We recently reported the use of cyclopropanecarboxylic acid (CPCa) as a model additive that can readily react under the combined effect of flash heating and stress in steel tribocontacts to form tribopolymers, along with marked improvement in tribological performance. In this paper, we present results of how chemical structural modification of CPCa may impact on the formation of tribopolymers and hence friction and wear properties, both by experiments and molecular dynamics simulation. Four lubricant additives, viz., CPCa, cyclobutanecarboxylic acid (CBCa), cyclopropane-1,1-dicarboxylic acid (CPDCa), and cyclobutane-1,1-dicarboxylic acid (CBDCa) consisting of a metastable ring structure and one or two carboxyl groups dissolved in an ester base oil were studied. Friction and wear rate using these additives rank in the order of CPDCa < CBDCa < CPCa < CBCa. Raman spectroscopy analysis reveals that these additive molecules form tribopolymer films at the contact area. Molecular dynamics simulation shows that CPCa with the less stable cyclopropane ring fragments more readily than CBCa. Such fragmentation appears to be essential for subsequent tribopolymerization and formation of protective tribofilms. These simulations further demonstrate that having two carboxyl groups as in the case of CPDCa results in stronger binding of the additive molecules to the surface, thus increasing the residence time and hence facilitating mechanically or thermally induced dissociation and subsequent polymerization. The net result is that CPDCa gives the lowest friction and negligible wear under our testing conditions.

中文翻译：

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摩擦学性能和摩擦聚合对所选环烷烃羧酸添加剂的表面结合强度的依赖性

我们最近报道了使用环丙烷羧酸（CPCa）作为模型添加剂，它可以在钢制摩擦接触中的快速加热和应力共同作用下反应形成摩擦聚合物，并在摩擦性能方面得到显着改善。在本文中，我们通过实验和分子动力学模拟，介绍了CPCa的化学结构改性如何影响摩擦聚合物的形成以及摩擦和磨损性能的结果。四种润滑剂添加剂，即CPCa，环丁烷羧酸（CBCa），环丙烷-1,1-二羧酸（CPDCa）和环丁烷1,1-二羧酸（CBDCa），由亚稳环结构和一个或两个羧基组成研究了溶解在酯基油中的基团。使用这些添加剂的摩擦和磨损率排名为CPDCa <CBDCa < CPCa <CBCa。拉曼光谱分析表明，这些添加剂分子在接触区域形成摩擦聚合物膜。分子动力学模拟表明，具有较不稳定环丙烷环片段的CPCa比CBCa更容易。这种碎裂对于随后的摩擦聚合和形成保护性摩擦膜似乎是必不可少的。这些模拟进一步证明，如在CPDCa的情况下具有两个羧基导致添加剂分子与表面更牢固的结合，从而增加了停留时间，并因此促进了机械或热诱导的解离和随后的聚合。最终结果是，CPDCa在我们的测试条件下具有最低的摩擦力和可忽略的磨损。拉曼光谱分析表明，这些添加剂分子在接触区域形成摩擦聚合物膜。分子动力学模拟表明，具有较不稳定环丙烷环片段的CPCa比CBCa更容易。这种碎裂对于随后的摩擦聚合和形成保护性摩擦膜似乎是必不可少的。这些模拟进一步证明，如在CPDCa的情况下具有两个羧基导致添加剂分子与表面更牢固地结合，从而增加了停留时间并因此促进了机械或热诱导的离解和随后的聚合。最终结果是，在我们的测试条件下，CPDCa的摩擦最小，磨损可忽略不计。拉曼光谱分析表明，这些添加剂分子在接触区域形成摩擦聚合物膜。分子动力学模拟表明，具有较不稳定环丙烷环片段的CPCa比CBCa更容易。这种碎裂对于随后的摩擦聚合和形成保护性摩擦膜似乎是必不可少的。这些模拟进一步证明，如在CPDCa的情况下具有两个羧基导致添加剂分子与表面更牢固地结合，从而增加了停留时间并因此促进了机械或热诱导的离解和随后的聚合。最终结果是，在我们的测试条件下，CPDCa的摩擦最小，磨损可忽略不计。分子动力学模拟表明，具有较不稳定环丙烷环片段的CPCa比CBCa更容易。这种碎裂对于随后的摩擦聚合和形成保护性摩擦膜似乎是必不可少的。这些模拟进一步证明，如在CPDCa的情况下具有两个羧基导致添加剂分子与表面更牢固地结合，从而增加了停留时间并因此促进了机械或热诱导的离解和随后的聚合。最终结果是，在我们的测试条件下，CPDCa的摩擦最小，磨损可忽略不计。分子动力学模拟表明，具有较不稳定环丙烷环片段的CPCa比CBCa更容易。这种碎裂对于随后的摩擦聚合和形成保护性摩擦膜似乎是必不可少的。这些模拟进一步证明，如在CPDCa的情况下具有两个羧基导致添加剂分子与表面更牢固的结合，从而增加了停留时间，并因此促进了机械或热诱导的解离和随后的聚合。最终结果是，在我们的测试条件下，CPDCa的摩擦最小，磨损可忽略不计。这些模拟进一步证明，如在CPDCa的情况下具有两个羧基导致添加剂分子与表面更牢固地结合，从而增加了停留时间并因此促进了机械或热诱导的离解和随后的聚合。最终结果是，在我们的测试条件下，CPDCa的摩擦最小，磨损可忽略不计。这些模拟进一步证明，如在CPDCa的情况下具有两个羧基导致添加剂分子与表面更牢固地结合，从而增加了停留时间并因此促进了机械或热诱导的离解和随后的聚合。最终结果是，在我们的测试条件下，CPDCa的摩擦最小，磨损可忽略不计。