CN107603724A - 一种石墨烯增效无需排放环保型水基切削液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属切削液技术领域，具体涉及一种石墨烯增效无需排放环保型水基切削液及其制备方法。一种石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，按质量百分比由以下组分组成：润滑剂5‑18％、防锈剂4‑12％、抗硬水剂0.05‑0.15％、缓蚀剂2‑5％、抗氧剂0.5‑1.5％、抗泡剂1‑2％、防腐杀菌剂0.5‑4％、石墨烯分散液3‑12％和水83.95‑45.35％。本发明的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液具有较好的抗磨性能和润滑性能，同时提高了水基切削液的冷却性能和防锈性能，使水基金属切削液具有更广泛的应用前景，且使用材料环境友好，降低环境的污染。

Description

一种石墨烯增效无需排放环保型水基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，具体涉及一种石墨烯作为润滑、冷却、防锈助剂，增效水基金属切削液及其制备方法。

背景技术

金属切削液是金属在切削、磨削等机加工过程中使用的工业液体，其不仅可对刀具和工件进行润滑冷却作用，还具有防锈、清洗和防腐等功能。它对金属加工工艺复杂程度、加工精度、加工质量、加工刀具寿命、产品良品率、加工经济性起着关键性作用。

金属切削液分为水基金属切削液和油基金属切削油。水基切削液与油基切削液相比，冷却性能更佳，经济成本更低廉，更环保等特点得到了广泛的应用。水基切削液以水为载体和各种添加剂进行复配混合而制得，在金属加工过程中，承担润滑冷却刀具和工件、清洗碎屑和杂质、对工件和机床进行防腐和防锈的职责。水基金属切削液分为乳化液、半合成切削液和合成切削液，其中合成切削液不含矿物油，基础材料为水和部分矿物油，与之复配的功能添加剂包括：极压剂、防锈剂、粘度指数剂、抗氧剂、抗泡剂、防腐杀菌剂等。然而水基切削液仍然存在一些缺陷：水作为切削液的载体，其承载力低，成膜性差，导致润滑性能欠佳；水的传热系数比油性物质要高，但其传热性能仍较差，导致水基切削液的冷却性能不佳；且水基切削液的防锈效果也比油基切削液差。随着微纳米润滑技术的发展，针对这些缺陷，通过在水基切削液中添加纳米润滑剂、适当的表面活性剂等方法来提高润滑性能，选用防锈效果更佳的防锈剂以增加防锈性能。如采用碘作为微量添加剂，碘的自由基和材料之间反应形成润滑膜，可降低切割的阻力(Journal of Friction and Wear March 2015,36,184–188)。利用原位聚合法制备水溶性纳米石墨添加到切削液中，最大非咬载荷从784N增加到883N，磨斑直径减少了44％和49％(Nanoscale Research Letters，2013，8:52)。随着金属切削加工行业范围不断扩大，从大型传统制造业，到新兴电子、医疗产业，对金属切削液提出了更细致、苛刻和特殊化的要求；此外，加工材料日益多元化，从传统的金属加工材质，如铸铁、不锈钢，到当前普遍使用的金属加工材质，如铝合金、锌合金、钛合金等。但是这些方法都是以提高单一的性能为主，而当前工业上对切削液的使用要求越来越高，不仅希望其综合性能良好，且环境友好。

石墨烯是材料领域碳最新发展的一种新型碳材料，其碳原子以六边环的排布方式，具有稳定的晶格结构，具备硬，薄的特性，同时具有较大的比表面积，优良的机械强度、柔韧性和导热性。这些特有的特性，在润滑领域受到了广泛的关注。如2013年美国阿贡国家实验室AnirudhaSumant和Ali Erdemir领导的研究小组发现，由于相对运动的作用，石墨烯可以均匀、牢固地吸附在表面，因此钢材表面吸附石墨烯可有效防锈，减小摩擦系数和磨损率(Carbon，2013，54,454-459)。赵艳茹利用十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂制备含石墨烯分散液的金属切削液，其所述的切削液润滑性和防锈性得到改进(专利号201410838657.5)。韩生也发明了一种含石墨烯分散液的水基合成金属切削液，其先制备壳聚糖酸性溶液，再将石墨烯和OP-10表面活性剂稳定分散在溶液中制得石墨烯分散液，所制备的石墨烯水基切削液负载力提高，摩擦系数降低(专利号201310167713.2)。章功国使用石墨烯、氟化锆制备了环保切削液，润滑性和抗磨性大大提高，且稳定环保(专利号201310654161.8)。但是，当前这些申请的含石墨烯水基切削液存在以下问题：当前的石墨烯切削液专利通常使用氧化石墨烯粉体或未具体阐述所使用石墨烯的具体种类和制备方法，由于氧化石墨烯在片层上引入了含氧官能团，其导电、导热和润滑性能与未氧化石墨烯相比，均有所下降，而石墨烯制备方法和种类较多，不同种类、不同制备方法的石墨烯粉体性能有一定的差异。

本发明针对机械业机加工过程的复杂要求，采用自主制备的立体构造石墨烯粉体，与其他原料进行复配，制备一种新型的水基切削液，使用立体构造石墨烯粉体可以有效解决氧化石墨烯引入含氧官能团后性能下降的问题和。切削液可满足铸铁、不锈钢、铝合金、锌合金、钛合金等各类材质的切削、镗、深孔钻、铣、磨等各种机加工工艺，产品使用寿命长，无需排放，彻底解决机械制造业零排放的环保难题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为了解决传统金属切削液产品的不足，制备可以满足汽车制造,装备工业,航天工业等机械制造机加工过程的铝合金、钛合金不锈钢，铁合金，锌合金、铜合金等作为主要加工材质，加工精度越来越精密，加工设备更先进，加工工艺更复杂的工艺要求，提供一种无需排放环保石墨烯水基切削液及其制备方法。

本发明所提供的技术方案是：

一种石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，按质量百分比由以下组分组成：润滑剂5-18％、防锈剂4-12％、抗硬水剂0.05-0.15％、缓蚀剂2-5％、抗氧剂0.5-1.5％、抗泡剂1-2％、防腐杀菌剂0.5-4％、石墨烯分散液3-12％和水83.95-45.35％。

作为优选，所述的润滑剂为石油磺酸钙、石油磺酸钠或太古油。

作为优选，所述的防锈剂为硼化二乙酸胺、失水山梨醇单油酸酯、糖酯和柠檬酸钠中的至少一种。

作为优选，所述的抗硬水剂为乙二胺四乙酸、乙二胺四乙二钠盐、二乙基三胺五乙酸和羟乙二胺四乙酸中的至少一种。

作为优选，所述的缓蚀剂为苯并三氮唑、苯甲酸钠和三乙醇胺中的至少一种。

作为优选，所述的抗氧剂为三辛酯、三癸酯和2，6-三级丁基-4-甲基苯酚中的至少一种。

作为优选，所述的抗泡剂为乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚和聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚中的至少一种。

作为优选，所述的防腐杀菌剂为肌醇六磷酸酯、环烷酸铜、苯并三氮唑、二环已胺和富马酸二甲酯中的至少一种。

作为优选，所述的石墨烯分散液由石墨烯、分散剂和溶剂组成。

作为优选，所述的石墨烯为立体构造石墨烯粉体，其是由二维石墨烯片构成的具有类蜂窝状结构的粉体材料，其结构基本特征符合技术标准DB 45/T 1421-2016和DB 45/T1425-2016的要求，具体为比表面积≥600m²/g，孔径分布为1x10^-9m-1x10^-5m，孔隙率>30％，粉末电导率≥1000S/m(25MPa)。

作为优选，所述的分散剂剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇系列、聚乙烯醇、吐温系列、Triton X-100、十二烷基苯磺酸钠和烷基丁二酸中的至少一种。

作为优选，所述的溶剂为水、乙二醇、丙三醇和丙二醇中的至少一种。

作为优选，所述的石墨烯分散液中石墨烯的重量百分比为1-5％，石墨烯与分散剂的重量比为1：5。

本发明还提供了所述的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液的制备方法，包括如下步骤：

(1)在工业用水中加入润滑剂、防锈剂、抗硬水剂、缓蚀剂、抗氧剂、防腐杀菌剂、水，升温至60-80℃，搅拌1-2小时，得到混合溶液；

(2)在上述混合溶液中加入抗泡剂和石墨烯分散液，继续搅拌混匀1-2小时，得到切削液产品。

作为优选，步骤(2)中所述的石墨烯分散液的制备方法：将石墨烯粉体、分散剂和溶剂，按照一定比例，在高速剪切和研磨作用下，进行均质分散，即得到稳定的石墨烯分散液。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明以石墨烯作为添加剂制备超强润滑性能的无需排放环保水基金属切削液具有较好的抗磨性能和润滑性能，同时提高了水基切削液的冷却性能和防锈性能，使水基金属切削液具有更广泛的应用前景，且使用材料环境友好，降低环境的污染。

附图说明

图1为立体构造石墨烯粉体材料扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料和试剂，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

立体构造石墨烯粉体的制备：石墨烯依据专利2016102461393的方法进行制备，具体简介如下：将100g PKS型含碳聚合物置于浓度为500毫升1.0mol/L的镍金属离子盐溶液中，浸渍4小时，然过滤，洗涤，得到金属镍/PKS型含碳聚合物。随后加入含200克氢氧化钾300毫升的水溶液中，进行搅拌烘干，保持温度≤100℃下烘干至含水量≤10％后进行粉碎；粉碎后所得物质放入管式炉中进行加热处理，即在氮气流量为60mL/min的保护气体下，以5℃/min的升温速率从室温升至100℃，再以2℃/min升到450℃，然后再以5℃/min升到850℃，并在850℃温度下保温2h；最后加热处理后所得物质用3mol/L的盐酸酸洗6h，过滤，取滤渣用去离子水清洗至清洗液pH呈中性，然后在100℃下烘干，烘干至含水量≤1％，即得到立体构造石墨烯粉体如图1所示。

实施例1：

一种石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，按质量百分比由以下组分组成：石油磺酸钙8％、硼化二乙酸胺10％、乙二胺四乙酸0.1％、苯并三氮唑2％、三辛酯3％、乳化硅油2％、富马酸二甲酯2％、石墨烯分散液10％和水62.9％。

所述的石墨烯分散液，按质量百分比由以下组分组成：石墨烯1％、十二烷基苯磺酸钠2％和去离子水补足至100％；所述的石墨烯分散液的制备方法，包括如下步骤：5克上述所制备的石墨烯粉体材料和10克十二烷基苯磺酸钠分散到去离子水中，在1000rpm/min下搅拌机械研磨30分钟，配置成石墨烯分散液。

所述石墨烯增效无需排放环保型水基切削液的制备方法，包括如下步骤：

(1)在工业用水中加入石油磺酸钙、硼化二乙酸胺、乙二胺四乙酸、苯并三氮唑、三辛酯、富马酸二甲酯、水，升温至70℃，搅拌1.5小时，得到混合溶液；

(2)在上述混合溶液中加入乳化硅油和石墨烯分散液，继续搅拌混匀1.5小时，得到外观棕色透明均匀切削液产品。

实施例2：

一种石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，按质量百分比由以下组分组成：石油磺酸钠10％、柠檬酸钠8％、乙二胺四乙二钠盐0.1％、苯甲酸钠3％、三辛酯3％、乳化硅油2％、富马酸二甲酯2％、石墨烯分散液10％和水61.9％。

所述的石墨烯分散液，按质量百分比由以下组分组成：石墨烯1％、乳化剂2％和去离子水补充至100％；所述的乳化剂为OP-10；所述的石墨烯分散液的制备方法，包括如下步骤：将OP-10分散到去离子水中，在1000r/min下搅拌20min，配置成水溶液，再加入石墨烯粉末，超声处理30min，得到石墨烯分散液。

本发明所述的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液的制备方法，包括如下步骤：

(1)在工业用水中加入石油磺酸钠、柠檬酸钠、乙二胺四乙二钠盐、苯甲酸钠、三辛酯、富马酸二甲酯、水，升温至60℃，搅拌2小时，得到混合溶液；

(2)在上述混合溶液中加入乳化硅油和石墨烯分散液，继续搅拌混匀2小时，得到外观棕色透明均匀切削液产品。

对实施例1-2中制备的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液的性能进行测定，结果见表1。

表1 本发明的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液的性能测定

由表1可知，本发明实施例1-2中制备的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液的各项指标均符合相关标准的要求，具有较好的抗磨性能和润滑性能，同时提高了水基切削液的冷却性能和防锈性能，本产品在航天工业某研究院应用,性能良好,连续使用一年半，工作液无需排放。

实施例3：

一种石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，按质量百分比由以下组分组成：太古油10％、硼化二乙酸胺8％、乙二胺四乙酸0.1％、苯并三氮唑2％、2，6-三级丁基-4-甲基苯酚3％、乳化硅油2％、富马酸二甲酯2％、石墨烯分散液12％和水60.9％。

所述的石墨烯分散液，按质量百分比由以下组分组成：石墨烯1％、乳化剂2％和去离子水97％；所述的乳化剂为Triton X-100；所述的石墨烯分散液的制备方法，包括如下步骤：将Triton X-100分散到去离子水中，在1000r/min下搅拌20min，配置成水溶液，再加入石墨烯粉末，超声处理30min，得到石墨烯分散液。

本发明所述的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液的制备方法，包括如下步骤：

(1)在工业用水中加入太古油、硼化二乙酸胺、乙二胺四乙酸、苯并三氮唑、2，6-三级丁基-4-甲基苯酚、富马酸二甲酯、水，升温至80℃，搅拌1小时，得到混合溶液；

(2)在上述混合溶液中加入乳化硅油和石墨烯分散液，继续搅拌混匀1小时，得到外观棕色透明均匀切削液产品。

对实施例3中制备的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液的性能进行测定，结果见表2。

表2 本发明的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液的性能测定

由表2可知，本发明实施例3中制备的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液的各项指标均符合相关标准的要求，具有较好的抗磨性能和润滑性能，同时提高了水基切削液的冷却性能和防锈性能。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，其特征在于，按质量百分比由以下组分组成：润滑剂5-18％、防锈剂4-12％、抗硬水剂0.05-0.15％、缓蚀剂2-5％、抗氧剂0.5-1.5％、抗泡剂1-2％、防腐杀菌剂0.5-4％、石墨烯分散液3-12％和水83.95-45.35％。

2.根据权利要求1所述的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，其特征在于，所述的润滑剂为石油磺酸钙、石油磺酸钠或太古油；所述的防锈剂为硼化二乙酸胺、失水山梨醇单油酸酯、糖酯和柠檬酸钠中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，其特征在于，所述的抗硬水剂为乙二胺四乙酸、乙二胺四乙二钠盐、二乙基三胺五乙酸和羟乙二胺四乙酸中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，其特征在于，所述的缓蚀剂为苯并三氮唑、苯甲酸钠和三乙醇胺中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，其特征在于，所述的抗氧剂为三辛酯、三癸酯和2，6-三级丁基-4-甲基苯酚中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，其特征在于，所述的抗泡剂为乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚和聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，其特征在于，所述的防腐杀菌剂为肌醇六磷酸酯、环烷酸铜、苯并三氮唑、二环已胺和富马酸二甲酯中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液，其特征在于，所述的石墨烯分散液由石墨烯、分散剂和溶剂组成；所述的石墨烯为立体构造石墨烯粉体，其是由二维石墨烯片构成的具有类蜂窝状结构的粉体材料，其结构基本特征符合技术标准DB 45/T 1421-2016和DB 45/T 1425-2016的要求，具体为比表面积≥600m²/g，孔径分布为1x10^{- 9}m-1x10^-5m，孔隙率>30％，粉末电导率≥1000S/m(25MPa)；所述的分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇系列、聚乙烯醇、吐温系列、Triton X-100、十二烷基苯磺酸钠和烷基丁二酸中的至少一种；所述的溶剂为水、乙二醇、丙三醇和丙二醇中的至少一种；所述的石墨烯分散液中石墨烯的重量百分比为1-5％，石墨烯与分散剂的重量比为1：5。

9.根据权利要求1-8任一所述的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在工业用水中加入润滑剂、防锈剂、抗硬水剂、缓蚀剂、抗氧剂、防腐杀菌剂、水，升温至60-80℃，搅拌1-2小时，得到混合溶液；

(2)在上述混合溶液中加入抗泡剂和石墨烯分散液，继续搅拌混匀1-2小时，得到切削液产品。

10.根据权利要求9所述的石墨烯增效无需排放环保型水基切削液的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的石墨烯分散液的制备方法：将石墨烯粉体、分散剂和溶剂，按照一定比例，在高速剪切和研磨作用下，进行均质分散，即得到稳定的石墨烯分散液。