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植物油基非质子型离子液体微乳液体系研究

王爱丽  
【摘要】:非质子型离子液体参与构建的微乳液体系研究为拓展离子液体在化学化工领域的应用提供了理论和技术支撑,但大多数研究局限在传统矿物油基溶剂为油相的离子液体微乳液体系的框架中。随着人们环保意识的提高,矿物油造成的环境污染已经引起高度关注。植物油具有可再生和生物降解性能好的巨大优势,不仅是矿物油基润滑油基础油的有效代替品,也可以取代传统矿物油参与构建油-水或油-离子液体微乳液体系。论文以植物油为非极性相,非质子型离子液体为极性相,成功构建出新型植物油基非质子型离子液体微乳液体系,全面系统地考察了油相种类、离子液体阴离子结构、阳离子碳链长度、表面活性剂结构、表面活性剂与助表面活性剂的质量比、助表面活性剂烷基链长度、温度及复配表面活性剂对非质子型离子液体微乳液体系相行为和成相能力的影响规律,获得了相关基础数据。研究表明:(1)油相分子的碳链长度和空间位阻效应影响离子液体微乳液体系的成相能力;(2)离子液体阴离子电负性越强,微乳液体系越容易形成;(3)当离子液体阳离子烷基侧链由C2增加到C8,离子液体微乳液体系的成相能力逐渐提高;(4)表面活性剂存在亲油亲离子液体平衡值,助表面活性剂的加入能够调节此值;(5)当助表面活性剂烷基链C2增加到C6,微乳液形成的自发性逐渐增加至最大,烷基链继续增加到C8,微乳液形成的自发性反而下降;(6)高温有利于植物油基非质子型离子液体微乳液体系的形成;(7)离子液体型表面活性剂1-辛基-3-甲基咪唑氯盐的加入可以有效增大体系的单相区面积,且用量越大,单相区面积越大。构建出系列单一表面活性剂作用和复配表面活性剂作用下的反相植物油基非质子型离子液体微乳液体系,系统研究了组分含量对三种微乳液体系的电导行为、微环境极性、粒径尺度及分布、粘温特性和摩擦学性能的影响规律。研究表明:对于单一表面活性剂作用的微乳液,(1)体系随油相含量的增加均会出现离子液体包油(O/IL)结构到双连续结构再到油包离子液体(IL/O)结构的转变;(2)IL/O微乳液体系中液滴均呈单分散状态,增加极性相含量能够线性增大微乳液液滴尺寸;(3)显色探针甲基橙增溶于微乳液的离子液体极性核中,随着离子液体含量增多,IL/O微乳液的微极性逐渐增大,但仍小于纯离子液体的极性;(4)微乳液形成的驱动力是曲拉通X-100(TX-100)分子末端-OH的O原子与离子液体咪唑环上的H1原子之间的氢键作用;(5)在测试温度范围内,IL/O微乳液不出现相分离,且随着离子液体用量增多,IL/O型微乳液的粘温特性增强;(6)IL/O微乳液的平均摩擦系数随时间延长出现持续规律性波动,相比市售400SN显示出更好的抗磨性能。对于复配表面活性剂作用的微乳液体系,(1)1-辛基-3-甲基咪唑氯盐的加入能够明显降低O/IL型微乳液的形成难度,降低摩擦系数,提高粘温特性;(2)微乳液界面发生Cl-与BF4-的离子交换,增大体系的形成驱动力。采用“稀释法”研究了蓖麻油基(CO-)、三油酸甘油酯基(GT-)、环氧大豆油基(ESO-)基非质子型离子液体微乳液体系的界面组成、结构参数及醇迁移过程的热力学性质。考察了离子液体阳离子烷基侧链长度、表面活性剂OE官能团数目、助表面活性剂烷基链长度及温度对上述参数的影响。研究表明:(1)随着离子液体烷基侧链的增长、表面活性剂OE官能团数目增多、温度升高,形成稳定的反相CO-、GT-、ESO-非质子型离子液体微乳液所需助表面活性剂醇的量均减少,离子液体液体极性核半径增大,液滴总数相应减少;(2)助表面活性剂能够调节体系界面膜的亲离子液体亲油平衡,烷基链越短的醇越容易从油相迁移到界面层,调节双亲平衡的作用效果越大,所需的醇量越少;(3)三种体系中醇的迁移吉布斯自由能变ΔGt0均为负值,表明CO-、GT-、ESO-体系均自发形成;(4)非水离子液体微乳液体系的自发形成过程既可能吸热,也可能放热,既可以是有序态,也可以是无序态,过程的类型关键取决于油品的种类和热力学条件。采用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/CO/TX-100/正丁醇微乳液为介质,利用“单微乳液法”,以无毒、环保的抗坏血酸为还原剂,成功原位合成出Cu-IL/CO微乳液体系,并考察了体系的润滑性能。研究表明:(1)原位合成的Cu-IL/CO体系中,纳米铜单分散在IL/CO微乳液中,颗粒平均粒径为5~20 nm,且反应时间、温度、纳米铜的理论浓度均对Cu-IL/CO体系的外观和粒径产生不同程度的影响;(2)紫外-可见吸收光谱图中能够检测到发生蓝移的球形纳米铜颗粒的特征吸收峰;(3)由于过量抗坏血酸的还原性、封端性及离子液体微乳液本身具有的稳定性,Cu-IL/CO微乳液体系具有高度稳定性;(4)随着Cu-IL/CO体系中纳米铜含量增加,体系的摩擦系数降低,磨斑直径减小,润滑性能显著提高。


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