcia oraz średnica skazy. Po testach wykonano profile zużycia skazy kulek za pomocą profi-

4 110 T R I B O L O G I A lometru TOPO 01P, produkcji Instytutu Zaawansowanych Technologii Wytwarzania w Krakowie [L. 13]. REZULTATY BADAŃ Zmiany wartości współczynnika tarcia w zależności od czasu dla cieczy jonowych typu soli imidazoliowych oraz oleju parafinowego przedstawia Rys. 2. Oznaczenia cieczy jonowych są zgodne z przyjętymi na Rys. 1. Rys. 2. Zależność współczynnika tarcia (µ) od czasu dla oleju parafinowego oraz imidazoliowych cieczy jonowych. Aparat czterokulowy (T-02), prędkość obrotowa wrzeciona 200 obr./min, obciążenie 2 k, czas testu 3600 s Fig. 2. Dependence of friction coefficient on time for paraffin oil and imidazolium ionic liquids. Four-ball tester (T-02), rotational speed 200 rpm, load 2 k, test duration 3600 s Poszczególne punkty na wykresie są uśredniane po czasie, w przedziałach 180-sekundowych i z 3 niezależnych pomiarów. Miarą błędu jest odchylenie standardowe średniej arytmetycznej przy założonym poziomie ufności 0,95. Maksymalny błąd nie przekraczał 10% wartości zmierzonej. Zaobserwowano, że w funkcji czasu następuje względnie duży spadek wartości współczynnika tarcia dla oleju parafinowego (do ok sekundy) oraz badanych cieczy jonowych (do ok sekund). W tych początkowych okresach tarcia zdecydowanie wyższe wartości wykazuje olej parafinowy. W I przedziale, w którym nastąpiło uśrednienie wartości µ (pierwsze 180 sekund), współczynnik tarcia dla oleju parafinowego wynosił 0,42, podczas gdy dla cieczy jonowych oznaczonych symbolami: [1H3MI][BTA], [1H3MI][124TA] oraz [1H3MI][3ATA], odpowiednio

5 T R I B O L O G I A 111 0,17, 0,17, 0,12. W ostatnim przedziale uśrednienia (od 3420 s do 3600 s) wartości µ wynosiły: odpowiednio dla oleju parafinowego 0,12, a dla cieczy jonowych 0,12, 0,11, 0,08. Jako miarę oporów ruchu przyjęto dla wszystkich mediów wartość współczynnika tarcia uśrednioną po całym czasie tarcia. W celu porównania mierzonych wielkości tribologicznych otrzymanych w obecności cieczy jonowych i oleju parafinowego obliczono względne wartości: uśrednionego po całym czasie trwania tarcia współczynnika tarcia (W µ ), średnicy skazy po zakończonym teście (W d ) i temperatury substancji smarnej po zakończonym teście (W t ), zgodnie z następującymi równaniami: (1) gdzie: indeks dolny J oznacza ciecz jonową, a P olej parafinowy. Wyniki przedstawiono na Rys. 2. Rys. 2. Względne wartości uśrednionego współczynnika tarcia (W µ ), średnicy skazy zużycia (W d ) i temperatury końcowej (W t ) trzech cieczy jonowych względem oleju parafinowego. Oznaczenia cieczy zgodnie z Rys. 1 Fig. 2. Relative values of average friction coefficient (W µ ), wear scar diameter (W d ) and final temperature (W t ) of three ionic liquid in comparison to paraffin oil. Symbols of liquids as on Fig. 1

6 112 T R I B O L O G I A Zdecydowanie najkorzystniejsze właściwości wykazuje 3-aminotriazolan 1-heksylo-3-metyloimidazoliowy [1H3MI][3ATA], dla którego wartości µ, d i t wzrastają w stosunku do oleju parafinowego o odpowiednio 43, 31 i 15%. Pośrednie wartości przyjmuje 1,2,4-triazolan 1-heksylo-3-metyloimidazoliowy [1H3MI][124TA], a najmniejsze benzotriazolan 1-heksylo-3-metyloimidazoliowy [1H3MI][BTA]. Jednak i dla tej cieczy jonowej obniżenie zmniejszenie średnicy skazy jest znaczące (ok. 25%). Dodatkową miarą zużycia są profile śladów zużycia. Przedstawione wyniki (Rys. 3) potwierdzają tendencję zmian określoną przez pomiar średnicy skazy (d). Olej mineralny [1H3MI][BTA] [1H3MI][124TA] [1H3MI][3ATA] Rys. 3. Profile zużycia kulek uzyskanych po 3600-sekundowych testach na aparacie czterokulowym przy obciążeniu 2 k i prędkości obrotowej wrzeciona 200 obr./min, dla oleju parafinowego oraz imidazoliowych cieczy jonowych. Profilometr TOPO 01P Fig. 3. Profiles of balls after seizure tests on four-ball tester (rotational speed 200 rpm, load 2 k, test duration 3600 s) for paraffin oil and imidazolium ionic liquids. TOPO 01P profilometer a podstawie uzyskanych rezultatów (Rys. 3) można stwierdzić, iż profil skazy kulki po testach tarciowych z wykorzystaniem oleju parafinowego charakteryzuje się największym zużyciem oraz znaczącymi zmianami chropowatości powierzchni. Uzyskane rezultaty są potwierdzeniem tendencji zmian średnicy skazy jako miary zużycia (Rys. 2).

7 T R I B O L O G I A 113 PODSUMOWAIE Jako nowe bazy substancji smarowych zaproponowano ciecze jonowe mające wspólny kation, a różniące się anionem. Zaliczane są one do surowców określanych mianem zielonej chemii [L. 4, 5]. Dlatego mogą być one nową, ekologiczną bazą. Uzyskane wyniki pomiarów: współczynnika tarcia, średnicy skazy, temperatury końcowej odnoszono do analogicznych wielkości wyznaczonych dla oleju parafinowego. Jest on także ekologiczną bazą wykorzystywaną w praktyce smarowej (przemysł: spożywczy, farmaceutyczny, kosmetyczny). Uzyskane w zadanych warunkach tarcia rezultaty wskazują wyraźnie, że ciecze jonowe wykazują korzystniejsze charakterystyki tribologiczne. ajwiększe obniżenie wartości µ (o 43%) i d (o 31%) obserwuje się dla 3-aminotriazolanu 1-heksylo-3-metyloimidazoliowego [1H3MI][3ATA]. Dodatkowym argumentem wykorzystania cieczy jonowej jest fakt, że są one dobrymi rozpuszczalnikami dla wielu związków, a więc ich właściwości tribologiczne mogą być względnie łatwo modyfikowane przez różne typy dodatków. Można więc uznać, że postawiona hipoteza o możliwości zastosowania cieczy jonowych jako nowych, ekologicznych baz substancji smarowych zastała udokumentowana. Będzie ona weryfikowana także dla innych cieczy jonowych różniących się zarówno rodzajem kationu, jak i anionu. Praca finansowana ze środków Ministerstwa auki i Szkolnictwa Wyższego w latach Grant r LITERATURA 1. Ratoi M., Spikes H.A., Lubricating properties of aqueous surfactant solutions, Tribology Transactions, 42, 1999, Sułek M.W., Waslewski T., Influence of critical micelle concentration (CMC) on tribological properties of aqueous solutions of alkyl polyglucosides, Tribology Transaction, 2009, 52, 2009, Sułek M.W., Aqueous solutions of oxyethylated fatty alcohols as model lubricating substances, rozdział w książce pt. Surfactants in Tribology, Ed. G. Biresaw, K.L. Mittal, Wyd. CRC (Taylor & Francis), ew York, 2008, s Minami I., Ionic liquids in tribology. Molecules 14/6 (2009)

8 114 T R I B O L O G I A Pernak J., Ciecze jonowe. Związki na miarę XXI wieku, Przemysł Chemiczny, 82/8-9, 2003, Bermúdez M.-D., and Jiménez A.-E., Surface interactions and tribochemical processes in Ionic Liquid lubrication of aluminium-steel contacts, Int. J. Surface Science and Engineering, Vol. 1, o. 1, XuQing Liu, Feng Zhou, YongMin Liang, WeiMin Liu, Tribological performance of phosphonium based ionic liquids for an aluminum-on-steel system and opinions on lubrication mechanism, Wear 261 (2006) Jiménez A.E., Bermúdez M.D., Carrion F.J., Martínez-icolas G., Room temperature ionic liquids as lubricant additives in steel aluminium contacts: Influence of sliding velocity, normal load and temperature, Wear 261 (2006) Sułek M.W., Wasilewski T., Ogorzałek M., Bąk A., Pernak J., Walkiewicz F., Charakterystyki tribologiczne cieczy jonowych zawierających kation amoniowy, Tribologia 4/2009 (226) Sułek M.W., Wasilewski T., Ogorzałek M., Bąk A., Skrzek P., Pernak J., Walkiewicz F.. Właściwości tribologiczne wybranych cieczy jonowych w skojarzeniach materiałowych: stal PA6 i stal PMMA, Tribologia 4/2009 (226) Piekoszewski W., Szczerek W., Tuszyński M., The Action of Lubricants Under Extreme Conditions in a modified Four-Ball Tester, Wear 249/2001, ASTM D Standard Test Method for Determination of the Coefficient of Friction of Lubricants Using the Four-Ball Wear Test Machine. 13. Instrukcja obsługi i użytkowania. Modułowy system do pomiaru topografii powierzchni profilometr TOPO 01P. Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania. Kraków Recenzent: Stanisław PŁAZA Summary This paper concerns research on new, effective lubricant bases that reduce friction and seizure. It is shown, that ionic liquids are substances that influence the reliability and durability of tribosystems. At room temperatures, they are liquids and consist of only ions. Tri-

9 T R I B O L O G I A 115 bological characteristics of three imidazolium compounds differing in anion were researched. Tribological investigation was carried out on a four-ball tester (T-02), steel-steel contact. Motion resistance (friction coefficient) and seizure (wear scar diameter) were analysed. Profiles of balls after tests were also analysed. Ionic liquids researched have better tribological characteristics in comparison to paraffin oil. The lowest (0.08) friction coefficient value was obtained for an ionic liquid containing 3-aminotriazolan anion. It is stated that imidazolium ionic liquids can be an effective base for lubricants.