綠色通用型乳化切削液的制備

趙 敏，蘭曉艷，陳艷鳳，吳芳青，胡曉春

(中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司，北京 100083)

采用切削液可使切削速率提高30%～40%[1]。切削液按照組成和作用可分為水溶性切削液和純油性切削液；水溶性切削液又可分為乳化液、微乳化液和合成切削液3種類型[2]。水溶性切削液始于20世紀(jì)40年代，因具有油基液難以比擬的冷卻性及低廉的成本而得到了迅速發(fā)展。乳化切削液具有較好的潤(rùn)滑性和冷卻性等特點(diǎn)，占到水溶性切削液的41%?；A(chǔ)油對(duì)乳化切削液濃縮液的調(diào)配、儲(chǔ)存以及工作液的使用效果和維護(hù)處理影響很大，其在乳化切削液濃縮液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)占到30%～60%[3-4]。目前，礦物油基礎(chǔ)油在市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位，但其生物降解性差，環(huán)境污染嚴(yán)重，資源短缺。生物質(zhì)基礎(chǔ)油主要有天然植物油、烴類、酯類、醚類等[5]。天然植物油與合成酯等易降解基礎(chǔ)油相比，成本較低，來(lái)源豐富，是可再生資源。

機(jī)械加工廠進(jìn)行的多是幾種材質(zhì)的混合加工作業(yè)[6]，而目前許多市售乳化切削液往往只針對(duì)某一種材質(zhì)或某一種工藝的加工[7]，導(dǎo)致一個(gè)生產(chǎn)車間要同時(shí)配備多種切削液。國(guó)內(nèi)水基切削液研發(fā)起步較晚，高端市場(chǎng)主要被國(guó)外公司所占領(lǐng)。其中，植物油基切削液在國(guó)外已有成型的商品，國(guó)內(nèi)研究人員主要是在可生物降解基礎(chǔ)油性能改進(jìn)、生物降解性試驗(yàn)等方面進(jìn)行初步探討[8]。由于ISO 15380標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)境友好潤(rùn)滑油品有相應(yīng)規(guī)定，越來(lái)越多的用戶和生產(chǎn)商青睞基于可再生資源的金屬加工液[9]。此外，裝備制造業(yè)在進(jìn)行綠色低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)的大背景下，在保持乳化削液使用性能的基礎(chǔ)上，選擇環(huán)保綠色切削液顯得尤為重要。針對(duì)以上問題，筆者研制了一種性能良好、綠色環(huán)保，同時(shí)可滿足黑色金屬和有色金屬多種加工工藝要求的環(huán)保通用型乳化切削液，以解決切削液生產(chǎn)廠商和機(jī)械加工業(yè)亟需的問題。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要試劑與儀器

蓖麻油，工業(yè)品，正華化工有限公司；葵花籽油、菜籽油、玉米油，工業(yè)品，山西永濟(jì)宏遠(yuǎn)化工公司；韓國(guó)加氫100N、150SN、500DN，茂名市粵達(dá)石化有限公司；抗氧劑(胺類抗氧劑、受阻酚類抗氧劑)、乳化劑(陰離子表面活性劑Y-1、Y-2)、三乙醇胺，工業(yè)品，錦州新興石油添加劑有限責(zé)任公司；防銹劑(磺酸鹽類、胺鹽類、苯并三氮唑等)，新都石油添加劑廠；高相對(duì)分子質(zhì)量極壓劑GY25合成酯，路博潤(rùn)公司；芥酸三乙醇胺鹽，自制。

DSC204 HP型高壓差示掃描量熱儀(PDSC)，德國(guó)NETZSCH公司。

1.2 分析方法

采用差示掃描量熱儀對(duì)試樣進(jìn)行氧化安定性評(píng)價(jià)。

按照GB 6144—85進(jìn)行四球極壓試驗(yàn)測(cè)定乳化液最大無(wú)卡咬負(fù)荷PB值(N)；按SH/T 0189—92方法進(jìn)行四球抗磨試驗(yàn)，在20 kg、1 200 r/min、75 ℃、1 h條件下，測(cè)定鋼球磨斑直徑d(mm)。鋼球直徑12.7 mm，材質(zhì)GCr15，洛氏硬度HRC64～66。

1.3 保通用型乳化切削液的制備

采用植物油為基礎(chǔ)油，加入一定比例的復(fù)合乳化劑、防銹劑、環(huán)保極壓劑等添加劑，制備得到環(huán)保通用型乳化切削液。

2 結(jié)果與討論

2.1 植物油作為切削液基礎(chǔ)油的性能

植物油平均相對(duì)分子質(zhì)量為 800～1 000，閃點(diǎn)高、沸點(diǎn)高，不易霧化，用作基礎(chǔ)油時(shí)，能大大減少切削液在氣化和霧化時(shí)的損耗，保證良好的作業(yè)環(huán)境[10]。在大多數(shù)植物油中，棉籽油、葵花籽油中的不飽和脂肪酸含量遠(yuǎn)大于飽和脂肪酸含量，且不飽和脂肪酸主要由含有1個(gè)雙鍵的油酸(C17H33COOH) 、含有2個(gè)雙鍵的亞油酸(C17H31COOH) 、含有3個(gè)雙鍵的亞麻酸(C17C29COOH)等組成，這些順式不飽和雙鍵和烯丙基碳原子，使植物油在常溫下易呈現(xiàn)液態(tài)，但也發(fā)生氧化反應(yīng)[8]。因此，植物油中雙鍵的存在致使其氧化安定性、水解穩(wěn)定性差，限制了植物油的廣泛應(yīng)用。

2.1.1 植物油理化性能

實(shí)驗(yàn)考察了多種天然植物油、礦物油的潤(rùn)滑性能和40 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度，結(jié)果見表1。

表1 植物油與礦物油的最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB)和黏度

由表1可知，4種植物油的PB均明顯高于4種礦物油。這是因?yàn)?，植物油分子含有極性分子，容易在金屬表面形成一層保護(hù)膜，該保護(hù)膜潤(rùn)滑性能好且不易破裂，當(dāng)其在重負(fù)荷加工下使用時(shí)，可以減少潤(rùn)滑油中極壓添加劑的用量[10]。然而，植物油中含有較多的不飽和脂肪酸，其氧化穩(wěn)定性差，易水解。因此，對(duì)4種植物油水解安定性進(jìn)行了考察，結(jié)果見表2。

表2 4種植物油水解安定性

由表2可知，4種植物油水解后的水層與油層均未顯示出強(qiáng)的酸性，銅片質(zhì)量損失量小，未造成明顯腐蝕。這可能是植物油在水解后生成的脂肪酸碳鏈長(zhǎng)、酸性較弱導(dǎo)致的。結(jié)合表1、表2可知，菜籽油較玉米油、葵花籽油的PB值高，即潤(rùn)滑性好，水解實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)結(jié)果較好，且種植區(qū)域廣、產(chǎn)量高、價(jià)格較低，因此菜籽油可作為較好的植物基基礎(chǔ)油。

2.1.2 菜籽油氧化安定性能的改善

添加抗氧劑是改善菜籽油氧化穩(wěn)定性較為簡(jiǎn)便有效且成本較低的方法[11]。實(shí)驗(yàn)在菜籽油中添加一定量復(fù)合抗氧劑，考察氧化安定性，結(jié)果見表3、表4。

表3 添加復(fù)合抗氧劑的菜籽油在不同溫度下的氧化誘導(dǎo)時(shí)間

表4 添加復(fù)合抗氧劑的菜籽油水解安定性

由表3、表4可知，添加復(fù)合抗氧劑的菜籽油，氧化誘導(dǎo)時(shí)間均顯著延長(zhǎng)；水解安定性實(shí)驗(yàn)中，銅片腐蝕量減少到0.01 mg/cm，外觀也有很大改善，水層、油層總酸度均有大幅降低，說(shuō)明該復(fù)合抗氧劑明顯改善了菜籽油的氧化安定性、水解安定性能。

2.2 乳化劑的考察

制備穩(wěn)定乳狀液的關(guān)鍵是選擇最合適的乳化劑[12]。與油酸相比，芥酸多了4個(gè)亞甲基，具有潤(rùn)滑性好，內(nèi)摩擦系數(shù)低，沸點(diǎn)、閃點(diǎn)及著火點(diǎn)都較高等。采用自制低泡、多功能芥酸三乙醇胺鹽乳化劑，并篩選出2種與其配伍性能較好的陰離子表面活性劑(Y-1、Y-2)進(jìn)行復(fù)配。在菜籽油中加入復(fù)配劑和水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)調(diào)配成濃縮液，取一部分調(diào)成5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的稀釋液，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 乳化劑復(fù)配實(shí)驗(yàn)

由表5可知，序號(hào)3和7中，當(dāng)非離子表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、陰離子表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)為最佳配比。

2.3 防銹劑的選擇

切削過程中，加工件和機(jī)床易受周圍介質(zhì)，如水分、氧氣、酸性物質(zhì)及空氣中灰塵的侵襲而產(chǎn)生銹蝕[13]。因此，乳化切削液應(yīng)具有良好的防銹性能，其中防銹劑是利用其定向吸附作用阻止或延緩氧氣和氫離子與零件表面接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)防銹的[14]。

考察了7種防銹劑(磺酸鹽類、胺鹽類、苯并三氮唑等)的防銹性。配方是(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：菜籽油47%、乳化劑Y-1 8%、芥酸三乙醇胺鹽5%、水35%，在此組成中添加相同劑量5%的防銹劑進(jìn)行考察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 7種防銹劑性能考察

由表6可知，F(xiàn)-3及F-7(磺酸鹽類、胺鹽類)均有較好的防銹性，因此，選此2種防銹劑在環(huán)保通用型乳化切削液配方中使用。

2.4 環(huán)保極壓劑極壓性能

極壓劑主要有氯化石蠟、有機(jī)硫磷化合物、硫化脂肪酸酯、鉬酸鹽等[15]。鉬酸鹽價(jià)格太高，極壓性能也不太理想；氯化石蠟價(jià)廉物美，但由于涉及環(huán)境和毒性問題，使用越來(lái)越少；硼酸酯無(wú)毒，潤(rùn)滑性好，并有較好的防銹性能，但是其易水解，不容易吸附在金屬表面，單獨(dú)使用時(shí)其抗磨極壓性能不理想[16]。高相對(duì)分子質(zhì)量極壓劑分子鏈上的很多極性基團(tuán)與金屬有很強(qiáng)的親和力[17]，不易被剪切，飽和度比較高，具有優(yōu)異的熱安定性，切削溫度較高時(shí)也不易分解。選用高相對(duì)分子質(zhì)量極壓劑進(jìn)行考察，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：47%菜籽油+8%Y-1+5%芥酸三乙醇胺鹽，高相對(duì)分子質(zhì)量極壓劑和水，結(jié)果見表7。

由表7可知，高相對(duì)分子質(zhì)量極壓劑用量越大，乳化液極壓性能越好，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)極壓性能良好，此后再增加用量其極壓性能增加較緩慢。該劑無(wú)氯、無(wú)硫磷、無(wú)灰，不會(huì)引起污染，是研制綠色切削液的理想組分。

表7 高相對(duì)分子質(zhì)量極壓劑性能考察

2.5 通用型乳化切削液的制備及評(píng)價(jià)

2.5.1 RH切削液的配方

經(jīng)配伍性考察，得到的以菜籽油為基礎(chǔ)油，不含非環(huán)保型添加劑的綠色乳化切削液(RH)配方為：47%菜籽油+1.2%復(fù)配抗氧劑+8%Y-1+5%芥酸三乙醇胺鹽,+5%F-3+5%F-7+7%高相對(duì)分子質(zhì)量極壓劑+21.8%水(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

2.5.2 性能對(duì)比結(jié)果

考察了RH乳化切削液及市售試樣的性能，結(jié)果見表8。由表8可知，RH銅片腐蝕和單片、疊片試驗(yàn)性能優(yōu)良，乳化液安定性能比較穩(wěn)定，最大無(wú)卡咬負(fù)荷性能優(yōu)良。與進(jìn)口試樣相比，研制的乳化切削液最大無(wú)卡咬負(fù)荷性能、對(duì)鋁的防銹性均有很大提高，多種性能均優(yōu)于國(guó)內(nèi)試樣，消泡性能較國(guó)外試樣優(yōu)良。

表8 乳化切削液性能評(píng)定

2.5.3 RH乳化切削液的穩(wěn)定性

顆粒大小是乳液穩(wěn)定性的特定參數(shù)之一。為即時(shí)快速考察乳化切削液的穩(wěn)定性，用Mastersizer 2000激光粒度儀對(duì)乳化切削液進(jìn)行了粒度分布實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 RH乳化切削液粒度分布

由圖1可知，RH的峰形近似于正態(tài)分布，最小顆粒出現(xiàn)在0.11 μm處，最大顆粒為0.32 μm，峰值出現(xiàn)在0.18 μm處；RH的平均粒徑為0.178 μm。由此可知，RH具有較好的穩(wěn)定性，在長(zhǎng)時(shí)間放置時(shí)也不容易出現(xiàn)小顆粒團(tuán)聚成大顆粒以致出現(xiàn)沉淀等溶存穩(wěn)定性問題。

2.6 通用型乳化切削液RH的工業(yè)試驗(yàn)情況

將RH在北京航源星科技開發(fā)有限公司進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。以車床CD6140A、銑床X5032和加工中心VC1055作為試驗(yàn)機(jī)床，加工材質(zhì)選取銅、鑄鐵、鋼材。切削結(jié)果表明RH比原用的市售乳化切削液潤(rùn)滑性強(qiáng)，防銹性能優(yōu)良，加工件與機(jī)床均未發(fā)現(xiàn)銹蝕，冷卻性能優(yōu)良，可適用于黑色和有色金屬加工，較好的改善了以前隨著加工材質(zhì)不同頻繁更換切削液的情況。

3 結(jié) 論

a.優(yōu)選菜籽油為乳化液基礎(chǔ)油，當(dāng)復(fù)配抗氧劑添加1.2%時(shí)，菜籽油的氧化安定性、水解安定性能有很大改善。

b.自制多功能新型乳化劑-芥酸三乙醇胺鹽與陰離子乳化劑Y-1按照5∶8質(zhì)量比調(diào)配得到乳化性能良好的復(fù)配乳化劑。

c.通過實(shí)驗(yàn)得到在乳化液中防銹性能較好的防銹劑F-3和F-7；當(dāng)環(huán)保性高分子極壓劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于7%時(shí)，具有良好的極壓性。

d.制備的以菜籽油為基礎(chǔ)油的通用型乳化切削液，消泡性能比國(guó)外試樣優(yōu)良、最大無(wú)卡咬負(fù)荷性能有很大提高。粒度大小、粒度分散結(jié)果驗(yàn)證了RH切削液具有很好的穩(wěn)定性。

e.RH切削液對(duì)銅、鑄鐵、鋼材等的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，其比原用的市售切削液潤(rùn)滑性強(qiáng)，防銹性能、冷卻性能優(yōu)良，加工件與機(jī)床均未發(fā)現(xiàn)銹蝕，黑色和有色金屬均可加工,適用范圍廣泛。