Fosfoniumjonvätskor har tidigare studerats som potentiella nya avancerade smörjmedel på grund av sina unika fysikaliska egenskaper och fördelar jämfört med både traditionella smörjmedel och andra typer av jonvätskor. Dessa studier har uppvisat lovande resultat med avseende på reducering av nötning och friktion såväl som kontroll av dessa parametrar med en pålagd elektrisk potential. En multitud av frågor återstår dock att besvara om strukturering av jonarter i den skyddande gränssnittfilmen som bildas och kopplingen mellan strukturella drag i de involverade jonarterna och den skyddande funktionen av gränsnittsfilmen. I denna avhandling studeras ett flertal mono och dikatjon fosfoniumjonvätskor med icke halogena bis(oxalato)borat anjoner såväl som en binär blandning av dessa av intresse som nya avancerade smörjmedel och som additiv med neutronreflektometri vid ett elektrifierat elektrodgränssnitt med syfte att studera strukturella egenskaper av den gränsnittsfilmen som bildas samt elektroresponsiviteten av denna film. Resultaten av detta uppvisar egenskaper om både struktureringen av jonarterna och deras elektroresponsivitet av intresse för den fortsatta utvecklingen av avancerade smörjmedelslösningar med fosfoniumjonvätskor. / Phosphonium ionic liquids(ILs) has previously been investigated as advanced novel lubricants because of their physical unique properties and advantages compared to traditional lubricants and other ILs. These studies have showed promising results in wear and friction reduction as well as the tribotronic control of those properties. A multitude of questions however remain about the interfacial structuring of these protective films and the connection between structural features in the ionic species to the protective function of the interfacial film.In this thesis multiple non-halogenated mono- and di-cationic phosphonium ionic liquids with bis(oxalato)borate anion as well as a binary mixture of interest for advanced neat lubricants or additives has been studied by neutron reflectometry at an electrified electrode interface to investigate interfacial properties and electroresponsiveness of the species. The results elucidate properties of the structuring of key to the further development of phosphonium ILs for use in advanced lubrication formulations.

The interfacial structuring of three non-halogenated ionic liquids was examined at the air-liquid interface for both dry and humid condition by analysis of X-ray reflectometry data using a slab model approach. The aim was to investigate the effect of humidity on the air-liquid interface. Pure ionic liquids as well as solutions of 5% w/w and 20% w/w in propylene carbonate were examined. Three different cations were used, a phosphonium cation ([P6,6,6,14]+) and two dialkylimidazolium cations ([C6C1Im]+ and [C10C1Im]+). The anion was bis(mandelato)borate ([BMB]-), which is a non-commercial anion that has been shown to exhibit excellent tribological properties. The results reveal that the presence of ambient water has an impact on the interfacial structure and the layering of all pure ionic liquids, as well as most cases of ionic liquid solutions. Exposure to humidity had the largest response in the case of all pure and diluted solutions of [C6C1Im][BMB], for which a more pronounced layering was observed. The [P6,6,6,14][BMB] solutions did not exhibit any significant changes when exposed to ambient water, with the 20% w/w solution proving to be the most stable. / Gränsskiktsstrukturen hos tre olika icke-halogenerade jonvätskor undersöktes vid luft-vätskegränsskiktet för både torra och fuktiga förhållanden genom analys av data från en röntgen reflektometer med en “slab model approach”. Målet var att undersöka effekten av luftfuktighet på luft-vätskagränsskiktet. Rena jonvätskor såväl som lösningar av 5 och 20 vikt-% utspädda i propylenkarbonat undersöktes. Tre olika katjoner användes, en fosforkatjon ([P6,6,6,14]+) samt två dialkylimidazoliumkatjoner ([C6C1Im]+ och [C10C1Im]+). Anjonen var bis(madelato)borat ([BMB]-), vilket är en icke-kommersiell anjon som har visat bra tribologiska egenskaper. Resultatet visar att närvaron av omgivande vatten har en påverkan på gränsskiktsstrukturen samt skiktning hos alla rena jonvätskor och de flesta utspädda lösningar. Exponering för fuktighet hade den största inverkan på alla rena och utspädda lösningar av [C6C1Im][BMB], för vilka en mer distinkt skiktning kunde observeras. [P6,6,6,14][BMB] lösningar uppvisade inga signifikanta ändringar vid exponering till fuktig luft, där den lösning med 20 vikt-% visade sig vara mest stabil.

Ionic liquids (ILs) present new approaches for controlling interactions at the solid-liquid interface. ILs are defined as liquids consisting of bulky and asymmetric ions, with a melting point below 373 K. Owing to their amphiphilic character they are powerful solvents but also possess other interesting properties. For example, ILs can self-assemble and are attracted to surfaces due to their charged nature. As a result, they are capable of forming nanostructures both in bulk and at interfaces. This thesis describes how the solid-IL interface responds to external influences such as elevated temperatures, the addition of salt and polarisation. An improved understanding of how these factors govern the surface composition can provide tools for tuning systems to specific applications such as friction. Normal and friction forces are measured for ethylammonium nitrate (EAN) immersed between a mica surface and a silica probe, at different temperatures or salt concentrations. The results demonstrate that an increase in temperature or low concentrations of added salt only induce small changes in the interfacial structure and that the boundary layer properties remain intact. In contrast, at sufficiently large salt concentrations the smaller lithium ion prevails and the surface composition changes. The interfacial layer of a similar IL is also investigated upon the addition of salt and the results reveal that lithium ions affect the surface composition differently depending on the ion structure of the IL. This demonstrates that the surface selectivity strongly depends on the ion chemistry. Remarkably, a repulsive double layer force manifests itself for EAN at 393 K, which is not observed for lower temperatures. This indicates a temperature dependent change in EAN’s microscopic association behaviour and has general implications for how ILs are perceived. A new method is developed based on a quartz crystal microbalance to investigate how the surface compositions of ILs respond to polarisation. The approach demonstrates that interfacial layers of both a neat IL and an IL dissolved in oil can be controlled using potentials of different magnitudes and signs. Furthermore, the method enables two independent approaches for monitoring the charges during polarisation which can be used to quantify the surface composition. The technique also provides information on ion kinetics and surface selectivity. This work contributes to the fundamental understanding of the solid-IL interface and demonstrates that the surface composition of ILs can be controlled and monitored using different approaches. / Jonvätskor möjliggör nya tillvägagångssätt för att kontrollera interaktioner vid gränsskiktet mellan fasta ytor och vätskor. Jonvätskor definieras som vätskor som består av stora och asymmetriska joner med en smältpunkt under 373 K. På grund av sin amfifila karaktär är de starka lösningsmedel men har också andra intressanta egenskaper. Jonvätskor kan till exempel självorganisera sig och attraheras till ytor på grund av sin laddning. En följd av detta är att de bildar nanostrukturer både i bulk och på ytor. Denna avhandling beskriver hur gränsskiktet mellan fasta ytor och jonvätskor svarar på yttre påverkan såsom en ökning i temperatur, tillsättning av ett salt samt polarisering. En ökad förståelse för hur dessa faktorer styr ytkompositionen av jonvätskor kan bidra med verktyg för att kontrollera system till specifika applikationer såsom friktion. Normala- och friktionskrafter mäts för etylammonium nitrat (EAN) mellan en glimmeryta och en kolloidprob vid olika temperaturer eller saltkoncentrationer. Resultaten visar att en ökning av temperatur eller låga koncentrationer av tillsatt salt bara marginellt framkallar ändringar i strukturen på gränsytan och att det adsorberade lagret förblir intakt. När saltkoncentrationen emellertid var tillräckligt hög får den mindre litiumjonen överhanden och ytsammansättningen ändras. Ytlagret av en liknande jonvätska undersöks också vid tillsättning av salt och resultaten avslöjar att litiumjoner påverkar ytsammansättningen annorlunda beroende på jonstrukturen av jonvätskan. Detta visar att ytselektiviteten starkt beror på jonkemin. En repulsiv dubbellagerkraft yttrar sig anmärkningsvärt för EAN vid 393 K vilket inte observeras vid lägre temperaturer. Detta indikerar en ändring i EANs mikroskopiska sammansättningsbeteende och har generella återverkningar för hur jonvätskor uppfattas. En ny metod har utvecklats baserad på en kvartskristall mikrovåg för att undersöka hur ytsammansättningen av jonvätskor reagerar på polarisering. Denna metod visar att det adsorberade lagret av både en ren jonvätska och en jonvätska löst i olja kan kontrolleras genom att applicera spänningar med olika tecken och storlekar. Dessutom möjliggör metoden två oberoende tillvägagångssätt för att övervaka laddningarna under polarisering vilket kan användas för att kvantifiera ytsammansättningen. Tekniken ger också information om jonkinetik och ytselektivitet. Detta arbete bidrar till den grundläggande förståelsen av gränsskiktet mellan fasta ytor och jonvätskor och visar att ytsammansättningen av jonvätskor kan kontrolleras och övervakas med olika tillvägagångssätt. / <p>QC 20160518</p>