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.