In this thesis ionic liquids (ILs) are investigated as prospective candidates for lubrication. Three custom synthesized phosphonium orthoborate type ILs were extensively studied from the prospective of molecular structuring both in bulk and at the interface and from the prospective of their lubricating performance as neat lubricants and as additives in oils. A wide selection of contact geometries and surface finishes has been utilized to broaden the applicability of the achieved results. Tribological performance of orthoborate ILs when used as additives in oils was additionally benchmarked against two commercial ILs - phosphonium phosphate, phosphonium phosphinate.

Studies on the bulk molecular mobility in the orthoborate ILs performed by means of Pulsed Field Gradient Nuclear Magnetic Resonance (PFG NMR) clearly showed that the distinct molecular organisation in these systems depends on the chemical structure of orthoborate anion. These results demonstrated a clear correlation with tests of the tribological performance of neat orthoborate ILs, where friction reduction, wear protection and particularities of surface interactions were shown to be clearly defined by anion chemistry. Moreover, this finding was further proven to be relevant when using ILs as additives in oils. A comparison of tribological performance of orthoborate ILs with phosphinate and phosphate ILs showed that a change in anion structure could basically revert the tribological performance of oil solution: from lower to higher friction and wear when compared to the neat oil lubricity.

One of the orthoborate ILs - trihexyltetradecylphosphonium bis(mandelato)borate (PBMB) – was selected for a thorough study when used as a sacrificial oil additive. A joint PFG NMR and Quartz Crystall Microbalance (QCM) study demonstrated the build-up of a PBMB rich film on a electrically charged surface. This provided an experimental prove for the possibility of electrostatically driven physisorption of ILs. Tribological tests performed on the same oil composition demonstrated that PBMB when reaching the surface triggered tribochemical reactions and formation of a surface protective tribofilm. 

Phosphonium orthoborate ILs demonstrated an outstanding performance (decreasing wear by up to 92% and friction by up to 50%) in lubricated mechanical contacts, both when used as neat lubricants and when used as additives. These results are based on an extensive study employing a wide variation in contact geometries, surface finish and motion type. The details of such performance are investigated through an extensive surface analysis and further linked to the chemical structure of the anion.

I denna avhandling studerades jonvätskor som potentiella kandidater som smörj-medel. Tre fosfoniumortoborat jonvätskor studerades avseende molekylära strukturen och prestationen vid kontaktsmörjning. Den molekylära strukturstudien fokuserade på aspekter av bulk såväl som gränssnitt. Smörjningsstudierna utfördes för både ren jonvätskor och jonvätskor som används som tillsatser till oljor. Ett brett utbud av kontaktgeometri och yttopografi metoder användes för att underlätta tolkningen av de erhållna resultaten. Två kommersiellt tillgängliga jonvätskor (fosfoniumfosfat och fosfoniumfosfinat) användes för att utvärdera den tribologiska prestationen av jonvätskor som tillsats till oljor. 

Den molekylära rörligheten studerades med hjälp av Kärnmagnetisk resonans diffusometri. Dessa studier visade tydligt att den distinkta molekylära organisationen var beroende av den kemiska strukturen av ortoboratanjon. Ett liknande samband mellan jonkemi noterades  i tester av den tribologiska prestation av ortoborat jontvätskor när det gäller friktionsreduktion, slitageskydd och ytinteraktioner. Dessa resultat var också relevanta för jonvätskor som används som tillsatser i oljor. Testning av tribologiska prestation hos ortoborater tillsammans med fosfinat- och fosfat-jonvätskor visade att en förändring i anjonstrukturen kan återställa den tribologiska prestation av en oljelösning: från lägre till högre friktion och slitage jämfört med den ursprungliga smörjförmågan. 

En av ortoborat jonvätskor, trihexyltetradecylfosfonium bis(mandelato)borat (PBMB) valdes ut för en djupare analys. Kombinationen av PFG NMR och Quartz Crystal Microbalance (QCM) experimentella metoder visade möjligheten att en PBMB-rik film byggdes upp på toppen av laddade ytor. Således etablerades möjligheten till elektrostatiskt driven fysisorption av jonvätskor experimentellt. Ytterligare tribologiska tester utförda på smörjoljor med tillsatt PBMB indikerade att yt-PBMB deltog i tribokemiska reaktioner och skapade en slitageskyddande tribofilm. 

Fosfoniumortoborat jonvätskor visade en enastående prestation vid smörjning av mekaniska kontakter både som ett rent smörjmedel eller som tillsatser: de minskade slitaget med upp till 92% och friktionen med 50%. Resultat erhölls från en stor studie där flera olika kontaktförhållanden uppnåddes genom variation av yttopografi och genom olika mekaniska arrangemang av den experimentella uppsättningen av tribotesten. De bakomliggande orsakerna till sådana prestandaförändringar undersöktes genom en omfattande ytanalys och kopplades vidare till anjonens kemiska struktur. 

One way to reduce energy consumption and waste - a necessity to achieve the UN-mandated limitation of average global temperature in-creases - is to select suitable lubricants so that energy-losses through friction and wear are minimised. In this context, non-halogenated ionicliquids (ILs) are promising candidates to achieve this aim due to their intrinsic ionic properties, low vapour pressure and high thermal stability. These are properties desirable for lubricants. Non-halogenated ILs area relatively new type of chemical compounds in tribology. Therefore, systematic studies are required in order to elaborate understanding oftheir functional properties and to increase their readiness level for use innew and emerging technologies such as battery electric vehicles.

This doctoral thesis focuses on the lubrication performance of ILs consisting of phosphonium or imidazolium cations and orthoborate anions. Tribological tests were performed with two different tribological configurations (continuous sliding ball-on-three plates tests and reciprocatingsliding ball-on-disc tests) under different tribological contact conditions(temperature, from 80◦ C to 140 ◦ C; sliding distances of 200 m, 2000 mand 4300 m). In addition, dynamic viscosity, density and ionic conductivity of these ILs were determined for comparative purposes e.g. with commonly used lubricants.

The elemental composition and the structure of the anionic and cationic constituents of the ILs determine their lubrication behaviour and their physical properties. The latter are mainly affected by the alkyl chain length of cations and other structural features, such as the presence of aromatic rings in anions. However, the lubricating performance of ILs depends on their elemental composition, their propensity to surface self-assembly and the effects of the breakdown products of these ILs induced by the thermo-mechanical conditions of the tribo-contact. Imidazolium-based ILs outperform phosphonium based ILs in terms of friction-reduction, but the opposite is observed for wear-prevention. This behaviour is attributable to the breakdown products of the imidazolium ILs caused by lubrication tests. Furthermore, contaminants/impurities present in the ILs (such as trace remnants of the precursor moleculesused in the synthesis of ILs) can affect lubrication, either through improved physical properties or through an accelerated breakdown of the ILs under tribo-contact conditions. This is demonstrated with a phosphonium bis(oxalato)-borate IL and the traces of its transition anionic complex (TAC). It is revealed, that there is a delicate balance to be struck between decomposition of the ILs/TAC and the beneficial effects of the decomposition products on friction and wear. This thesis also shows that the non-halogenated phosphonium IL, added to polar and non-polar biodegradable oils, can work as an anti-wear additive by forming boundary films. This effect was only minor in the case of the polar biodegradable oil due to the competition between the ions of the IL and the polar base oil molecules for surface area.

In conclusion, this work contributes significantly to the characterisation of non-halogenated ILs as novel lubricants. It does so by expanding the understanding of the influence of structural and elemental variationson their lubricating performance and physical properties. Furthermore, lubrication mechanisms for phosphonium and imidazolium ILs are suggested. As a consequence, non-halogenated ILs appear to be excellent candidates for more energy-efficient lubrication.

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.