改性微納米TiO2用于改進水基切削液潤滑性能的研究

＊石文杰 穆志軍 白玉香 呂祎彤

（西北民族大學化工學院 甘肅 730000）

改性微納米TiO2用于改進水基切削液潤滑性能的研究

＊石文杰 穆志軍 白玉香 呂祎彤

（西北民族大學化工學院 甘肅 730000）

采用溶膠-凝膠法（Sol-Gel法）水解鈦酸四正丁酯制得微納米TiO2，并利用硅烷偶聯劑KH550對微納米TiO2進行表面改性。將制得的微納米TiO2-KH550添加到水基金屬切削液中，經沉降實驗和紅外實驗分析結果表明，實驗制得的微納米TiO2-KH550同時具有良好的親水性及分散穩(wěn)定性；其潤滑性能較國內其他普通的水基金屬切削液有了較為明顯的提高，PB值可達到721N。

潤滑；微納米TiO2；表面修飾；金屬切削液

隨著全球范圍內能源危機和環(huán)境污染日趨嚴峻，對金屬加工行業(yè)也提出了實行節(jié)能減排、清潔生產的要求。油基金屬切削液在使用過程中存在著易腐敗變質、油泥難處理等諸多問題，而且難以滿足日漸苛刻的生產條件，而水基切削液由于具有導熱系數大,冷卻、潤滑和防銹性能好等優(yōu)點受到越來越多的關注、發(fā)展迅速，在機械加工工業(yè)中已被廣泛采用，但也存在著潤滑性能不足、防腐性能差等問題。然而隨著微納米潤滑技術的提出及發(fā)展為解決油基潤滑劑存在的問題和水基切削液的缺點提供了新的思路。微納米微球作為具有“滾動”特性的新型潤滑劑得到了廣泛的研究，通過對微納米材料的表面修飾，使之在基體材料中納米級分散制備應用納米復合材料改善水基金屬切削液的潤滑性能，經過修飾的微納米固體添加劑應用于水基金屬切削液具有明顯的理論創(chuàng)新和廣泛的應用前景。

本文采用Sol-Gel法制得微納米TiO2再利用偶聯劑對微納米TiO2進行了表面改性采用傅里葉（FT-IR）以及沉降試驗對改性效果進行了分析表征，測定了微納米在水基體系中的分散穩(wěn)定性。按照一定工藝流程制備了效果優(yōu)良的新型水基微納米金屬液，并依照GB/T6144-2010《合成切削液》對其抑泡性、腐蝕性、防銹性以及潤滑性進行了檢測，主要為潤滑性能檢測。

1.實驗

(1)材料與儀器

①主要原料與試劑

試劑 純度 生產廠家鈦酸四正丁酯 分析純 上海試劑三廠聚乙二醇 分析純 隴西凱華化工有限責責公司

KH550（含量≥98%） 分析純 濟南國邦化工有限公司無水乙醇 色譜純 西安藍宇化工原料有限公司三乙醇胺 分析純 永新化工廠

②主要實驗儀器和設備

儀器名稱 型號 生產廠家電子天平 JA2003N 上海精密科學儀器有限公司磁力加熱攪拌儀 N78-雙控 鄭州長城科工貿有限公司四球立式摩擦磨損MM-W1A 濟南益華摩擦學測試技術有試驗機 限公司傅里葉紅外光譜儀 IR-6700 美國尼高立電熱恒溫鼓風干燥箱 DHG-9070A 上海森信實驗儀器有限公司

(2)微納米TiO2粒子的制備

取15ml鈦酸四正丁酯緩慢加入到90ml無水乙醇中，加入10wt%的聚乙二醇作為分散劑，超聲10min后再磁力攪拌15min，使其形成均勻的淡黃色溶液。再將10ml蒸餾水、2ml冰醋酸，加入到35ml無水乙醇中，再滴入40滴濃硝酸，調節(jié)pH到 1-2，磁力攪拌15min，得到透明的溶液。將先前制好的淡黃色溶液裝入滴定管中，以約3ml/min的速度滴入透明溶液中，完全滴完后，再磁力攪拌30min，再滴入約10ml的氨水，調節(jié)pH到8-10后，形成Ti(OH)4溶膠，再磁力攪拌5min，使其反應均勻。將形成的溶膠轉入高壓釜內，升溫（＜270℃），造成高溫、高壓的環(huán)境，使難溶或不容的物質溶解并且重結晶，恒溫一段時間，卸壓后，經洗滌、干燥即可得到納米級的TiO2粉體。

(3)微納米TiO2粒子表面改性

稱取5．0gTiO2粉末，將其置于干燥箱內，將溫度設為100℃，并且烘30min，再將40ml無水乙醇加入到干燥燒瓶中，并將TiO2粉末加入到該干燥燒瓶中，并且對藥品不斷進行攪拌。再稱取5．0g KH550放入燒杯中，向燒杯中加入15ml乙醇進行預水解。之后在快速機械攪拌下將KH550水解液緩慢滴入上述裝有無水乙醇的燒瓶中，回流冷凝，將該燒瓶置于水浴中升溫，攪拌反應4h。在這一反應過程中體系始終呈現白色穩(wěn)定的乳液狀，而且體系溫度始終穩(wěn)定在80℃。反應結束后通過高速離心的方法去除多余的KH550，最后進行干燥研磨得到接枝物納米TiO2-KH550。

(4)微納米TiO2儀器與分析表征

利用傅里葉變換紅外光譜儀（IR-6700型）表征微納米TiO2表面紅外光譜的變化，KBr壓片制樣，測波數范圍為400～4000cm-1；改性后納米TiO2粒子形貌采用場發(fā)射高分辨透射電子顯微鏡觀察其形貌。

(5)水基金屬切削液的制備

取極壓潤滑劑（聚乙二醇、聚醚等）4．50%、防銹劑（三乙醇胺、硼酸鹽）0．35%、消泡劑（聚硅氧烷衍生物乳液）0．05%、殺菌劑少許，溶于去離子水（質量占95%）中，加熱至40℃并攪拌至各種添加劑溶解即可，調節(jié)體系值為9，再向配制全合成切削液加入不同濃度表面改性的微納米進行分散。

(6)微納米TiO2于切削液中分散性測試

稱取適量的加入未接枝的和接枝的微納米TiO2的切削液分別置于20ml刻度管中，充分震蕩后觀察微納米TiO2粒子沉降情況，比較上層溶劑變澄清所需要的時間，時間越長，粒子的分散性越好。用紫外可見分光光度計（Unico UV－2102PC型）測定上層清液的透光率，透光率越小，說明懸浮的粒子越多，其分散性越好。并通過高速離心機離心沉降，測定隨著離心時間的增加透光率的變化。

(7)微納米TiO2金屬切削液潤滑測試

通過四球摩擦磨損試驗機對未添加微納米TiO2-KH550以及添加不同濃度微納米TiO2-KH550金屬切削液的摩擦學性能進行了綜合研究和測試。

2.結果與討論

(1)KH550的作用機理

微納米TiO2粒子表面存在大量羥基基團，而這些羥基接枝聚合提供了理論的可能。通常認為，硅烷偶聯劑與無機粒子作用包括共價鍵、氫鍵、和物理吸附作用。微納米TiO2粒子接枝KH550的實驗過程根據Arkles提出的反應模式可以解釋，具體反應機理如下圖：

第一步：KH-550的水解反應

圖1 微納米TiO2粒子表面接枝KH550的反應示意圖

(2)微納米TiO2-KH550的紅外光譜（FT-IR）分析

為了對微納米TiO2及其改性產物的結構進行表征，本實驗對接枝物進行FI-IR測試，紅外譜譜圖見圖2。

圖2 KH550、微納米TiO2及其改性產物的紅外光譜圖

紅外光譜圖證實了改性的微納米TiO2已經被接枝，存在有機基團。由圖2可知，3774cm-1處為TiO2表面的-OH吸收峰，由圖中第二條和第三條吸收峰的線可知在489cm-1處的峰為Ti-O-Ti鍵的特征吸收峰。由KH550的吸收峰的線與改性微納米TiO2吸收峰的線對比可知，經KH550的作用后，譜圖中出現了明顯的有機基團的吸收峰，在3217cm-1和3426cm-1分別對應亞甲基和甲基的C-H鍵的伸縮振動峰，而TiO2卻沒有吸收峰在這個位置，還有在1284cm-1處胺基N-H鍵的彎曲振動吸收峰。綜上，可以說明KH550已經成功接枝在微納米TiO2上。

(3)微納米TiO2-KH550的分散穩(wěn)定性

取一定量的水基金屬切削液來考察未接枝的微納米TiO2和微納米TiO2-KH550在其中的分散性。經超聲充分分散，取出靜置，觀察發(fā)現在金屬切削液中，未經處理的微納米TiO2懸濁液在自由沉降5h后變得澄清，測得其澄清液的透光率接近1。10h后，經處理的微納米TiO2懸濁液仍然保持混濁，UV透光率幾乎為零，可以看出成功鍵合的微納米TiO2分散體系的穩(wěn)定性要優(yōu)于未改性的微納米TiO2分散體系。然后再換用離心沉降的方法，以4000r/min的速度離心，圖3為微納米TiO2-KH550在水基金屬切削液的透光率隨離心時間變化曲線。

The Study about the modification of micro-nano TiO2is used for improving the lubricating property of water-based cutting fluids

Shi Wenjie, Mu Zhijun, Bai Yuxiang, Lv Yitong
(Northwest university for nationalities institute of chemical industry, Gansu, 730000)

Micro-nano TiO2is made by hydrolyze tetra-n-butyl titanate through Sol-Gel chromatography and use silane coupling agent KH550 to make surface modification.The micro-nano TiO2-KH550 which has made is added to water-based mental cutting fluid.Sedimentation experiment and Infrared experiment results show that micro-nano TiO2-KH550 have both well hydrophilia and dispersion stability; compared with any other ordinary water-based mental cutting fluid in the country, it’s lubricating property has the obvious enhancement,the value of PB can arrive 721N.

lubrication；micro-nano TiO2；surface finish；mental cutting liquid

圖3 接枝改性后微納米TiO2在金屬切削液中的透光率曲線

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