耐高溫導(dǎo)電新型潤(rùn)滑劑(1-甲基-3-乙酰亞甲基咪唑氯化銨離子液體)的制備

王曉忠，黃振宇，吳 瓊，王 寧，楊璐璐，王 藝，王曉彤

(1.河北民族師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，河北 承德 067000；2.河北師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)院，河北 石家莊 050024)

離子液體是指在室溫溫度范圍內(nèi)呈液體狀態(tài)的離子體系，而或者說，離子液體是僅由離子所組成的液體。因?yàn)殡x子液體的“可設(shè)計(jì)性”和“修飾性”，所以功能化的離子液體備受人們關(guān)注；即在離子液體的陽(yáng)離子或陰離子上引入一個(gè)或者兩個(gè)以上功能團(tuán)，使其具有某種特殊功能或特性。前人研究離子液體的性能主要有：綠色溶劑、高效催化劑及其在化學(xué)反應(yīng)、分離過程、電化學(xué)和其他領(lǐng)域中的應(yīng)用，并指出離子液體在太陽(yáng)能電池、雙電層電容器等應(yīng)用化學(xué)(電池化學(xué))方面的應(yīng)用大有前途。因此，離子液體被稱作21世紀(jì)的“三大綠色溶劑”之一，但是離子液體在應(yīng)用于工業(yè)化的過程中，一些顯著的問題逐漸顯現(xiàn)出來，例如離子液體在的制作成本較高、部分離子特體額粘度很大，所以一部分離子液體研究只作為探索。而離子液體的真正大規(guī)模應(yīng)用應(yīng)當(dāng)追溯到1992年，美國(guó)科學(xué)家WIKES領(lǐng)導(dǎo)的課題組研究出了對(duì)水空氣都很穩(wěn)定離子液體，這種離子液體以[BF6]-為陰離子以一系列咪唑集團(tuán)為陽(yáng)離子的新型離子液體，之后提出了綠色化學(xué)概念，自此以后，離子液體的研究在全世界范圍內(nèi)掀起了熱潮

離子液體本身具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、良好的化學(xué)和熱力穩(wěn)定性、粘度變化具有較寬的溫度適應(yīng)范圍，及本身具有極低的蒸汽壓，不易揮發(fā)、不燃燒、無味因此致力于開發(fā)綠色的環(huán)境友好的耐高溫導(dǎo)電的新型潤(rùn)滑劑成為可能。

本文研究的是耐高溫導(dǎo)電的新型潤(rùn)滑劑制備方法主要運(yùn)用文獻(xiàn)法、實(shí)驗(yàn)合成優(yōu)選法。主要以N-甲基咪唑，1-氯代丙酮，為主要原料，設(shè)計(jì)合成1-甲基-3-乙酰亞甲基咪唑離子液體。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)藥品

實(shí)驗(yàn)儀器見表1，實(shí)驗(yàn)藥品見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

表1(續(xù))

表2 實(shí)驗(yàn)藥品

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

1.2.1 1-氯代丙酮的制備原理

MnO2+4HCl(濃)===MnCl2+Cl2+2H2O(反應(yīng)需在加熱條件下進(jìn)行)

1.2.2 1-甲基-3-乙酰亞甲基咪唑的制備原理

1.3 實(shí)驗(yàn)部分

1.3.1 1-氯代丙酮的合成

在250 mL三頸燒瓶中加入依次加入10 g CaCO3和20 mL丙酮，充分震蕩后使其混合均勻(加熱溫度為60℃)，在燒瓶上方裝上冷凝管，冷凝管另一側(cè)接上尾氣吸收(Cl2)裝置,尾氣用5%的氫氧化鈉吸收，裝置中央連有裝有濃硫酸的集氣瓶(吸水，干燥作用)集氣瓶另一端連裝有二氧化錳圓底燒瓶，圓底燒瓶上端連裝有濃鹽酸的分液漏斗(制氯氣裝置，加熱溫度為八十度)。向三頸燒瓶中通入氯氣3 h后，收集成品，用30 mL乙醚過濾，使固體充分變?yōu)榉勰^濾取有機(jī)物，水浴蒸餾(蒸出乙醚和丙酮)，稱量產(chǎn)物質(zhì)量為11.62 g(0.1256 mol)，產(chǎn)率為46.52%。

1.3.2 1-甲基-3-乙酰亞甲基咪唑氯化銨離子液體的合成

常規(guī)合成法：向100 mL圓底燒瓶中加入10 mL N-甲基咪唑(p=1.03 g/mL，n=0.1255 mol)和11.62 g 1-氯代丙酮(物質(zhì)的量比為1∶1.001)，再向其中加入50 mL甲苯，加入磁子(橢形磁子)，將燒瓶置于帶有磁力攪拌器的恒溫油浴裝置中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速r=100 r/min，將水浴溫度調(diào)節(jié)至70℃，在燒瓶上方裝上一根空氣冷凝管,在裝置中通入氮?dú)? min后，在空氣冷凝管另一端用充滿氮?dú)獾臍馇蜃鳛榈獨(dú)獗Ｗo(hù)裝置，恒溫?cái)嚢?4 h，反應(yīng)完成后冷卻至室溫，再用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將其中的甲苯蒸出，待旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的燒瓶中不再有氣泡產(chǎn)生后，繼續(xù)旋蒸5 min，完成后，趁熱將燒瓶中的液體倒出，所得產(chǎn)物為黃褐色液體，通過分離提純?cè)撘后w即得到產(chǎn)率為79%的1-甲基-3-乙酰亞甲基咪唑離子液體。

1.3.3 產(chǎn)物的IR光譜分析

圖1 1-甲基-3-乙酰亞甲基咪唑氯化銨離子液體的IR光譜

圖2 N-甲基咪唑的IR光譜分析

綜上圖所示，圖1和圖2是產(chǎn)品試樣和N-甲基咪唑的IR光譜圖，通過比對(duì)分析N-甲基咪唑的C-N單鍵伸縮波數(shù)為1230 cm-1且強(qiáng)吸收峰,在產(chǎn)物試樣中沒出現(xiàn)。而產(chǎn)物試樣的IR光譜的波數(shù)1170 cm-1且強(qiáng)吸收峰是離子液體中咪唑環(huán)平面CH的變形振動(dòng)，但這個(gè)峰在反應(yīng)物甲基咪唑IR光譜中沒有出現(xiàn)。這是因?yàn)楫a(chǎn)物試樣的分子中3號(hào)氮上連上了-CH2COCH3基，使咪唑環(huán)平面CH的產(chǎn)生變形振動(dòng)其波數(shù)為1170 cm-1且強(qiáng)吸收峰[10]。從而證明-COCH3連在了N-甲基咪唑的3號(hào)氮上，合成了1-甲基-3-乙酰亞甲基咪唑氯化銨離子液體即制取的產(chǎn)品。

2 產(chǎn)品合成實(shí)驗(yàn)小結(jié)

本文對(duì)1-氯代丙酮的制備進(jìn)行了優(yōu)化，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性和產(chǎn)率。對(duì)1-甲基-3-乙酰亞甲基咪唑離子液體的合成方法進(jìn)行改進(jìn)，提高了反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)周期，有效地提高了產(chǎn)率，提高了原子的經(jīng)濟(jì)性，符合新型化學(xué)實(shí)驗(yàn)中綠色化學(xué)的實(shí)驗(yàn)理念。

3 產(chǎn)品參數(shù)測(cè)定

3.1 動(dòng)力黏度測(cè)定

表1 物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1數(shù)據(jù)分析：在溫度423 K時(shí)，運(yùn)動(dòng)黏度為8 mm2/s，此參數(shù)具備耐高溫導(dǎo)電潤(rùn)滑劑要求。

3.2 分解溫度、電導(dǎo)率、酸度測(cè)定

表2 物質(zhì)的分解溫度、 電導(dǎo)率(285 K)、 酸度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2數(shù)據(jù)分析：從分解溫度是573 K，即是攝氏300℃，電導(dǎo)率在285 K和398 K時(shí)分別為1210 μS/cm和56.3℃ 7370 μS/cm 導(dǎo)電性能良好，為且酸度為中性。本產(chǎn)品此類參數(shù)表明本產(chǎn)品作為高溫導(dǎo)電潤(rùn)滑劑是現(xiàn)在所有常用油品潤(rùn)滑劑產(chǎn)品所不能達(dá)到的。

3.3 凝固點(diǎn)測(cè)定

調(diào)節(jié)冰水溫度于指定溫度，藥品在玻璃片上涂抹均勻使玻璃片于冰水接觸十分鐘，用溫度計(jì)測(cè)量玻璃溫度是否達(dá)到指定溫度，放于體式顯微鏡觀察。

由表3數(shù)據(jù)分析：所示凝固點(diǎn)在零度及十五度之間均不凝固，其凝固點(diǎn)小于等于零度。在低溫情況下仍為液態(tài)，沒有結(jié)晶固化現(xiàn)象。此參數(shù)符合耐高溫導(dǎo)電潤(rùn)滑劑要求。

表3 物質(zhì)的凝固點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 閃點(diǎn)測(cè)定

1-甲基-3-乙酰亞甲基咪唑離子液體揮發(fā)性非常小，通過實(shí)驗(yàn)在溫度573 K分解溫度時(shí)仍不爆燃，所以閃點(diǎn)高于573 K。故在高溫情況下作為潤(rùn)滑劑也不會(huì)發(fā)生燃燒爆炸。此參數(shù)符合耐高溫導(dǎo)電潤(rùn)滑劑要求。

4 結(jié)論

通過優(yōu)選實(shí)驗(yàn)合成產(chǎn)率較高的1-甲基-3-乙酰亞甲基咪唑氯化銨離子液體，并對(duì)該產(chǎn)品的作為耐高溫導(dǎo)電的潤(rùn)滑劑的主要參數(shù)運(yùn)動(dòng)粘度、導(dǎo)電率、酸度、濁點(diǎn)、閃點(diǎn)作了檢測(cè)，得出初步結(jié)論是此產(chǎn)品可以作為溫度較高及需要導(dǎo)電的特殊環(huán)境中作為潤(rùn)滑劑。