CN113293056A - 一种pvdf水基复合润滑剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PVDF水基复合润滑剂及其制备方法，润滑剂包括以下按质量百分比的各组分：0.1～20％PVDF、0.1～30％NMP、0.06～12％聚四氟乙烯、0.1～15％亚甲基双萘磺酸钠、0.1～10％羧甲基纤维素盐、0.1～10％六方氮化硼、0.1～8％聚丙烯酰胺、0.1～5％消泡剂、0.1～15％磷酸盐、0.1～15％氧化镁、0.1～30％无水乙醇、余量水。本发明的复合润滑剂，环境友好，成本低廉；具有良好的润滑性和耐磨性，在保证水基润滑剂良好特性的同时，一定程度上提高润滑剂的分散性与粘附性，减少摩擦增加工件成形准确性和提高表面质量，减缓磨损以提高模具的使用寿命，极具应用前景。

Description

一种PVDF水基复合润滑剂及其制备方法
技术领域
本发明属于冷成形技术领域，涉及一种PVDF水基复合润滑剂及其制备方法，尤其是涉及一种冷成形用PVDF水基复合润滑剂及其制备方法。
背景技术
随着科学的不断进步，环境的可持续发展对生产提出了更高的要求，润滑作为摩擦学的重要研究领域之一，是控制摩擦、减少磨损、提髙机械化效率、减少能源损失、降低材料消耗、保证机器工作安全可靠的一种有效手段。冷塑性成形是一种先进的金属加工工艺，具有节省材料、省工时并能提高产品质量和功效等优点。在金属塑性成形的过程中，摩擦系数对于在确定工具的寿命和成品的质量方面起着至关重要的作用。摩擦导致热量产生，增加工具磨损和变形的不均匀性，进而导致缺陷和质量问题。因此，需要使用合理的润滑剂来减少摩擦，增加工件成形准确性和提高表面质量，减缓磨损以提高模具的使用寿命。
传统石油基润滑剂大多数都是矿物润滑油和合成润滑油，由于泄露、溢出和处理不当等原因，对环境造成了极大的危害，而人类居高不下的石油资源消费需求，更加剧了石油的消耗。水基润滑剂资源丰富，价格低廉；有很好的阻燃效果，清洁，不污染环境。因此，从可持续发展角度来说，研究拥有优异润滑性能的水基润滑剂是社会发展所需，同时也与国家的发展规划相辉映，具有巨大的市场前景和社会意义。
但是水又具有粘度低，润滑性较差，成膜能力差，黏着性不如润滑油，容易变质，容易蒸发，会锈蚀金属材料缺点，所以水无法单独作为润滑介质，为了改善水基润滑剂的性能，通常会在水溶液中加入各种添加剂对水进行适当的改性，如稠化剂、极压添加剂、分散剂、防锈剂、油性剂等。
聚合物在摩擦学领域的应用已经有了几十年的时间。从20世纪70年代开始，各国学者对于聚合物及其复合材料的摩擦性能的研究热潮一直未消退。为了获得理想的性能，聚合物摩擦材料一般都会有聚合物基体，增强材料和摩擦性能调节剂的三元复合体系，而且需要兼顾热学性能、机械性能和耐磨磨损性能、耐腐蚀性能等。目前，随着聚合物耐磨材料的应用变得广泛，对其性能的要求也越来越高。
因此，开发一种环保型且润滑性能良好的水基聚合物复合润滑剂极具现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有石油基润滑剂环境不友好的缺陷，提供一种环保型且润滑性能良好的水基聚合物复合润滑剂，具体为一种PVDF水基复合润滑剂，PVDF水基复合润滑剂具有易加工、比强度高、润滑性能好、耐腐蚀性好等特性，聚偏氟乙烯是一种常见链状半结晶型聚合物，与其他氟树脂一样，具有超高的耐气候性能，抗紫外、抗核辐射性能，优异的耐湿、防霉、防粘和防污染性能，同时有很高的机械强度、耐磨性和电绝缘性，极具应用前景。本发明的PVDF水基复合润滑剂具有良好的润滑性和耐磨性，在保证水基润滑剂良好特性的同时，一定程度上提高润滑剂的分散性与粘附性，减少摩擦增加工件成形准确性和提高表面质量，减缓磨损以提高模具的使用寿命
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种PVDF水基复合润滑剂，包括以下按质量百分比的各组分：0.1～20％PVDF(聚偏氟乙烯)、0.1～30％NMP(N-甲基吡咯烷酮)、0.06～12％聚四氟乙烯、余量水。其中PVDF(聚偏氟乙烯树脂)通常以乳液的形态制造，然后乳胶干燥，研磨成平均粒径2～4μm的细粉末。
在本发明的PVDF水基复合润滑剂中的主体试剂PVDF(聚偏氟乙烯)，其兼具氟树脂和普通热塑性树脂的特性，是一种线性热塑性半结晶同质多晶型聚合物，不光有着优异的耐腐蚀性、抗氧化性、耐候性、防射线辐射性，还有着良好的热电性、压电性、介电性，是目前所有含氟聚合物中产量排名第二的产品，另一主体试剂聚四氟乙烯(PTFE)具有独特的全氟碳结构，无支链、线性、晶体中呈现螺旋构象，这种特殊的结构使PTFE具有优异的化学稳定性、耐高低温，因而广泛应用于石油化工、纺织印染、航空航天等领域，但其耐磨性差又使其适用范围受到一定的限制，通过填充合适材料(如PVDF)改性PTFE提高其耐磨性，能够获得润滑性能及耐磨性能的良好兼顾，配方中的N-甲基吡咯烷酮具有挥发度低，热稳定性、化学稳定性均佳，能随水蒸气挥发的特点，其易溶于水、乙醇、能溶解大多数有机与无机化合物、天然及合成高分子化合物，在配方中既作为优良溶剂，又可以显著降低水的表面张力，增强润滑剂的分散性能。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种PVDF水基复合润滑剂，包括以下按质量百分比的各组分：0.1～20％PVDF(聚偏氟乙烯)、0.1～30％NMP(N-甲基吡咯烷酮)、0.06～12％聚四氟乙烯、0.1～15％亚甲基双萘磺酸钠、0.1～10％羧甲基纤维素盐、0.1～10％六方氮化硼、0.1～8％聚丙烯酰胺、0.1～5％消泡剂、0.1～15％磷酸盐、0.1～15％氧化镁、0.1～30％无水乙醇、余量水。
优选地，PVDF水基复合润滑剂包括以下按质量百分比的各组分：0.5～10％PVDF(聚偏氟乙烯)、5～20％NMP(N-甲基吡咯烷酮)、1.2～6％聚四氟乙烯、0.5～10％亚甲基双萘磺酸钠、0.5～5％羧甲基纤维素盐、1.5～5％六方氮化硼、0.5～2％聚丙烯酰胺、0.1～3％消泡剂、1.5～10％磷酸盐、0.1～10％氧化镁、5～15％无水乙醇、余量水。
更优选地，PVDF水基复合润滑剂包括以下按质量百分比的各组分：1％PVDF(聚偏氟乙烯)、10％NMP(N-甲基吡咯烷酮)、4％聚四氟乙烯乳液、2％亚甲基双萘磺酸钠、0.3％羧甲基纤维素盐、1％六方氮化硼、0.5％聚丙烯酰胺、0.3％消泡剂、8％磷酸盐、0.5％氧化镁、10％乙醇、余量水；所述聚四氟乙烯乳液的固含量即聚四氟乙烯的质量百分比为60wt％。
以上配方中的六方氮化硼与石墨相像，又称石墨型氮化硼，具有良好的电绝缘性、导热性、抗腐蚀性和良好的润滑性。化学稳定性较好，常温下不与水、酸、碱反应。亚甲基双萘磺酸钠是一种阴离子表面活性剂，易溶于水，可作为助剂的分散剂。聚丙烯酰胺是一种线型高分子聚合物，热稳定性良好。能以任意比例溶于水，水溶液为均匀透明的液体。由于其结构单元中含有酰胺基、易形成氢键、使其具有良好的水溶性和很高的化学活性，易通过接枝或交联得到支链或网状结构的多种改性物，能在水中可以与乳化剂进行互溶，从而更有效的增强润滑剂的分散性能。氧化镁是一种碱性氧化物，无臭无味无毒，具有良好的吸附性，可做摩擦材料使用。乙醇为乳化剂，能与水以任意比互溶，可以有效地包裹吡咯烷酮类和纤维素盐类等的分散剂使其在水中完全溶解并增强润滑剂的分散性能，从而提高润滑剂的润滑性能。磷酸盐能够在金属表面形成一层致密的层膜，杜绝空气对其氧化生锈。消泡剂能够在润滑剂在剧烈搅拌时抑制产生的泡沫，从而降低对润滑剂性能的影响。
如上所述的一种PVDF水基复合润滑剂，所述磷酸盐选自磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸氢钙、磷酸钙和磷酸二氢钾中的一种以上；在本发明中磷酸盐作为防锈剂，本发明的磷酸盐的保护范围并不仅限于此，此处仅给出部分可行的技术方案，在实际应用中，本领域技术人员可根据实际应用场景选择合适的防锈剂以适应应用场景；
所述羧甲基纤维素盐选自羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾、羧甲基纤维素钙和羧甲基纤维素铵中的一种以上；由于羧甲基纤维素盐具有一定的增稠乳化作用，可以用于稳定润滑剂并增加其润滑性，由于其具有一定的亲水性和凝胶作用，可以作为涂膜材料，与其他增稠剂复配使用，且不会对人体健康造成影响。本发明的羧甲基纤维素盐的作用并不仅限于此，此处仅给出部分可行的技术方案，在实际应用中，本领域技术人员可根据实际应用场景选择合适的增稠乳化剂以适应应用场景。
所述消泡剂选自甲基硅油、氨基硅油和聚醚类中的一种以上。本发明的消泡剂并不仅限于此，此处仅给出部分可行的技术方案，在实际应用中本领域技术人员可根据实际应用场景选择合适的消泡剂以适应应用场景。
此外，还可在本发明的PVDF水基复合润滑剂中加入润湿分散剂，润湿分散剂主要成分为支链脂肪醇烷氧基化物，易溶于水，可分散多种无机、有机颜料，稳定性好，广泛应用于水性工业涂料、水性建筑涂料等领域，在碱性介质中能显著增强水性树脂和乳液相容性。本发明的润湿分散剂并不仅限于此，此处仅给出部分可行的技术方案，在实际应用中本领域技术人员可根据实际应用场景选择合适的润湿分散剂以适应应用场景。
本发明还提供如上所述的一种PVDF水基复合润滑剂的制备方法，步骤如下：
按配比先将PVDF粉末与N-甲基吡咯烷酮、乙醇和水溶解均匀后，再按配比加入聚四氟乙烯乳液、亚甲基双萘磺酸钠、羧甲基纤维素盐、六方氮化硼、聚丙烯酰胺和磷酸盐搅拌后超声分散，制得PVDF水基复合润滑剂；
或者，按配体将PVDF粉末、N-甲基吡咯烷酮、聚四氟乙烯乳液、亚甲基双萘磺酸钠、羧甲基纤维素盐、六方氮化硼、聚丙烯酰胺、氧化镁、乙醇、磷酸盐和水混合，搅拌后超声分散，制得PVDF水基复合润滑剂。
本发明的方法将制备润滑剂的主体试剂组分溶解后，在加入润滑剂助剂组份，保证润滑主体良好的分散性和稳定性，提高水基润滑剂的使用性能。
作为优选的技术方案：
如上所述的制备方法，重复进行3～5次搅拌后超声分散；每次搅拌30～60min，水温保持在60～80℃，每次超声分散60～120min。
如上所述的制备方法，所述聚四氟乙烯乳液中聚四氟乙烯的固含量为60％。
有益效果：
(1)本发明的PVDF水基复合润滑剂，环境友好，成本低廉；
(2)本发明的PVDF水基复合润滑剂，具有良好的润滑性和耐磨性，在保证水基润滑剂良好特性的同时，一定程度上提高润滑剂的分散性与粘附性，减少摩擦增加工件成形准确性和提高表面质量，减缓磨损以提高模具的使用寿命，极具应用前景。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做进一步阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下实施例及对比例中用到的六方氮化硼的粒径均为3～5μm。所用聚四氟乙烯乳液厂家为日本大金，型号为D210C。
实施例1
一种PVDF水基复合润滑剂的制备方法，其步骤如下：
将1质量份的PVDF、10质量份NMP溶液(含量≥99.0wt％)、10质量份无水乙醇在70质量份的水中进行溶解，溶解均匀后，采用磁力搅拌器在60℃下搅拌30min；
将4质量份聚四氟乙烯乳液(固含量60％)、2质量份亚甲基双萘磺酸钠、0.3质量份羧甲基纤维素钠溶解在配好的溶液中，并采用磁力搅拌器在60℃下搅拌30min；
将1质量份六方氮化硼、0.5质量份聚丙烯酰胺、4质量份磷酸二氢铵、4质量份磷酸氢二铵、0.5质量份氧化镁、0.3质量份消泡剂NXZ、0.3质量份润湿分散剂Ecowet OX-3070加入溶液中，采用磁力搅拌器在60℃下搅拌30min；
在常温下搅拌30min后，超声波仪分散60min，反复搅拌分散3～5次，即得PVDF水基复合润滑剂。
将上述配制的PVDF水基复合润滑剂涂覆于45号钢薄片中，利用HT-1000高温摩擦磨损试验仪进行摩擦性能测试，采用的对磨球为GCr15钢球，摩擦时间为30min，频率设置为6HZ，得到的平均摩擦系数为0.12。
对比例1
一种润滑剂的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，不同在于，使用PVC(聚氯乙烯)替换PVDF。
将上述配制的润滑剂涂覆于45号钢薄片中，利用HT-1000高温摩擦磨损试验仪进行摩擦性能测试，采用的对磨球为GCr15钢球，摩擦时间为30min，频率设置为6HZ，得到的平均摩擦系数为0.31。
对比例2
一种润滑剂的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，不同在于，使用水溶性PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)替换聚四氟乙烯乳液。
将上述配制的润滑剂涂覆于45号钢薄片中，利用HT-1000高温摩擦磨损试验仪进行摩擦性能测试，采用的对磨球为GCr15钢球，摩擦时间为30min，频率设置为6HZ，得到的平均摩擦系数为0.24。
通过对比实施例1、对比例1～2可以发现，采用与PVDF性质类似的PVC的对比例1、采用与聚四氟乙烯性质类似的水溶性PMMA的对比例2制得的润滑剂其性能与本发明的润滑剂性能差距巨大，这说明在本发明的配方中PVDF与聚四氟乙烯特定的配合赋予了本发明的润滑剂突出的润滑性能。
实施例2
一种PVDF水基复合润滑剂的制备方法，其步骤如下：
将1.1质量份PVDF、11质量份的NMP溶液(含量≥99.0wt％)、10质量份无水乙醇在70质量份的水中进行溶解，溶解均匀后，采用磁力搅拌器在60℃下搅拌30min；
将4质量份聚四氟乙烯乳液(固含量60％)、1.5质量份亚甲基双萘磺酸钠、0.7质量份羧甲基纤维素钠溶解在配好的溶液中，并采用磁力搅拌器在60℃下搅拌30min；
将2质量份六方氮化硼、0.5质量份聚丙烯酰胺、3质量份磷酸二氢铵、3质量份磷酸氢二铵、0.5质量份氧化镁、0.5质量份消泡剂NXZ、0.5质量份润湿分散剂Ecowet OX-3070加入溶液中，采用磁力搅拌器在60℃下搅拌30min；
在常温下搅拌30min后，超声波仪分散60min，反复搅拌分散3～5次，即得PVDF水基复合润滑剂。
将上述配制的PVDF水基复合润滑剂涂覆于45号钢薄片中，利用HT-1000高温摩擦磨损试验仪进行摩擦性能测试，采用的对磨球为GCr15钢球，摩擦时间为30min，频率设置为6HZ，得到的平均摩擦系数为0.19。
实施例3
一种PVDF水基复合润滑剂的制备方法，其步骤如下：
将1.2质量份PVDF、12质量份的NMP溶液(含量≥99.0wt％)、10质量份无水乙醇在70质量份水中进行溶解，溶解均匀后，采用磁力搅拌器在60℃下搅拌30min；
将4质量份聚四氟乙烯乳液(固含量60％)、1质量份亚甲基双萘磺酸钠、0.6质量份羧甲基纤维素钠溶解在配好的溶液中，并采用磁力搅拌器在60℃下搅拌30min；
将3质量份六方氮化硼、0.5质量份聚丙烯酰胺、2.5质量份磷酸二氢铵、2.5质量份磷酸氢二铵、0.3质量份氧化镁、0.3质量份消泡剂NXZ、0.3质量份润湿分散剂Ecowet OX-3070加入溶液中，采用磁力搅拌器在60℃下搅拌30min；
在常温下搅拌30min后，超声波仪分散60min，反复搅拌分散3～5次，即得PVDF水基复合润滑剂。
将上述配制的PVDF水基复合润滑剂涂覆于45号钢薄片中，利用HT-1000高温摩擦磨损试验仪进行摩擦性能测试，采用的对磨球为GCr15钢球，摩擦时间为30min，频率设置为6HZ，得到的平均摩擦系数为0.22。
实施例4
一种PVDF水基复合润滑剂的制备方法，其步骤如下：
将0.9质量份PVDF、9质量份的NMP溶液(含量≥99.0wt％)、10质量份无水乙醇在70质量份水中进行溶解，溶解均匀后，采用磁力搅拌器在60℃下搅拌30min；
将4质量份聚四氟乙烯乳液(固含量60％)、1质量份亚甲基双萘磺酸钠、0.8质量份羧甲基纤维素钠溶解在配好的溶液中，并采用磁力搅拌器在60℃下搅拌30min；
将4质量份六方氮化硼、0.5质量份聚丙烯酰胺、4质量份磷酸二氢铵、4质量份磷酸氢二铵、0.7质量份氧化镁、0.5质量份消泡剂NXZ、0.5质量份润湿分散剂Ecowet OX-3070加入溶液中，采用磁力搅拌器在60℃下搅拌30min；
在常温下搅拌30min后，超声波仪分散60min，反复搅拌分散3～5次，即得PVDF水基复合润滑剂。
将上述配制的PVDF水基复合润滑剂涂覆于45号钢薄片中，利用HT-1000高温摩擦磨损试验仪进行摩擦性能测试，采用的对磨球为GCr15钢球，摩擦时间为30min，频率设置为6HZ，得到的平均摩擦系数为0.25。
将实施例1涂覆好的样片放置于空气中观察，发现两周之内，PVDF水基润滑剂样片不会生锈，取一定量实施例1的试剂于烧杯中，放置在室温下，发现一个月之内润滑剂不会出现明显的分层。
实施例5～8
一种PVDF水基复合润滑剂的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，不同在于，PVDF及聚四氟乙烯乳液的加入量，加入量单位为质量份，具体不同见下表所示，表中平均摩擦系数的测定方法与实施例1相同；
PVDF 聚四氟乙烯乳液 平均摩擦系数
实施例5 3 2 0.24
实施例6 5 6 0.15
实施例7 8 8 0.12
实施例8 10 10 0.13
经验证，本发明的PVDF水基复合润滑剂，环境友好，成本低廉；具有良好的润滑性和耐磨性，在保证水基润滑剂良好特性的同时，一定程度上提高润滑剂的分散性与粘附性，减少摩擦增加工件成形准确性和提高表面质量，减缓磨损以提高模具的使用寿命，极具应用前景。
以上内容对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明，是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。熟悉本领域技术的人员可以容易地对这些实施例进行修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种PVDF水基复合润滑剂，其特征在于，包括以下按质量百分比的各组分：0.1～20％PVDF、0.1～30％NMP、0.06～12％聚四氟乙烯、余量水。
2.根据权利要求1所述的一种PVDF水基复合润滑剂，其特征在于，包括以下按质量百分比的各组分：0.1～20％PVDF、0.1～30％NMP、0.06～12％聚四氟乙烯、0.1～15％亚甲基双萘磺酸钠、0.1～10％羧甲基纤维素盐、0.1～10％六方氮化硼、0.1～8％聚丙烯酰胺、0.1～5％消泡剂、0.1～15％磷酸盐、0.1～15％氧化镁、0.1～30％无水乙醇、余量水。
3.根据权利要求2所述的一种PVDF水基复合润滑剂，其特征在于，包括以下按质量百分比的各组分：0.5～10％PVDF、5～20％NMP、1.2～6％聚四氟乙烯、0.5～10％亚甲基双萘磺酸钠、0.5～5％羧甲基纤维素盐、1.5～5％六方氮化硼、0.5～2％聚丙烯酰胺、0.1～3％消泡剂、1.5～10％磷酸盐、0.1～10％氧化镁、5～15％无水乙醇、余量水。
4.根据权利要求1所述的一种PVDF水基复合润滑剂，其特征在于，包括以下按质量百分比的各组分：1％PVDF、10％NMP、4％聚四氟乙烯乳液、2％亚甲基双萘磺酸钠、0.3％羧甲基纤维素盐、1％六方氮化硼、0.5％聚丙烯酰胺、0.3％消泡剂、8％磷酸盐、0.5％氧化镁、10％无水乙醇、余量水；所述聚四氟乙烯乳液的固含量为60wt％。
5.根据权利要求2～4任一项所述的一种PVDF水基复合润滑剂，其特征在于，所述六方氮化硼的粒径为3～5μm；
所述磷酸盐选自磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸氢钙、磷酸钙中磷酸二氢钾中的一种以上；
所述羧甲基纤维素盐选自羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾、羧甲基纤维素钙和羧甲基纤维素铵中的一种以上；
所述消泡剂选自甲基硅油、氨基硅油和聚醚类中的一种以上。
6.如权利要求1～5任一项所述的一种PVDF水基复合润滑剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：
按配比先将PVDF粉末与N-甲基吡咯烷酮、乙醇和水溶解均匀后，再按配比加入聚四氟乙烯乳液、亚甲基双萘磺酸钠、羧甲基纤维素盐、六方氮化硼、聚丙烯酰胺和磷酸盐搅拌后超声分散，制得PVDF水基复合润滑剂；
或者，按配体将PVDF粉末、N-甲基吡咯烷酮、聚四氟乙烯乳液、亚甲基双萘磺酸钠、羧甲基纤维素盐、六方氮化硼、聚丙烯酰胺、氧化镁、乙醇、磷酸盐和水混合，搅拌后超声分散，制得PVDF水基复合润滑剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，重复进行3～5次搅拌后超声分散；每次搅拌30～60min，水温保持在60～80℃，每次超声分散60～120min。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述聚四氟乙烯乳液的固含量为60％。
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