CN103450255A - 聚蓖麻油酸酯磷酸酯及其制备方法和用该酯制备可生物降解微量切削油 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚蓖麻油酸酯磷酸酯及其制备方法和用该酯制备可生物降解微量切削油，其特征在于该聚蓖麻油酸酯磷酸酯的分子结构式为：
Description
技术领域
本发明涉及润滑技术领域，具体地说是聚蓖麻油酸磷酸酯及其制备方法和用该酯制备可生物降解微量切削油。
背景技术
传统金属加工润滑和冷却用的切削油、冷却剂、乳化液等润滑剂使用量大，且传统的切削油都是采用矿物油为基础油，在自然环境中不易分解，所用的添加剂大都对人体和环境有害，不仅浪费资源，还会造成加工场所和环境的巨大污染。近年对微量切削技术的研究取得很大的进展，减少了大量切削油液的排放对环境造成的危害，但是为了解决微量切削问题，往往在切削油中加入过量的对环境有害的氯化物、硫化物等极压抗磨剂来解决微量切削中的润滑和冷却问题。
如公开号为CN101376861的中国专利，公开了一种微量润滑系统铝合金润滑剂及其制备方法和用途，采用由如下重量份数比原料制备而成：基础油40份、硫代磷酸酯5－15份、氯化石蜡5－15份、硫化异丁烯5－15份、硼酸钾5－15份、乙醇或乙二醇5－10份、防锈剂5份。虽然该润滑剂具有较好的润滑性能，但是，较大比例的使用硫化物和氯化物，会给环境带来较大的压力。
发明内容
鉴于以上缺陷，本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可用于制备可生物降解微量切削油的聚蓖麻油酸磷酸酯及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供的聚蓖麻油酸磷酸酯的特征在于，具有下列分子结构式：
其中，n为1至4的整数。
本发明提供的聚蓖麻油酸磷酸酯，还具有这样的技术特征：40℃时的运动粘度为300-2000mm2/s。
另外，本发明提供的一种聚蓖麻油酸酯磷酸酯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将蓖麻油酸和磷酸分别投入聚合釜内；
步骤二：充入氮气排出聚合釜内的空气；
步骤三：边搅拌边升温至180℃～200℃，反应3～4个小时；
步骤四：减压除去水分，获得产物。
另外，本发明提供的一种聚蓖麻油酸酯磷酸酯的制备方法，其特征在于，蓖麻油酸和磷酸的质量百分含量分别为90-95%和5-10%。
本发明通过对反应温度和反应时间的调整，能进一步的控制本发明反应第一阶段的聚合程度。温度过高或反应时间过长将会形成不利于第二阶段酯化的高聚物，温度过低或反应反应时间过短将无法得到聚合产物。
用于表达上述制备方法的反应式为：
其中，n为1至4的整数。
由上述反应方程式所示的反应过程可知，本发明为先聚合、后酯化的反应。值得一提的是，在该反应中，当蓖麻油酸或磷酸过量或未能完全反应时，可能会出现产物为混合物的情况。然，经试验证明，即使当该产物为混合物的情况下，对采用该混合物制备的微量切削油的性能没有影响，且该微量切削油仍具备优秀的可生物降解的特征。
另外，本发明还提供了一种采用上述聚蓖麻油酸酯磷酸酯制备可生物降解的微量切削油的方法，其特征在于：在聚蓖麻油酸酯磷酸酯中加入40℃时的运动粘度小于20mm2/s的低粘度酯对其进行稀释，直至整个体系40℃时的运动粘度小于100mm2/s时即可应用于微量切削润滑系统。
测量按上述方法制备而成的聚蓖麻油酸酯磷酸酯的粘度，选择与其匹配的低粘度酯，根据聚蓖麻油酸酯磷酸酯和低粘度酯的粘度等物理化学特性以及目标可生物降解的微量切削油的粘度等因素，经过计算，预测出聚蓖麻油酸酯磷酸酯和低粘度酯的用量比例。
根据上述预测结果进行本发明所涉及的可生物降解的微量切削油的制备，当预测结果与实验结果不一致时，通过增加或减少低粘度酯的用量来对产物的粘度进行调整。
值得注意的是，从微量切削油的功能性和可生物降解性的角度考虑，本发明提供的制备可生物降解的微量切削油的方法，还具有这样的特征：聚蓖麻油酸酯磷酸酯至少占总质量（即聚蓖麻油酸酯磷酸酯和低粘度酯的总质量）百分比含量的30%。
另外，本发明提供的制备可生物降解的微量切削油的方法，还具有这样的特征：低粘度酯为低粘度单酯或者低粘度双酯中的一种或几种的混合物。
其中，低粘度单酯是指一元醇和一元脂肪酸制备的酯，可选由天然油脂衍生的直链脂肪酸和直链脂肪醇或支链脂肪醇得到的酯，碳原子数为1-12的一元饱和/不饱和醇与碳原子数为2-20的一元饱和/不饱和酸的反应产物。例如：甘油单酯，蔗糖单酯，不饱和脂肪酸甘油酯，油酸甲酯，癸酸乙酯，硬脂酸丁酯等。
低粘度双酯是指一元醇和二元脂肪酸制备的酯，碳原子数为1-12的一元饱和/不饱和醇与碳原子数为2-20的二元饱和/不饱和酸的反应产物。例如：己二酸或癸二酸和支链伯醇酯的反应产物，癸二酸二辛酯，甘油二辛酯等。
低粘度的双酯或者单酯，可以降低聚蓖麻油酸酯磷酸酯为主要原料的微量切削油的粘度，便于其使用于微量切削润滑装置，同时有一定的润滑性，生物分解性好。
发明的作用与效果
本发明提供的一种聚蓖麻油酸酯磷酸酯具有良好的润滑性和极压抗磨性，抗磨、减磨性强。可取代氯化石蜡及硫化物使用，并具有良好的生物分解性能。
使用本发明的方法制造的可生物降解的微量切削油与现有技术相比，具有良好的润滑性和极压抗磨性，很少量的微量切削油就能满足金属加工的高端要求，减少了对环境和工人的危害，并可生物降解，把对环境的污染降到最低。
具体实施方式
实施例1
1#可生物降解微量切削油
称取蓖麻油酸90kg和10kg的磷酸加入聚合釜内，充入氮气置换出釜内空气，搅拌加热升温至200℃,4小时，减压除去水份，得到40℃粘度1800mm2/s聚蓖麻油酸酯磷酸酯；
将上述聚蓖麻油酸酯磷酸酯50kg和40℃粘度5mm2/s50kg的油酸甲酯混合搅拌30分钟，得1#可生物降解微量切削油的40℃粘度87mm2/s。
实施例2
2#可生物降解微量切削油
称取蓖麻油酸95kg和5kg的磷酸加入聚合釜内，充入氮气置换出釜内空气，搅拌加热升温至180℃,3小时，减压除去水份，得到40℃粘度650mm2/s聚蓖麻油酸酯磷酸酯；
将上述聚蓖麻油酸酯磷酸酯60kg和40℃粘度8mm2/s40kg的癸二酸二辛酯混合搅拌30分钟，得2#可生物降解微量切削油的40℃粘度78mm2/s。
实施例3：
3#可生物降解微量切削油
称取蓖麻油酸94kg和6kg的磷酸加入聚合釜内，充入氮气置换出釜内空气，搅拌加热升温至190℃,3.5小时，减压除去水份，得到40℃粘度950mm2/s聚蓖麻油酸酯磷酸酯；
将上述聚蓖麻油酸酯磷酸酯55kg和40℃粘度4mm2/s45kg的癸酸乙酯混合搅拌30分钟，得3#可生物降解微量切削油的40℃粘度75mm2/s。
实施例4：
4#可生物降解微量切削油
称取蓖麻油酸92kg和8kg的磷酸加入聚合釜内，充入氮气置换出釜内空气，搅拌加热升温至185℃,3.2小时，减压除去水份，得到40℃粘度780mm2/s聚蓖麻油酸酯磷酸酯；
将上述聚蓖麻油酸酯磷酸酯45kg和40℃粘度6mm2/s55kg的硬脂酸丁酯混合搅拌30分钟，得4#可生物降解微量切削油的40℃粘度66mm2/s。
将上述制备的1#至4#可生物降解微量切削油应用于KS-2105微量切削润滑装置，线速度1000m/min高速带锯锯切Φ300mm铝棒，传统使用乳化液，8小时工作，实测结果如下：
| 编号 | 0#乳化液 | 1# | 2# | 3# | 4# |
| 润滑剂使用量/天 | 25公斤 | 220ml | 230ml | 230ml | 250ml |
| 工件切割表面质量 | 一般 | 光亮 | 光亮 | 光亮 | 光亮 |
生物降解实验方法
1.实验材料：
土壤样本：样本取自不同地方地表0-10cm处土壤，土样经混匀、除杂后，存于试样袋中备用。
可生物降解微量切削油样本：本实施例1中1#可生物降解微量切削油。
2.微量切削油生物降解性实验：
将土壤样本分成5组，在恒温（25℃）下保持土壤含水率在25%左右进行生物降解实验。生物降解实验开始后，于15、20、30天对土壤样本进行取样，采用重量法测定样本中残留微量切削油总量。操作方法为（例如样品编号1）准确称取土壤样本中土样100克置于具塞磨口锥型瓶内，加入100毫升二氯甲烷，轻轻摇动20分钟，将浸液过滤到已称重的250毫升圆底烧瓶；土样用二氯甲烷再浸泡2次（每次用CH2Cl250毫升），每次浸泡20分钟，将浸液滤入烧瓶中。旋蒸除去溶剂，称重，增加的重量即为土样中残留微量切削油量。根据土样中残留微量切削油浓度按下式计算微量切削油生物降解率ε：ε=（S1-S2）/S1X100%,式中S1为第0天时土壤样本中微量切削油质量分数（mg.g）；S2为第X天时土壤样本中微量切削油质量分数（mg.g）。
不同条件下微量切削油的生物降解率
| 样品编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 环境湿度 | 40% | 40% | 40% | 50% | 50% |
| 实验时间.天 | 15 | 20 | 30 | 15 | 30 |
| 第0天油重.克 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 第X天油重.克 | 2.56 | 2.16 | 1.35 | 2.33 | 1.18 |
| 降解率 | 14.7% | 28% | 55% | 22.3% | 60.7% |
3.结论：
根据不同土壤、不同湿度、不同温度、不同降解时间、不同实验手段，本发明的微量切削油的最终降解率有所不同，随着时间延长，降解率会更高。
微量切削油的生物降解是指切削油能被活性微生物（细菌）分解为简单化合物的过程。有机物的生物降解性可分为初始生物降解性和最终生物降解性。
初始降解性：有机物A→物质B（有机物A消失）
最终降解性：有机物A→物质B……→CO2+H2O+其他无机物+微生物（有机物A完全降解）。
本实验计算的是本发明可降解微量切削油的最终降解性。
将2#～4#可生物降解微量切削油进行上述生物降解实验，发现，根据不同土壤、不同湿度、不同温度、不同降解时间、不同实验手段，本发明的2#～4#微量切削油的最终降解率虽然不完全相同，但是，随着时间延长，降解率会更高。
实施例的作用和效果：
本发明制备出的可生物降解微量切削油，可应用于有色金属或黑色金属加工中的车、锯、铣、攻丝、钻孔、铰孔、镗孔、冲压加工工艺领域的润滑和冷却。使用时配合微量切削润滑装置，可使切削油/液的使用量降到原来的5%以内，大大降低了对环境的污染。
此外，该系列可生物降解微量切削油可有可生物降解的特性，并通过实验证明了其优秀的生物降解性，是一种环保、优质、高效的产品。
Claims (7)
1.一种聚蓖麻油酸酯磷酸酯，其特征在于，具有下列分子结构式：
其中，n为1至4的整数。
2.如权利要求1所述的一种聚蓖麻油酸酯磷酸酯，其特征在于：
40℃时的运动粘度为300-2000mm2/s。
3.如权利要求1或2所述的一种聚蓖麻油酸酯磷酸酯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将蓖麻油酸和磷酸分别投入聚合釜内；
步骤二：充入氮气排出聚合釜内的空气；
步骤三：边搅拌边升温至180℃～200℃，反应3～4个小时；
步骤四：减压除去水分，获得产物。
4.如权利要求3所述的一种聚蓖麻油酸酯磷酸酯的制备方法，其特征在于：
所述蓖麻油酸和磷酸的质量百分比含量分别为90-95%和5-10%。
5.采用如权利要求1或2所述的一种聚蓖麻油酸酯磷酸酯制备可生物降解的微量切削油的方法，其特征在于：
在聚蓖麻油酸酯磷酸酯中加入40℃时运动粘度小于20mm2/s的低粘度酯，直至该混合溶液40℃时运动粘度小于100mm2/s。
6.如权利要求5所述的制备可生物降解的微量切削油的方法，其特征在于：
所述低粘度酯为低粘度单酯或者低粘度双酯中的一种或几种的混合物。
7.如权利要求5所述的制备可生物降解的微量切削油的方法，其特征在于：
所述聚蓖麻油酸酯磷酸酯至少占总质量百分比含量的30%。
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