CN101469289A - 水基金属切削液组合物及制备方法 - Google Patents

水基金属切削液组合物及制备方法 Download PDF

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王晓波
王建华
张明
赵改青
夏延秋
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Abstract

本发明公开了一种含纳米润滑添加剂的环境友好水基金属切削液及其制备方法。组合物包括胶溶纳米二氧化硅、聚乙二醇、硼化二乙醇胺、苯***和去离子水。组合物不含亚硝酸钠、酚以及氯、硫、磷极压剂等物质，符合环保要求；而且由于纳米氧化硅的引入，具有优异的润滑性能。

Description

水基金属切削液组合物及制备方法
技术领域
本发明涉及金属加工润滑技术，特别涉及一种含纳米润滑添加剂的环境友好水基金属切削液及其制备方法。
背景技术
众所周知，在金属切削加工中切削液是必不可少的。随着机械加工业的发展，人们开始大力发展先进的制造技术，同时不断涌现出新工艺来适应新材料的加工，这都需要新型的高性能切削液来满足加工要求。更重要的是，随着人们环保意识的增强，清洁生产、绿色制造已成为发展先进制造技术的主题之一。由于切削液在使用、处理、排放过程中占有和消耗大量的能源和资源，与此发生的相关的费用约占生产加工总费用的30％。所以，研究和开发新型切削液来满足越来越高的加工要求，同时节能降耗，改善和减少切削液等因素给环境带来的污染，实现制造过程中的清洁化生产，是我们面临的新课题。随着切削速度的提高和切削热的大大增加，油基切削液因油的导热性和比热较水小得多，因此用油作为切削液已不能满足要求。目前，冷却性能较好的水基切削液得到了很大的发展。
对于水基切削液的性能通常具有如下的要求：(1)优异的极压抗磨性；(2)优良的防锈性；(3)较好的抗硬水性；(4)对环境无污染；(5)与其他添加剂物质有良好的配伍性；(6)化学稳定性及抗微生物特性；(7)对多种切削方式及工件材料的广泛通用性。在上述性能中，极压抗磨性能对切削液的使用性能至关重要，极压抗磨性能差的切削液会导致、切削刀具的损坏，被加工工件表面质量不过关等。切削液极压抗磨性能的提升是通过加入润滑添加剂而获得的，因此，切削液发展的关键是优异润滑添加剂的获得。
当前，用于水基切削液的润滑添加剂主要为一些含S、P、Cl等元素的有机化合物，它们虽有一定的极压抗磨性能，但会对环境造成严重污染。随着人们对工作、生活环境要求的提高，这些添加剂的使用将受到越来越严格的控制。从而，使用环境友好的润滑添加剂发展新型切削液的配方具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环境友好水基金属切削液组合物，其具有良好润滑性能的和环境友好的特征。
本发明的另一目的在于提供一种环境友好水基金属切削液组合物的制备方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种水基金属切削液组合物，包括如下组分和含量，其中，含量以重量百分数计：
胶溶纳米二氧化硅：  0.1～20％
聚乙二醇：          0.1～20％
硼化二乙醇胺：      0.2～1.0％
苯***：            0.1～0.3％
去离子水：          余量。
所述的胶溶纳米二氧化硅，是指可形成稳定胶体分散体系的、粒径在5～500纳米间的无定形二氧化硅颗粒。
所述的聚乙二醇分子量范围在50～8000之间。
水基金属切削液组合物的制备方法，其特征为该方法由以下步骤组成：(a)配制正硅酸乙酯的无水乙醇溶液，(b)在搅拌下加入一定量的氨水，于搅拌下反应0.5～24小时，(c)加入聚乙二醇组份，(d)蒸去溶剂及氨水，然后加热至100～200℃反应0.5～1小时得到胶溶纳米二氧化硅(e)加入去离子水、硼化二乙醇胺以及苯***进行混合。
在上述制备方法中，正硅酸乙酯的无水乙醇溶液摩尔浓度为0.01～0.5摩尔/升。
在上述制备方法中，加入氨水的量为正硅酸乙酯无水乙醇溶液重量的2～20％。
采用上述方法制备的水基金属切削液组合物，其中含有0.1～20％的纳米氧化硅，氧化硅的粒径根据反应条件可以在5～500纳米间调控，氧化硅与其它组份形成了稳定的胶体分散液，使所制备水基金属切削液组合物呈透明或乳白色半透明清液，即使长期静置也不会发生氧化硅颗粒的析出或沉淀。
所说的氧化硅的粒径根据反应条件可以在5～500纳米间调控，是指通过加氨水的量来实现。
众所周知，氧化硅是一种无毒害物质。同时，氧化硅的纳米颗粒具有独特的光、电、磁、热、超导及力学特性。如，添加纳米二氧化硅的塑料产品其防水性能、透明度和韧性大大提高；添加纳米二氧化硅的橡胶，其弹性、耐磨性都会明显优于常规的炭黑作填料的橡胶；添加纳米二氧化硅，可改善溶剂基涂料的悬浮稳定性差、触变性差、耐候性差、耐洗刷性差等缺点，涂膜与墙体结合强度、涂膜硬度、表面自洁能力等也显著增加。
本发明的研究发现，将环境友好的氧化硅纳米颗粒引入金属切削液的配方体系中可极大的提高切削液的润滑性能。
氧化硅纳米颗粒之用于金属切削液的前提是氧化硅可以稳定分散于切削液中，然而，将通常的氧化硅纳米粉直接加入到水或其它液体中，难以形成稳定的胶体分散液，随着静置时间的延长，氧化硅纳米粉会逐渐沉淀出来。本发明的制备方法通过原位制备与原位修饰，从根本上解决了氧化硅纳米颗粒在金属切削液组份中的分散稳定性问题。
现有技术相比，本发明将氧化硅纳米颗粒作为润滑添加剂引入金属切削液体系中。传统的硫、磷、氯等极压抗磨添加剂在切削过程中易分解，产生具有腐蚀性的硫、氯化物导致弓箭和机床生锈，特别是在加工铸铁是更为明显。本发明中的水溶性纳米添加剂二氧化硅纳米颗粒具有良好减摩和抗磨作用，以及较为优异的极压性能，用其来替代传统极压剂，一方面可以大幅提高金属切削液的润滑性能，另外也使得该金属切削液具有优异的环保性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步具体的描述。
实施例1
在2000ml反应瓶中加入0.2mol正硅酸乙酯(TEOS)与980mL的乙醇溶液，混合后并置于50℃的恒温水浴中，在连续搅拌条件下快速将20mL氨水滴入混合液中，使之均匀混合反应5小时。待反应完毕后，加入20g分子量为500的聚乙二醇，蒸馏出乙醇及氨水，升温到110℃并保温反应1小时。降温后，加入2克硼化二乙醇胺，3克苯并三氮唑，然后加去离子水500毫升，搅拌均匀即得产品。
为说明本发明技术方案所达到的效能，特配制对比例，其组份中不含纳米氧化硅，其它成份与实施例相同。
采用德国Optimol油脂公司生产的SRV-IV微动摩擦磨损试验机进行实施例考察，所用上试球为SAE52100钢球(59～61HRC)，下试盘为SAE52100钢盘。参考美国材料试验协会ASTM D5706方法测定产品的承载能力，测试条件为：振幅1mm、频率20Hz、温度25℃、每级加载100N，每级持续时间2min，直到发生卡咬为止，以发生卡咬的载荷表示润滑剂承载能力。在如下条件下进行试验：振幅1mm、频率20Hz、温度25℃、载荷100N、时间10min，完成后以钢盘表面磨损体系表示润滑剂的抗磨性能。以测试过程中的平均摩擦系数表示润滑剂的减摩性能。测试结果如附图2，试验结果表明实施例1的环境友好水基金属切削液组合物具有优异的润滑性能。
实施例2
在2000ml反应瓶中加入0.2mol正硅酸乙酯(TEOS)与960mL的乙醇溶液，混合后并置于50℃的恒温水浴中，在连续搅拌条件下快速将40mL氨水滴入混合液中，使之均匀混合反应5小时。待反应完毕后，加入20g分子量为500的聚乙二醇，蒸馏出乙醇及氨水，升温到110℃并保温反应1小时。降温后，加入2克硼化二乙醇胺防锈剂，3克苯并三氮唑，然后加去离子水500毫升，搅拌均匀即得产品。
润滑性能的测试同实施例1，测试结果如附图2，试验结果表明实施例2的环境友好水基金属切削液组合物具有优异的润滑性能。
实施例3
在2000ml反应瓶中加入0.2mol正硅酸乙酯(TEOS)与950mL的乙醇溶液，混合后并置于50℃的恒温水浴中，在连续搅拌条件下快速将50mL氨水滴入混合液中，使之均匀混合反应5小时。待反应完毕后，加入20g分子量为500的聚乙二醇，蒸馏出乙醇及氨水，升温到110℃并保温反应1小时。降温后，加入2克硼化二乙醇胺防锈剂，3克苯并三氮唑，然后加去离子水500毫升，搅拌均匀即得产品。
润滑性能的测试同实施例1，测试结果如附图2，试验结果表明实施例3的环境友好水基金属切削液组合物具有优异的润滑性能。
实施例4
在2000ml反应瓶中加入0.2mol正硅酸乙酯(TEOS)与920mL的乙醇溶液，混合后并置于50℃的恒温水浴中，在连续搅拌条件下快速将80mL氨水滴入混合液中，使之均匀混合反应5小时。待反应完毕后，加入20g分子量为500的聚乙二醇，蒸馏出乙醇及氨水，升温到110℃并保温反应1小时。降温后，加入2克硼化二乙醇胺防锈剂，3克苯并三氮唑，然后加去离子水500毫升，搅拌均匀即得产品。
润滑性能的测试同实施例1，测试结果如附图2，试验结果表明实施例4的环境友好水基金属切削液组合物具有优异的润滑性能。
表1为本发明中所制备实例1～4的承载能力、抗磨以及减摩性能。从表中数据可以看出所有实施例的环境友好水基金属切削液组合物均具有优异的润滑性能。
表1
 
粒径，nm SD，N 磨损体积，×106μm3 摩擦系数
基础液 300 1.057 0.2211
实施例1 10 ≥1600 1.037 0.1792
实施例2 20 1300 1.040 0.1872
实施例3 50 1000 1.135 0.1894
实施例4 100 900 1.233 0.1906

Claims (4)

1、一种水基金属切削液组合物，包括如下组分和含量，其中，含量以重量百分数计：
胶溶纳米二氧化硅：            0.1～20％
聚乙二醇：                    0.1～20％
硼化二乙醇胺：                0.2～1.0％
苯***：                      0.1～0.3％
去离子水：                    余量。
2、如权利要求1所述水基金属切削液组合物的制备方法，其特征在于该方法由以下步骤组成：(a)配制正硅酸乙酯的无水乙醇溶液，(b)在搅拌下加入一定量的氨水，于搅拌下反应0.5～24小时，(c)加入聚乙二醇组份，(d)蒸去溶剂及氨水，然后加热至100～200℃反应0.5～1小时得到胶溶纳米二氧化硅(e)加入去离子水、硼化二乙醇胺以及苯***进行混合。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于正硅酸乙酯的无水乙醇溶液摩尔浓度为0.01～0.5摩尔/升。
4、如权利要求2所述的方法，其特征在于加入氨水的量为正硅酸乙酯无水乙醇溶液重量的2～20％。
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