CN104277899B - 环保型金属切削液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环保型金属切削液及其制备方法，组分及各组分的质量份数如下：淀粉15~30份，三偏磷酸钠5~10份，聚乳酸6~15份，碳酸盐1~6份，马丙共聚物1~3份，植物油5~12份，水20~30份。所述淀粉为支链淀粉含量为80%~90%的植物淀粉。所述植物油为大豆油或者菜籽油。所述碳酸盐为碳酸钠或者碳酸钾。所述淀粉为木薯淀粉或者马铃薯淀粉。本发明提供的环保型金属切削液，以生物可降解材料淀粉、聚乳酸和植物油为原料，加入聚乳酸和碳酸盐，得到的产品具有良好的润滑、冷却、清洗、防锈作用，并且3个月的生物可降解性达100%，所用原料来源广泛，成本低，制备方法简单易操作，具备工业应用前景。

Description

环保型金属切削液及其制备方法

技术领域

本发明属于金属切削液技术领域，具体涉及一种环保型金属切削液及其制备方法。

背景技术

金属切削液是金属切削加工过程中实现对刀具、工件进行润滑、冷却、清洗、防锈作用，保证加工精度、保护刀具、完成加工过程的重要工质。它由多种超强功能助剂经科学复合配伍而成，同时具备良好的冷却性能、润滑性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释等特点。金属切削液由矿物油、动植物油或添加部分添加剂的油基、水基乳化液构成，在使用过程中，受切削热和工件污染的影响，需要定期更换，虽然数量相对较少，但所形成的含油、含重金属和其它添加剂的含油性废水对地面水环境的污染却是比较大的，对其进行无害化处理和防治的重要性已日益被人们所重视。此外，切削液在加工过程中容易变质、变性发臭，使用寿命较短，失效后产生切削废液有机污染物含量高、毒性大、难生物降解，并且含有大量的油类物质及乳化状态的油，对环境危害严重。

金属切削废液的有害成分主要是切削液中含有的油类和化学添加剂及金属氧化物等，废液属耗氧物质、并含有毒性，排放到地表水体，干扰水体的复氧过程功能、消耗水中溶解氧、毒害水质生物和动物，且很多物质是在环境中自然降解能力较差，对环境和人体健康的影响和危害较大。油类主要是切削液的主要成分，油基、水基切削液中都含有各种矿物油、动植物油，如柴油、煤油、鲸油、麻油、棉籽油、菜子油等，都属于高耗氧物质，油类物质以及一些表面活性剂物质进入河流、湖泊等天然水体之后，非常容易扩散并形成一层膜，浮于水体表面，使得水体中的溶解氧含量大大减少，水中缺氧，水生生物大量死亡并产生恶臭，同时也大大影响了对水生植物的光合作用。金属切削液添加剂成分种类较多，包括脂肪酸皂、环烷酸皂、长链醇硫酸酯、磺化蓖麻油等阴离子类、斯盘- 80，吐温- 80，TX- 10，OP- 10等非离子类各种乳化剂，硫化动植物油、硫脲、磷酸三乙酯、二烷基二硫化代磷酸锌、氯化石蜡、氯化脂肪酸酯、有机钼化合物、有机硼化合物等极压润滑剂，石油磺酸（钡、钙、钠）盐、十二烯基丁二醇、环烷酸锌、硬脂酸铝、氧化石油脂、皂、羊毛酯、亚硝酸钠、铬酸盐、重铬酸盐、磷酸盐等防锈剂，三丹油、苯酚、四氯苯酚、甲醛类、含氯和含苯化合物等防腐剂，改性聚硅氧烷等消泡剂，苯并三氮唑铜合金防蚀剂等等。这些种类繁多的添加剂成分不仅对水生生物产生直接的危害，而且还会环境中迁移，对人体产致畸、致癌、致突变作用，对环境和人体的产生近期和远期影响。

绿色切削液是指切削液在使用中对人和环境无害，其废液经处理所含油成分回收后，水可安全排排放，残留废油和添加剂在自然界可完全降解，不会对环境造成任何污染。植物油是可再生的资源，在自然中可完全降解，对人和环境没有危害性。国外已用它代替矿物油来研制油基切削液。与矿物油相比，植物油的应用受到其氧化和水解的不稳定性及老化性能的制约，但挥发性低，加入一定的抗氧化剂等添加剂后，性能能很好地满足某些加工要求，有广阔的应用前景。另外一种代替矿物油的方法是采用酯类油，现在国内外生产的各类酯类油中，生物降解率就可达90 ～ 100 %，但价格较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种环保型金属切削液及其制备方法。

本发明采用的技术手段为：

一种环保型金属切削液，组分及各组分的质量份数如下：淀粉 15~30份，三偏磷酸钠5~10份，聚乳酸 6~15份，碳酸盐 1~6份，马丙共聚物 1~3份，植物油 5~12份，水 20~30份。

所述淀粉为支链淀粉含量为80%~90%的植物淀粉。

所述植物油为大豆油或者菜籽油。

所述碳酸盐为碳酸钠或者碳酸钾。

所述淀粉为木薯淀粉或者马铃薯淀粉。

环保型金属切削液，组分及各组分的质量份数优选如下：淀粉 20~26份，三偏磷酸钠7~9份，聚乳酸 9~13份，碳酸盐 2~5份，马丙共聚物 1~3份，植物油 7~12份，水 22~26份。

环保型金属切削液，组分及各组分的质量份数如下：马铃薯淀粉 22份，三偏磷酸钠8份，聚乳酸 11份，碳酸盐 3份，马丙共聚物 1.8份，植物油 7份，水 26份。

所述环保型金属切削液的制备方法，包括如下步骤：

1）将淀粉溶于水中，搅拌得淀粉乳液，边搅拌边升温至40~60℃，继续搅拌中，加入三偏磷酸钠，以氢氧化钠调节反应液pH为8~9，反应30~70min，反应结束，冷却至室温，得酯化淀粉；

2）将步骤1得到的酯化淀粉与聚乳酸、碳酸盐、马丙共聚物、植物油混合，搅拌均匀，得环保型金属切削液。

步骤1）中升温至55℃，反应45min。

步骤1）中氢氧化钠的质量浓度为25%。

众所周知，不同植物种类的淀粉，其淀粉颗粒中支链淀粉和直链淀粉的含量也是不同，但大部分淀粉颗粒是由70%的支链淀粉和30%的直链淀粉组成的，本发明分别选用了玉米淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、高粱淀粉和糯米淀粉，发现不同植物淀粉在金属切削液中效果差异很大，其中木薯淀粉和马铃薯淀粉的效果较好，其次是高粱淀粉和糯米淀粉，玉米淀粉和小麦淀粉在金属切削液中效果最差，通过对不同植物淀粉的研究发现，高粱淀粉和糯米淀粉中支链淀粉含量超过95%，木薯淀粉中支链淀粉含量为83%，直链淀粉含量为17%，马铃薯淀粉中支链淀粉含量为80%，直链淀粉含量为20%；玉米淀粉和小麦淀粉中支链淀粉含量不超过75%。淀粉中含有结晶结构，其机械加工性能很差；虽然淀粉含有大量亲水基团，但其基本不溶于水以及其他有机溶剂，本发明采用三偏磷酸钠对淀粉进行酯化改性，然后与聚乳酸混合，加入碳酸盐、马丙共聚物、植物油混合，制备得到的环保型金属切削液，生物可降解性好。

聚乳酸是一种亲油疏水的生物可降解材料，通过以聚乳酸为原料，与酯化淀粉复合，形成具有超疏水超亲油的特殊浸润性，在金属切削液中上具有广泛的应用前景。该金属切削液中分散有网状交织的微纳复合多孔结构，其孔径较小，且孔隙率大，在进行金属机械加工的时候，在金属表面附着形成薄膜，实现对刀具、工件进行润滑、冷却、清洗、防锈作用，保证加工精度、保护刀具、完成加工过程。

碳酸盐在本发明配方中既作为致孔剂又作为防锈剂，制备得到具有贯穿大孔及特殊浸润性的聚乳酸-酯化淀粉油水分离膜；分离膜不但具有微纳复合的网状粗糙多孔结构，而且利用碳酸盐制备得到的贯穿大孔，为油水分离提供了可能，从而保护金属表面，具备防滑防锈功能。

加入马丙共聚物对切削液的强度和膜的结合力增强作用十分明显，产生了明显的协同效应，增强了产品的最终粘度，使得植物油与酯化淀粉更好的融合，并且附着在聚乳酸上，形成拉伸强度强的防护膜，增强了金属机械加工时切削液与基体的结合力。

有益效果：本发明提供了一种环保型金属切削液，其主要以生物可降解材料淀粉、聚乳酸和植物油为原料，对淀粉进行酯化改性，添加到切削液中，发现其可以取代传统的油类在切削液中的作用，创造性的加入聚乳酸和碳酸盐，得到的产品具有良好的润滑、冷却、清洗、防锈作用，并且3个月的生物可降解性达100%，所用原料来源广泛，成本低，制备方法简单易操作，具备工业应用前景。

具体实施方式

实施例1

一种环保型金属切削液，组分及各组分的质量份数如下：木薯淀粉 15份，三偏磷酸钠5份，聚乳酸 6份，碳酸钠 1份，马丙共聚物 1份，植物油 大豆油 5份，水 20份。

制备方法，包括如下步骤：

1）将淀粉溶于水中，搅拌得淀粉乳液，边搅拌边升温至40℃，继续搅拌中，加入三偏磷酸钠，以氢氧化钠调节反应液pH为8~9，反应40min，反应结束，冷却至室温，得酯化淀粉；

2）将步骤1得到的酯化淀粉与聚乳酸、碳酸盐、马丙共聚物、植物油混合，搅拌均匀，得环保型金属切削液。

实施例2：

一种环保型金属切削液，组分及各组分的质量份数如下：木薯淀粉 30份，三偏磷酸钠10份，聚乳酸 15份，碳酸盐 6份，马丙共聚物 3份，植物油 菜籽油 12份，水 30份。

制备方法，包括如下步骤：

1）将淀粉溶于水中，搅拌得淀粉乳液，边搅拌边升温至50℃，继续搅拌中，加入三偏磷酸钠，以氢氧化钠调节反应液pH为8~9，反应50min，反应结束，冷却至室温，得酯化淀粉；

2）将步骤1得到的酯化淀粉与聚乳酸、碳酸盐、马丙共聚物、植物油混合，搅拌均匀，得环保型金属切削液。

实施例3

一种环保型金属切削液，组分及各组分的质量份数如下：马铃薯淀粉 20份，三偏磷酸钠7份，聚乳酸 9份，碳酸钠 2份，马丙共聚物 1份，植物油 大豆油7份，水 22份。

制备方法，包括如下步骤：

1）将淀粉溶于水中，搅拌得淀粉乳液，边搅拌边升温至50℃，继续搅拌中，加入三偏磷酸钠，以氢氧化钠调节反应液pH为8~9，反应45min，反应结束，冷却至室温，得酯化淀粉；

2）将步骤1得到的酯化淀粉与聚乳酸、碳酸盐、马丙共聚物、植物油混合，搅拌均匀，得环保型金属切削液。

实施例4

一种环保型金属切削液，组分及各组分的质量份数如下：马铃薯淀粉 26份，三偏磷酸钠 9份，聚乳酸 13份，碳酸钾 5份，马丙共聚物 3份，植物油 菜籽油 12份，水 26份。

制备方法，包括如下步骤：

1）将淀粉溶于水中，搅拌得淀粉乳液，边搅拌边升温至45℃，继续搅拌中，加入三偏磷酸钠，以氢氧化钠调节反应液pH为8~9，反应70min，反应结束，冷却至室温，得酯化淀粉；

2）将步骤1得到的酯化淀粉与聚乳酸、碳酸盐、马丙共聚物、植物油混合，搅拌均匀，得环保型金属切削液。

实施例5

环保型金属切削液，组分及各组分的质量份数如下：马铃薯淀粉 22份，三偏磷酸钠8份，聚乳酸 11份，碳酸盐 3份，马丙共聚物 1.8份，植物油 7份，水 26份。

制备方法，包括如下步骤：

1）将淀粉溶于水中，搅拌得淀粉乳液，边搅拌边升温至45℃，继续搅拌中，加入三偏磷酸钠，以氢氧化钠调节反应液pH为8~9，反应70min，反应结束，冷却至室温，得酯化淀粉；

2）将步骤1得到的酯化淀粉与聚乳酸、碳酸盐、马丙共聚物、植物油混合，搅拌均匀，得环保型金属切削液。

对实施例1~5得到的环保型金属切削液进行性能测试，结果见表1，测试方法如下：

摩擦磨损试验：采用MG2000型摩擦磨损试验机测定摩擦系数，试验载荷50N，转速200r/min，采用干性摩擦。试验温度为室温（25℃），检测其摩擦试验性能和磨损表面形貌，按下式计算摩擦系数μ，

μ=M/(P×r)，

式中：M为计算机采集的摩擦力矩(N·m)，P为正压力(N)，r为试样回转半径(m)。

防锈性能测试，采用单片防锈试验方法。试验参照GB6144-55方法，试验温度35±1℃，相对湿度≥95％。试片为一级灰口铸铁35mm×20 mm圆柱型。用砂纸打磨试片，并分别用石油醚、无水乙醇各洗3次，用吹风机吹干。用玻璃棒在磨光面上滴上液滴，放人恒温湿热箱中，并开始记时，直到液滴边缘出现明显锈点时为止，所经时间作为该试样的防锈时间。

生物可降解性测试采用土壤实验法，称一定质量的润滑剂与一定质量的土壤混匀，记总质量；然后将混有润滑剂的土壤样品置于环境中，各一段时间称其质量，记录质量变化，质量减少量比原始润滑剂质量得到降解率，表1中的降解率为90天时的降解率。

表1

	摩擦系数	不锈时间/h	降解率
				实施例1	0.28	158	95.5%
实施例2	0.26	169	94.9%
				实施例3	0.17	193	97.8%
实施例4	0.19	198	97.6%
				实施例5	0.08	268	99.7%

Claims (9)

1.一种环保型金属切削液，其特征在于组分及各组分的质量份数如下：淀粉 15~30份，三偏磷酸钠5~10份，聚乳酸 6~15份，碳酸盐 1~6份，马丙共聚物 1~3份，植物油 5~12份，水20~30份；所述淀粉为支链淀粉含量为80%~90%的植物淀粉；将淀粉溶于水中，搅拌得淀粉乳液，边搅拌边升温至40~60℃，继续搅拌中，加入三偏磷酸钠，以氢氧化钠调节反应液pH为8~9，反应30~70min，反应结束，冷却至室温，得酯化淀粉；然后将得到的酯化淀粉与聚乳酸、碳酸盐、马丙共聚物、植物油混合，搅拌均匀，得环保型金属切削液。

2.根据权利要求1所述的一种环保型金属切削液，其特征在于：所述植物油为大豆油或者菜籽油。

3.根据权利要求1所述的一种环保型金属切削液，其特征在于：所述碳酸盐为碳酸钠或者碳酸钾。

4.根据权利要求2所述的一种环保型金属切削液，其特征在于：所述淀粉为木薯淀粉或者马铃薯淀粉。

5.根据权利要求4所述的一种环保型金属切削液，其特征在于组分及各组分的质量份数如下：淀粉 20~26份，三偏磷酸钠7~9份，聚乳酸 9~13份，碳酸盐 2~5份，马丙共聚物 1~3份，植物油 7~12份，水 22~26份。

6.根据权利要求5所述的一种环保型金属切削液，其特征在于组分及各组分的质量份数如下：马铃薯淀粉 22份，三偏磷酸钠8份，聚乳酸 11份，碳酸盐 3份，马丙共聚物 1.8份，植物油 7份，水 26份。

7.权利要求1~6中任意一项所述环保型金属切削液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将淀粉溶于水中，搅拌得淀粉乳液，边搅拌边升温至40~60℃，继续搅拌中，加入三偏磷酸钠，以氢氧化钠调节反应液pH为8~9，反应30~70min，反应结束，冷却至室温，得酯化淀粉；

2）将步骤1得到的酯化淀粉与聚乳酸、碳酸盐、马丙共聚物、植物油混合，搅拌均匀，得环保型金属切削液。

8.根据权利要求7所述的环保型金属切削液的制备方法，其特征在于：步骤1）中升温至55℃，反应45min。

9.根据权利要求7所述的环保型金属切削液的制备方法，其特征在于：步骤1）中氢氧化钠的质量浓度为25%。