新型環(huán)保水基切削液的制備與性能研究

郝行健，王 波

(山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250100)

新型環(huán)保水基切削液的制備與性能研究

郝行健，王 波

(山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250100)

以大豆油為基礎(chǔ)油，以環(huán)保型聚甘油酯為乳化、潤(rùn)滑劑(其中，環(huán)狀聚甘油酯為極壓潤(rùn)滑劑)，輔以復(fù)合防銹劑、消泡劑、殺菌劑等功能組分，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到一種不含亞硝酸鈉、氯、硫、磷等，對(duì)環(huán)境友好的切削液。研制的切削液潤(rùn)滑性好，防銹性能強(qiáng)，能滿(mǎn)足鑄鐵等多種金屬的需求。

切削液；聚甘油酯；防銹劑

切削液是一種普遍應(yīng)用于金屬加工中，起到潤(rùn)滑、防銹、清洗、冷卻作用的金屬加工液[1]。2009年，我國(guó)制造業(yè)消耗30萬(wàn)～50萬(wàn)噸的金屬加工液，據(jù)柯萊恩公司的研究報(bào)告預(yù)測(cè)，我國(guó)對(duì)金屬加工液的需求量還將以每年15%的速度增加[2]。目前的切削液大都是以礦物油為基礎(chǔ)油，生物降解率低。大量切削液廢液的排放不光對(duì)環(huán)境造成污染，而且危及人類(lèi)生存和健康。中國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入新常態(tài)，制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)急需切削液的環(huán)?；峁┲巍?/p>

國(guó)外圍繞環(huán)保型切削液進(jìn)行的研究較早，并且生產(chǎn)出了環(huán)保型高性能產(chǎn)品，如美國(guó)嘉實(shí)多公司的9930C系列產(chǎn)品、馬斯特公司C270系列產(chǎn)品等。而國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚，自主開(kāi)發(fā)的環(huán)保型切削液較少。

本文作者以植物油-大豆油為基礎(chǔ)油，以廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)的聚甘油酯為乳化、潤(rùn)滑劑(其中，以環(huán)狀聚甘油酯為極壓潤(rùn)滑劑)，輔以復(fù)合防銹劑、消泡劑、殺菌劑等功能組分，研制出一種潤(rùn)滑性好，防銹性能強(qiáng)，不含亞硝酸鈉、氯、硫、磷等，對(duì)環(huán)境友好的環(huán)保型切削液，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)切削液，滿(mǎn)足多種材料加工工藝的需求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

環(huán)狀聚甘油酯A、聚甘油酯ol-101、ol-301、ol-601、ol-1001，工業(yè)級(jí)，濟(jì)南東潤(rùn)精化科技有限公司生產(chǎn)；硼酸、三乙醇胺、癸二酸、三元酸、苯甲酸鈉，均為分析純；大豆油、有機(jī)硅消泡劑，市售。

1.2 切削液的制備方法

將計(jì)算好用量的聚甘油酯乳化劑，加入大豆油中，攪拌使其分散，然后加入極壓潤(rùn)滑劑、防銹劑等，在攪拌情況下，加入溶解有苯甲酸鈉的水，最后加入少量市售消泡劑。各組分加完后，繼續(xù)攪拌30 min，即得環(huán)保型切削液。

1.3 切削液的性能測(cè)試

貯存穩(wěn)定性：參照GB6144-2010標(biāo)準(zhǔn)。

離心穩(wěn)定性：將適當(dāng)體積的試液加入到離心管中，放入高速離心機(jī)中以3000 r/min 轉(zhuǎn)速，離心30min , 觀察試液現(xiàn)象。

防銹實(shí)驗(yàn)：參照GB6144-2010標(biāo)準(zhǔn)。溫度：(35±2)℃；時(shí)間：?jiǎn)纹?4 h，疊片8 h。

腐蝕實(shí)驗(yàn)：參照GB6144-2010標(biāo)準(zhǔn)。溫度：(35±2)℃；時(shí)間：鑄鐵24 h。

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)：參照GB/T 3142-1982標(biāo)準(zhǔn)，采用廈門(mén)天機(jī)自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的MS-800A四球機(jī)。所用鋼球?yàn)樯虾ｄ撉驈S生產(chǎn)，直徑12.7 mm。實(shí)驗(yàn)條件：測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，在轉(zhuǎn)速1450 r/min下，評(píng)定稀釋液(5%)的最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB值)，在載荷392 N下，測(cè)試10min，測(cè)量其摩擦因數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)油的選擇

基礎(chǔ)油是切削液中的重要成分，對(duì)潤(rùn)滑性能有直接影響。傳統(tǒng)切削液大都采用礦物油作為基礎(chǔ)油，但礦物油生物降解性差，在使用和處理過(guò)程中，容易長(zhǎng)久滯留在環(huán)境中，污染環(huán)境，不適合作為環(huán)保型切削液的基礎(chǔ)油。相比于礦物油，植物油和合成酯類(lèi)油，具有潤(rùn)滑性能好，生物降解率高，對(duì)環(huán)境友好的特點(diǎn)，適合作為環(huán)保型切削液的基礎(chǔ)油[3]。相比于合成酯類(lèi)油，植物油具有來(lái)源豐富，價(jià)格經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，所以我們選用植物油中的大豆油作為切削液的基礎(chǔ)油。

表1 各種基礎(chǔ)油的生物降解性

2.2 極壓潤(rùn)滑劑的選擇

常用的極壓潤(rùn)滑劑為含硫、磷、氯等成分的有機(jī)物，他們可以在高溫下與金屬表面發(fā)生反應(yīng)形成化學(xué)吸附膜，防止在極壓潤(rùn)滑條件下金屬界面的直接接觸，從而減少刀具的磨損，提高加工件的質(zhì)量。但實(shí)際使用過(guò)程中，此類(lèi)添加劑通常會(huì)助長(zhǎng)切削液中細(xì)菌、霉菌等微生物的繁殖，容易產(chǎn)生臭味，對(duì)切削液的壽命造成不良影響[4-5]。

聚甘油酯，是一種以植物為原料來(lái)源，對(duì)環(huán)境友好的合成材料。酯中氧原子的孤對(duì)電子對(duì)容易和金屬表面產(chǎn)生靜電作用，從而減少摩擦，通常情況下，酯的極性越大，與金屬的親和力就越高。

圖1 環(huán)狀聚甘油酯A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩擦因數(shù)之間的關(guān)系表2 環(huán)狀聚甘油酯A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與最大無(wú)卡咬 負(fù)荷(PB)之間的關(guān)系

環(huán)狀聚甘油油酸酯A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w/%PB/Na125024003570459855706.5530

注：a樣品配方為：20%大豆油+一定量的環(huán)狀聚甘油酯A+5%復(fù)合防銹劑B+19%復(fù)合乳化劑+3%三乙醇胺+0.5%有機(jī)硅消泡劑+0.5%苯甲酸鈉+余量水，實(shí)驗(yàn)中所用稀釋液的濃度為5%。

本文以環(huán)狀聚甘油酯A做切削液中的極壓潤(rùn)滑劑。環(huán)狀聚甘油酯A質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩擦因數(shù)、最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB值) 的關(guān)系分別如圖1、表2所示。從實(shí)驗(yàn)中，可以看出，環(huán)狀聚甘油酯A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，摩擦因數(shù)達(dá)到了0.105 左右，PB值達(dá)到250N; 隨著環(huán)狀聚甘油酯A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦因數(shù)逐步減小，當(dāng)環(huán)狀聚甘油酯A達(dá)到4%時(shí)，摩擦因數(shù)達(dá)到最小值0.060，此時(shí)PB值達(dá)到598N，說(shuō)明環(huán)狀聚甘油酯A具有較好的極壓潤(rùn)滑性。當(dāng)環(huán)狀聚甘油酯A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)最佳值，隨著其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦因數(shù)反而增加，相應(yīng)的PB值也會(huì)有所減小。綜合考慮各方面因素，我們選擇環(huán)狀聚甘油酯A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。

2.3 防銹防腐蝕劑選擇

水基切削液一般需用水稀釋后使用，與加工工件的接觸時(shí)間較長(zhǎng)，所以對(duì)水基切削液的防銹性能要求更高。亞硝酸鈉由于防銹性能好且價(jià)格低廉，曾經(jīng)被廣泛應(yīng)用[6]。但亞硝酸鈉與有機(jī)胺反應(yīng)會(huì)生成致癌物亞硝胺，現(xiàn)已被許多國(guó)家禁用。本文通過(guò)對(duì)不同酸與三乙醇胺反應(yīng)得到的胺鹽的防銹防腐蝕性能的研究(表3)，最后復(fù)配得到了一種復(fù)合防銹劑B。當(dāng)添加量為5%～7%時(shí)，5%的切削液稀釋液就有很好的防銹性能。綜合考量，我們選擇防銹劑B的添加量為5%。

表3 不同防銹劑的防銹、放腐蝕性能

注：a樣品配方為：20%大豆油+4%環(huán)狀聚甘油酯A+一定量的防銹劑 +19%復(fù)合乳化劑+3%三乙醇胺+0.5%有機(jī)硅消泡劑+0.5%苯甲酸鈉+余量水，實(shí)驗(yàn)中所用稀釋液的濃度為5%。

2.4 乳化劑的選擇

清洗性和冷卻性是水基切削液的重要指標(biāo)，切削液中加入乳化劑，不僅能保證體系的穩(wěn)定，還能降低乳液表面張力，提高潤(rùn)濕速度。作者選擇聚甘油酯ol101、ol301、ol601和ol1001做乳化劑，研究了不同比例對(duì)乳化體系的影響(表4)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ol1001的用量較多時(shí)，溶液穩(wěn)定性得到改善；當(dāng)復(fù)合乳化劑的HLB值和體系乳化所需HLB接近時(shí)，乳液的離心穩(wěn)定性和貯存穩(wěn)定性能夠同時(shí)滿(mǎn)足要求。

表4 乳化劑對(duì)切削液穩(wěn)定性的影響

注：a樣品配方為：20%大豆油+4%環(huán)狀聚甘油酯A+5%復(fù)合防銹劑B+一定量的乳化劑+3%三乙醇胺+0.5%有機(jī)硅消泡劑+0.5%苯甲酸鈉+余量水，實(shí)驗(yàn)中所用稀釋液的濃度為5%。

2.5 pH值穩(wěn)定劑的選擇

研究表明，黑色金屬在堿性條件下比較穩(wěn)定，而銅、鋁等有色金屬在pH值4～8下比較穩(wěn)定。切削液的pH值太高，容易傷害操作者皮膚；pH值太低，容易導(dǎo)致切削液腐敗變質(zhì)，腐蝕工件和刀具[7]。綜合考慮，切削液的pH值宜控制在8.5～9之間。配方中，我們選擇三乙醇胺做pH值調(diào)節(jié)劑，不但能夠提高切削液防腐蝕能力，還能延長(zhǎng)切削液壽命。

2.6 其他助劑的選擇

金屬加工過(guò)程中，切削液會(huì)產(chǎn)生氣泡，不僅妨礙操作者對(duì)加工部位的觀察，還會(huì)降低切削液的潤(rùn)滑性、冷卻效果。往切削液中加入少量的消泡劑，如有機(jī)硅烷類(lèi)、有機(jī)聚醚類(lèi)等，能夠達(dá)到使泡沫快速消失的目的。

為了抑制切削液中微生物的繁殖，延長(zhǎng)切削液使用時(shí)間，常常往切削液中加入殺菌劑。常用的殺菌劑有酚類(lèi)、水楊酸、雜環(huán)化合物、甲醛釋放劑等。甲醛釋放劑、酚類(lèi)殺菌劑會(huì)對(duì)人體造成傷害，因此我們?cè)谂浞街羞x用苯甲酸鈉作為殺菌劑。另外，苯甲酸鈉對(duì)黑色金屬具有一定的防腐蝕效果，可達(dá)到一劑多用的目的。

在產(chǎn)品研制過(guò)程中，通過(guò)一系列配方優(yōu)化，獲得切削液的配方組成，如表5所示。

表5 切削液的配方組成

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)切削液的綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表6，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。

表6 切削液的主要性能指標(biāo)

3 結(jié)語(yǔ)

本文以來(lái)源豐富，對(duì)環(huán)境友好的植物油-大豆油為基礎(chǔ)油，以環(huán)保型聚酯為乳化、潤(rùn)滑劑，以環(huán)狀聚甘油酯為極壓潤(rùn)滑劑，并輔以復(fù)合防銹劑、消泡劑、殺菌劑等得到一種環(huán)保型切削液。

本環(huán)保切削液，不含礦物油、亞硝酸鈉、氯、硫、磷等，不僅對(duì)環(huán)境友好，不危害人體健康，而且潤(rùn)滑性好，防銹性能強(qiáng)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)切削液，滿(mǎn)足鑄鐵等多種金屬的加工工藝需求，具有積極的推廣意義。

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(本文文獻(xiàn)格式：郝行健，王 波.新型環(huán)保水基切削液的制備與性能研究[J].山東化工,2017,46(5):36-38,40.)

Study on Preparation and Properties of a New-type of Environment-friendly Water-based Cutting Fluid

HaoXingjian,WangBo

(Shandong University, Jinan 250100,China)

The environment-friendly cutting-fluid with soybean oil as the base oil, the polyglycerol ester as emulsifier (cyclic polyglycerol ester as the extreme pressure lubricant), combined with composite rust inhibitor, defoamer, fungicider and other functional compounds was preparated. The cutting-fluid which does not contain sodium nitrite, chlorine, sulfur, phosphorus, with good lubrication, anti-rust performance, can meet the requirement of cast iron and other metal.

cutting-fluid; polyglycerol ester; anti-rust agent

2017-02-04

郝行健(1999—)，男，現(xiàn)為濟(jì)南市歷城第一中學(xué)學(xué)生；通訊作者：王 波(1988-)，男，山東大學(xué)碩士，研究方向：金屬潤(rùn)滑以及聚甘油酯的應(yīng)用。

TG174.42

A

1008-021X(2017)05-0036-03