復(fù)配制備水基金屬切削液及其性能的研究

李 杰 ，張 彬 ，劉 瓊 ，3*，鄭 平

2，吳 田 1，2

1.湖北第二師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；

2.湖北第二師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430205；

3.武漢工程大學(xué)化工與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

復(fù)配制備水基金屬切削液及其性能的研究

李 杰1，張 彬2，劉 瓊2，3*，鄭 平

2，吳 田1，2

1.湖北第二師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；

2.湖北第二師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430205；

3.武漢工程大學(xué)化工與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

三乙醇胺硼酸酯和三乙醇胺油酸皂為主要成分，十二烷基二甲基甜菜堿作為主要添加劑，復(fù)配制備水基金屬切削液.通過調(diào)整復(fù)配制備切削液的成分配比，系統(tǒng)地測試與評(píng)估其防銹性，防腐性、潤滑性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硼酸酯和油酸皂的復(fù)配作用使得配制的切削液具有優(yōu)良的防銹性、潤滑性，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%及5%的水基金屬切削液稀釋液各項(xiàng)性能優(yōu)良，并且十二烷基二甲基甜菜堿的加入降低了切削液對(duì)皮膚的刺激性，從而減輕了對(duì)人體的傷害.此外，采用復(fù)配技術(shù)制備的切削液性能穩(wěn)定，易于存儲(chǔ)，環(huán)境友好，在金屬加工或機(jī)械加工工藝中具有廣泛的應(yīng)用前景.

三乙醇胺硼酸酯；三乙醇胺油酸皂；復(fù)配；切削液；防銹性

切削液是金屬加工或機(jī)械加工工藝中常用的冷卻劑和防銹劑，作為機(jī)械加工重要的配套材料，切削液主要功能是潤滑、冷卻、清洗、防銹等，能改善工件表面質(zhì)量，提高加工精度，延長刀具壽命，提高工件表面的防蝕能力.近年來，隨著金屬切削加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)切削液提出了更高的要求.金屬切削液正逐步由高能耗、高污染的油基切削液向低成本、低污染的水基切削液方向發(fā)展.但是與油基切削液相比，水基切削液的潤滑性、防銹性稍差［1-2］.近年來，隨著潤滑劑、防銹劑和抗菌劑等研究的深入，采用復(fù)配技術(shù)研究開發(fā)具有較高防銹性和潤滑性的水基金屬切削液成為最新的發(fā)展趨勢.

硼酸酯是一種新型的極壓潤滑添加劑，具有油膜強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)低，以及良好的減摩抗摩性能等特點(diǎn)，且對(duì)人體無毒害作用，因而廣泛地應(yīng)用于水基金屬切削液中［3-4］.例如，胡曉蘭等［5］合成的硼酸酯，含有硼、氮兩種極壓活性元素，在摩擦金屬表面時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成邊界潤滑膜，增強(qiáng)了潤滑性能.楊啟如等［6］研究的油酸二乙醇酰胺硼酸酯不僅具有良好的摩擦性能和水解穩(wěn)定性，而且還能作為防銹劑抑制鋼鐵腐蝕.目前，越來越多的硼酸酯，如咪唑啉硼酸酯［7］、含氮硼酸酯［8］以及有機(jī)硼化合物SW-2［9］等廣泛的應(yīng)用于防銹型切削液中.但是，硼酸酯單獨(dú)作為防銹劑使用時(shí)，其防銹效果不佳.目前，利用多種無毒添加劑的協(xié)同效應(yīng)來復(fù)配成高效的防銹切削液已取得了良好的效果［10-11］.油酸皂作為金屬切削液中常用的添加劑，具有良好的清洗和防銹性能，常用于鋼、鐵、鋁、合金鋼、鐘表元件等金屬加工的清洗，并且能夠增強(qiáng)金屬的潤滑性能［12-13］.因此，在此研究中，通過將硼酸酯與油酸皂進(jìn)行復(fù)配，來制備具有優(yōu)良的防銹性、潤滑性，且性能穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境友好的金屬切削液.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

主要試劑：油酸（工業(yè)級(jí)，酸值：196～204，碘值：85～95）；硼酸（化學(xué)純）；三乙醇胺（分析純）；十二烷基二甲基甜菜堿（工業(yè)級(jí)）；聚乙二醇-200（化學(xué)純）；二甲基硅油（工業(yè)級(jí)）.

主要儀器：予華98-3型油浴鍋及水浴鍋；DZF-6050型恒溫箱；綠博士/B-2型潤滑油摩擦試驗(yàn)機(jī).

1.2 制備方法

1）稱取11 g油酸置于100 mL的圓底燒瓶中，磁力攪拌下水浴加熱至75℃，并保持此溫度，待油酸全部溶解后，向燒瓶中緩慢加入12 g三乙醇胺，保持溫度75℃，反應(yīng)2 h后得到褐色澄清溶液，降溫至35℃后保溫待用.

2）在裝有回流冷凝管的500 mL二口燒瓶中加入硼酸6.2 g與三乙醇胺59.7 g，磁力攪拌下油浴加熱至130℃，保持此溫度，反應(yīng)4 h后，降溫至100℃，在攪拌下，依次向三口燒瓶中加入步驟1）制備的全部反應(yīng)溶液，聚乙二醇-200 5 g，二甲基硅油1 g，十二烷基二甲基甜菜堿2 g、水 193 g，攪拌均勻，得到亮黃色澄清透亮溶液.

3）將步驟（2）制備的切削液原液用蒸餾水稀釋成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.5%、2.5%、5%的稀釋液，待用.

1.3 測試方法

1）外觀評(píng)定

外觀按照GB/T 6144—2010 4.5進(jìn)行評(píng)定.檢查外觀，應(yīng)無分層、沉淀、成均勻液相.

2）儲(chǔ)存安定性評(píng)定

儲(chǔ)存安定性按照GB/T 6144—2010 5.1進(jìn)行評(píng)定.如無分層、相變及膠狀現(xiàn)象，即恢復(fù)原狀，則為合格.

3）消泡性測試

消泡性按照GB/T 6144—2010 5.4進(jìn)行測試.將切削液稀釋液倒入100 mL具塞量筒中，使液面在70 mL處，蓋好塞，上下?lián)u動(dòng)1 min，上下?lián)u動(dòng)的距離約為1/3 m，搖動(dòng)頻率為100～120次/分鐘.然后，在室溫下靜置10 min，觀察液面殘留泡沫體積，不大于2 mL為合格.

4）腐蝕性測試

腐蝕性按照GB/T 6144—2010 5.6進(jìn)行測試.

鑄鐵片：無銹，光澤如新A級(jí)；無銹但輕微失光B級(jí)；輕銹和輕微失光C級(jí)；重銹或嚴(yán)重失光D級(jí)，其中A級(jí)為合格，其它為不合格.

5）防銹性測試

防銹性按照國標(biāo)GB/T 6144—2010 5.7進(jìn)行測試.

單片防銹性試驗(yàn).用滴液管吸取切削液稀釋液，按梅花格式滴入5滴，于一級(jí)灰口鑄鐵試片的磨光面上（試片制備按照SH/T 0218），每滴直徑為4 mm～5 mm.然后將試片置于底部注入蒸餾水的干燥器的隔板上，蒸餾水的液面為底部高度的1/3～1/2，合上干燥器蓋，置于已恒溫到（35±2）℃的恒溫箱中，連續(xù)實(shí)驗(yàn)24 h，取出試片，進(jìn)行觀察.

疊片防銹性試驗(yàn).將準(zhǔn)備好的一級(jí)灰口鑄鐵試片平放于干燥器的隔板上，試片的磨光面向上（試片制備按照SH/T 0218），用滴液管吸取切削液稀釋液，涂布在試片上，然后再用另一試片的磨光面重疊其上.觀察距試片邊緣1 mm以內(nèi)兩疊面無銹蝕（光亮如初）或無明顯疊印為合格.

6）潤滑性能的評(píng)定

切削液的潤滑性能的實(shí)驗(yàn)室評(píng)定，采用綠博士/B-2型潤滑油摩擦試驗(yàn)機(jī)，所添加砝碼的重量代表切削液的潤滑性，至電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，添加的砝碼越多，被測切削液的潤滑性越好.

2 結(jié)果與討論

2.1 切削液的理化性能評(píng)定

復(fù)配制備的水基金屬切削液原液為淡黃色、澄清透明液體，長期放置（大于半年）不分層、無沉淀，無相變，其稀釋液為半透明液體，耐硬水能力強(qiáng)，放置數(shù)天后無沉淀，pH值及消泡性均符合要求，結(jié)果如表1所示.

表1 切削液的表觀性能Tab.1 Apparent properties of cutting fluid

2.2 腐蝕性

將4塊同樣規(guī)格一級(jí)灰口鑄鐵試片（8.7 cm×6.1 cm×0.3 cm）先用砂紙打磨，再用丙酮擦洗二次，熱風(fēng)吹干并稱重后，迅速放入蒸餾水以及分別為1.5%、2.5%、5%的切削液稀釋液中，試片頂端距液面10 mm左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出試片，除盡附著的腐蝕產(chǎn)物，分別用蒸餾水和丙酮洗滌干燥后稱重.其腐蝕性能評(píng)定結(jié)果如表2所示.利用1.3節(jié)中5）計(jì)算一級(jí)灰口鑄鐵在蒸餾水中以及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)切削液稀釋液中的腐蝕速率以及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)切削液稀釋液對(duì)一級(jí)灰口鑄鐵試片的緩蝕率結(jié)果如表3所示.

表2結(jié)果表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%和5%的水基金屬切削液稀釋液，腐蝕性能合格，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%稀釋質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水基金屬切削液防腐性能不能達(dá)到要求.從表3中可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～5%的切削液稀釋液，對(duì)一級(jí)灰口鑄鐵的緩蝕率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高呈遞增趨勢，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，其緩蝕率達(dá)到98.8%.

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)切削液稀釋液的腐蝕性能評(píng)定Tab.2 Evaluation of corrosion property of cutting fluid with different mass fractions

由于三乙醇胺硼酸酯、三乙醇胺、三乙醇胺油酸皂均屬于有機(jī)緩蝕劑，均由極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)組成，其極性基團(tuán)能吸附在金屬表面，改變金屬在溶液中的雙電層結(jié)構(gòu)，提高金屬離子化過程的活化能；非極性基團(tuán)遠(yuǎn)離金屬表面作定向排列，形成一層疏水的薄膜，將腐蝕介質(zhì)與金屬表面隔離，阻礙與腐蝕反應(yīng)有關(guān)的電荷或物質(zhì)轉(zhuǎn)移，使得金屬腐蝕速率大大降低［14］.切削液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，有機(jī)緩蝕劑的含量越高，對(duì)一級(jí)灰口鑄鐵的腐蝕速率越小.

2.3 防銹性能

表4結(jié)果表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～5%的切削液稀釋液對(duì)一級(jí)灰口鑄鐵均有較好的防銹性能，試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，各組切削液稀釋液的防銹性能均合格.

本文復(fù)配制備的切削液稀釋液能達(dá)到好的防銹效果，主要是由于三乙醇胺硼酸酯和三乙醇胺油酸皂分子中含有的N原子及O原子均含有孤對(duì)電子，可與Fe的d電子空軌道形成配位鍵，而發(fā)生化學(xué)吸附，形成配合物膜，改變金屬表面狀態(tài)，阻止氧氣和水等分子與金屬表面接觸，從而起到防銹的作用［15］.

表4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)切削液稀釋液對(duì)一級(jí)灰口鑄鐵的防銹效果Tab.4 Effect of different mass fractions of cutting fluid dilution on the first grade gray cast iron

2.4 潤滑性

表5結(jié)果表明，相比于空白樣蒸餾水，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)切削液稀釋液的潤滑性均有明顯的提高，同時(shí)，隨著切削液稀釋液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，潤滑性也隨之不斷增強(qiáng).

表5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)切削液稀釋液的試液潤滑性評(píng)定Tab.5 Evaluation of liquid lubrication of cutting fluid dilution with different mass fractions

油酸是一種潤滑性能比較好的油性劑，但其不溶于水，在其分子鏈中引入親水基團(tuán)，通過配比可以生成水溶性油性劑，用三乙醇胺與油酸發(fā)生反應(yīng)，可以生成水溶性油性劑三乙醇胺油酸皂［16］.三乙醇胺油酸皂作為油性劑添加在切削液中，其極性基團(tuán)吸附在金屬表面上，碳?xì)滏溨械募谆鶛M向吸附，構(gòu)成牢固的吸附膜，起到潤滑作用，在一定負(fù)荷和溫度范圍內(nèi)可以阻止金屬的直接接觸、減輕磨損.同時(shí)，利用具有極壓潤滑性的三乙醇胺硼酸酯與之復(fù)配，使得制備的切削液具有優(yōu)良的潤滑性.

2.5 使用試驗(yàn)

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水基金屬切削液稀釋液，在夏天使用，其防銹性、潤滑性均較好，切削液沒有異味，對(duì)操作者的皮膚無刺激，不傷手［17］.

復(fù)配物質(zhì)十二烷基二甲基甜菜堿，是一種兩性表面活性劑，在酸性和堿性條件下，都具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，與陰陽、非離子表面活性劑配伍性良好，不但對(duì)皮膚異常溫和，而且可降低陰離子對(duì)皮膚的刺激性，有優(yōu)良的抗靜電發(fā)泡、耐硬水，防銹、殺菌等特性［18］.十二烷基二甲基甜菜堿的添加，不僅可以降低切削液對(duì)皮膚的刺激，還能夠增強(qiáng)切削液的殺菌和防銹性能.

3 結(jié) 語

本文采用三乙醇胺硼酸酯和三乙醇胺油酸皂復(fù)配制備的水基金屬切削液為亮黃色透明溶液，無分層、無沉淀、呈均勻液狀，可長期儲(chǔ)存，其稀釋液性能穩(wěn)定，無沉淀，pH值及消泡性均符合要求.其中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%及5%的水基金屬切削液稀釋液對(duì)一級(jí)灰鑄件具有良好的防銹性能、防腐性和潤滑性能.十二烷基二甲基甜菜堿的加入降低了切削液對(duì)皮膚的刺激性.該切削液的制備工藝簡單、原料易得、生產(chǎn)成本低，且對(duì)環(huán)境友好，性能穩(wěn)定、使用方便.

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Preparation and Performance of Water-Based Metal Cutting Fluid

LI Jie1，ZHANG Bin2，LIU Qiong2，3*，ZHENG Ping2，WU Tian1，2
1.School of Physics and Mechanical&Electronical Engineering，Hubei University of Education，Wuhan 430205，China；2.College of Chemistry and Life Science，Hubei University of Education，Wuhan 430205，China；
3.School of Chemistry and Environmental Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Water-based metal cuttingfluid was prepared from themain startingmaterials such as triethanolamine borate，triethanolamine oleic soap and dodecyl dimethyl betaine.The properties of water-based metal cutting fluid were systematically measured and evaluated by adjusting the composition proportion of the mixture.The experimental results show that the water-based metal cutting fluid exhibits superior anti-rust and lubrication performance by the combination of triethanolamine borate and riethanolamine oleic soap，the properties of the water-based metal cutting fluid diluent with mass fractions of 2.5%and 5%are excellent，and the addition of dodecyl dimethyl betaine can reduce the stimulation of cutting fluid to skin，thereby reducing the harm to the human body.In addition，the cutting fluid prepared possesses stable performance，easy storage and environmental friendliness.It is expected that the as-prepared cutting fluid will apply to the metal working and machining fields.

triethanolamine borate；triethanolamine oleic soap；combination；cutting fluid；anti-rust performance

2016-12-18

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃指導(dǎo)項(xiàng)目（B2017210）；湖北第二師范學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科（應(yīng)用化學(xué)）；湖北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（D20153001）

李 杰，博士，講師.E-mail：lijie@hue.edu.cn

*通訊作者：劉 瓊，博士，講師.E-mail：240200025@qq.com

李杰，張彬，劉瓊，等.復(fù)配制備水基金屬切削液及其性能的研究［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（5）：427-431.

LI J，ZHANG B，LIU Q，et al.Preparation and performance of water-based metal cutting fluid［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（5）：427-431.

TG502.16

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.05.004

1674-2869（2017）05-0427-05

張 瑞