CN107653050A - 一种低成本高性能水基润滑剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本高性能水基润滑剂及其制备方法。该水基润滑剂主要由水和添加剂构成，所述的添加剂包括两种表面活性剂，一种为易溶于水的表面活性剂，另一种为难溶于水的表面活性剂。本发明解决了水基润滑剂摩擦系数高、磨损率大、承载力弱的问题。摩擦学测试表明：所制备的水基润滑剂在钢‑钢摩擦副条件下，将磨损率降低了约90.6％；在钢‑铜摩擦副条件下，将磨损率降低了约83.6％；在钢‑铝摩擦副条件下，将磨损率降低了约55.6％。
Description
技术领域
本发明属于化工材料工程技术领域，具体而言，涉及一种用于金属材料的润滑剂，尤其涉及一种低成本且具有优异减摩抗磨性能的水基润滑剂及其制备方法。
背景技术
机械运动部件都会面临摩擦磨损问题，润滑技术是降低摩擦、减小磨损、提高工作效率、延长设备寿命的最有效手段。中国工程院咨询报告《摩擦学科学及工程应用现状与发展战略研究》指出：我国工业领域应用摩擦学知识可节约的潜力估计为国内生产总值(GDP)的1.55％。在使金属发生转变或变形的各种操作，例如轧制、拉拔或切削中必须使用润滑剂，以降低操作期间因摩擦系数迅速增加而导致的工具表面的磨损。
润滑剂主要分为油基润滑剂和水基润滑剂。润滑油等油基润滑剂以其优异的减摩抗磨性能而广泛应用于机械动力系统，然而，润滑油固有的易燃、低闪点、低导热系数等性质限制了其在采矿、金属加工等领域的应用。因此，开发高性能水基润滑剂是当前润滑剂研究领域的主要发展方向之一。水基润滑剂有以下优点：①在极限条件下因为水有较强的热传导能力而能够迅速冷却金属表面，解决了油基润滑剂所遇到的关于散热的不利之处；②难燃、安全，适合在易燃易爆的环境使用；③成本低，水不仅是地球上最丰富的资源，更是一种无污染的环境友好型能源，水基润滑剂价格约为矿物油的十分之一，磷酸酯合成液的七十分之一。由于具有以上诸多优点，使得水基润滑剂广泛应用于冶金、矿山、塑料等工业领域，以及作为切削、研磨、压延、冲压、拉拔等金属加工中的润滑冷却剂。水的不燃性、高导热系数以及良好的冷却能力和清洁能力是其作为润滑剂的基础。然而，水的高摩擦系数、高磨损率、易腐蚀性、低承载力限制了其在实际工业中的广泛应用。解决水基润滑剂润滑性差的难题方法之一就是要添加润滑添加剂。
中国专利(CN106635360A)公开了一种高温环保型水基离子液体润滑剂的制备方法，润滑剂组成原料及质量百分比为1-乙基-3-甲基咪唑二甲基磷酸盐0.5％～1％；1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐0.1％～0.5％；防腐蚀剂1～2％；杀菌剂0.01～2％；再加入质量分数为90～95％的水制成水基溶液。中国专利(CN105296133A)公开了一种耐磨水基润滑剂，包含如下重量份数的各组分：水19～33份、聚乙二醇12～18份、1,2-丙二醇7～14份、淀粉2～5份、改性碳粉5～10份、十八烷基二甲基甜菜碱3～8份、抗菌剂1～5份、硼酸4～12份、二烷基二硫代磷酸锌2～8份、对羟基苯甲酸乙酯4～11份和添加剂3～9份。然而，上述专利技术所使用添加剂种类较多，存在成本高、能耗大、工艺复杂等问题，不利于工业化使用。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的是解决水基润滑剂成本高、减摩抗磨性能差的问题，提供一种成本低廉、减摩抗磨性能优异的水基润滑剂及其制备方法。
为了实现本发明的目的，发明人通过大量试验研究并不懈努力，最终获得了如下技术方案：一种低成本高性能水基润滑剂，由水和添加剂组成，所述的添加剂包括两种表面活性剂，一种为易溶于水的表面活性剂，另一种为难溶于水的表面活性剂。
进一步优选地，如上所述低成本高性能水基润滑剂，其中易溶于水的表面活性剂为磺酸盐型阴离子表面活性剂。
再进一步优选地，如上所述低成本高性能水基润滑剂，其中易溶于水的表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠和/或十二烷基硫酸钠。
再进一步优选地，如上所述低成本高性能水基润滑剂，其中易溶于水的表面活性剂在所述水基润滑剂中的浓度范围为0.1mg/mL至其最大溶解度；优选为0.5～5mg/mL。
进一步优选地，如上所述低成本高性能水基润滑剂，其中难溶于水的表面活性剂为碳原子数为10-20的羧酸类。
再进一步优选地，如上所述低成本高性能水基润滑剂，其中难溶于水的表面活性剂为硬脂酸。
再进一步优选地，如上所述低成本高性能水基润滑剂，其中难溶于水的表面活性剂在所述水基润滑剂中的浓度不低于0.25mg/mL；优选为0.5～1mg/mL。
在本发明所优选的实施例中，上述低成本高性能水基润滑剂由水、磺酸盐型阴离子表面活性剂和硬脂酸组成，所述的磺酸盐型阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠和/或十二烷基硫酸钠。进一步优选地，所述的硬脂酸在所述水基润滑剂中的浓度范围为0.5～1mg/mL，所述的磺酸盐型阴离子表面活性剂在所述水基润滑剂中的浓度范围为0.5～5mg/mL。
另外，本发明还提供了一种上述低成本高性能水基润滑剂的制备方法，该方法包括如下步骤：a.在超声条件下，将易溶于水的表面活性剂充分溶解于水中，形成溶液Ⅰ；b.在溶液Ⅰ中加入难溶于水的表面活性剂，然后进行超声分散，待其充分溶解分散后，得到稳定的溶液Ⅱ，作为水基润滑剂。
与现有技术相比，本发明涉及的水基润滑剂具有如下优点和显著进步：以价廉易得的水和表面活性剂为原料，制备得到了减摩抗磨和极压性能优异的水基润滑剂。所制备的水基润滑剂在钢-钢摩擦副条件下，将纯水的摩擦系数由0.5降低到了约0.08，相应的磨损率降低了约90.6％；在钢-铜摩擦副条件下，将纯水的摩擦系数由0.7降低到了约0.2，相应的磨损率降低了约83.6％；在钢-铝摩擦副条件下，将纯水的摩擦系数由0.38降低到了约0.1，相应的磨损率降低了约55.6％。本发明所制备的水基润滑剂适用于金属材料加工业、油田钻井业、煤矿开采业等高热高磨损行业。
附图说明
图1是所制备水基润滑剂的光学照片；其中，A为纯水，B、C、D、E分别为实施例1-4配制的样品。
图2是钢-钢摩擦副条件下纯水(a)和实施例1所制备水基润滑剂(b)的磨斑照片。
图3是钢-钢摩擦副条件下纯水(a)和实施例2所制备水基润滑剂(b)的磨斑照片。
图4是钢-钢摩擦副条件下纯水(a)和实施例3所制备水基润滑剂(b)的磨斑照片。
图5是钢-钢摩擦副条件下纯水(a)和实施例4所制备水基润滑剂(b)的磨斑照片。
图6是钢-铜摩擦副条件下纯水(a)和实施例4所制备水基润滑剂(b)的磨斑照片。
图7是钢-铝摩擦副条件下纯水(a)和实施例4所制备水基润滑剂(b)的磨斑照片。
图8是钢-钢摩擦副条件下纯水(a)和对比例1所制备水基润滑剂(b)的磨斑照片。
图9是钢-钢摩擦副条件下纯水(a)和对比例2所制备水基润滑剂(b)的磨斑照片。
图10是钢-钢摩擦副条件下纯水(a)和对比例3所制备水基润滑剂(b)的磨斑照片。
具体实施方式
为了进一步阐释本发明，结合附图对本发明的实施方案加以详细描述。在此声明，这些详细描述是为了加强对本发明的深入了解，而不是对本发明的权利要求的限制。
实施例1
(1)将十二烷基苯磺酸钠加入一定量水中，十二烷基苯磺酸钠在水中的浓度为0.5mg/mL，超声30分钟以上至十二烷基苯磺酸钠完全溶解。
(2)将硬脂酸加入步骤(1)中溶液，硬脂酸的浓度为0.25mg/mL，超声至硬脂酸完全溶解分散，而后得到水基润滑剂(图1B)。
摩擦学测试试验：
钢-钢摩擦副
实验设备：SRV-5摩擦磨损试验机
测试条件：
载荷：50N
频率：15Hz
时间：30min
试验结果：参见图2，与纯水作为润滑剂(图2a)相比，十二烷基苯磺酸钠浓度为0.5mg/mL，硬脂酸浓度为0.25mg/mL的水基润滑剂在钢-钢摩擦副条件下的磨斑表面的犁沟和腐蚀现象明显较小(图2b)。相应的，与纯水相比，实施例1所得水基润滑剂将钢-钢摩擦副条件下的磨损率降低了约21.8％。
实施例2
依照实施例1，将硬脂酸加入量改为：硬脂酸的浓度为0.5mg/mL，而后得到水基润滑剂(图1C)。
钢-钢摩擦副
实验设备：SRV-5摩擦磨损试验机
测试条件：
载荷：50N
频率：15Hz
时间：30min
试验结果：参见图3，与纯水作为润滑剂(图3a)相比，十二烷基苯磺酸钠浓度为0.5mg/mL，硬脂酸浓度为0.5mg/mL的水基润滑剂在钢-钢摩擦副条件下的磨斑表面的犁沟和腐蚀现象减小明显(图3b)。相应的，与纯水相比，实施例2所得水基润滑剂将钢-钢摩擦副条件下的磨损率降低了约79.3％。
实施例3
依照实施例1，将硬脂酸加入量改为：硬脂酸的浓度为0.75mg/mL，而后得到水基润滑剂(图1D)。
钢-钢摩擦副
实验设备：SRV-5摩擦磨损试验机
测试条件：
载荷：50N
频率：15Hz
时间：30min
试验结果：参见图4，与纯水作为润滑剂(图4a)相比，十二烷基苯磺酸钠浓度为0.5mg/mL，硬脂酸浓度为0.75mg/mL的水基润滑剂在钢-钢摩擦副条件下的磨斑表面的犁沟和腐蚀现象已很轻微(图4b)。相应的，与纯水相比，实施例3所得水基润滑剂将钢-钢摩擦副条件下的磨损率降低了约89.4％。
实施例4
依照实施例1，将硬脂酸加入量改为：硬脂酸的浓度为1mg/mL，而后得到水基润滑剂(图1E)。
钢-钢摩擦副
实验设备：SRV-5摩擦磨损试验机
测试条件：
载荷：50N
频率：15Hz
时间：30min
试验结果：参见图5，与纯水作为润滑剂(图5a)相比，十二烷基苯磺酸钠浓度为0.5mg/mL，硬脂酸浓度为1mg/mL的水基润滑剂在钢-钢摩擦副条件下的磨斑表面的犁沟和腐蚀现象非常轻微(图5b)。相应的，与纯水相比，实施例4所得水基润滑剂将钢-钢摩擦副条件下的磨损率降低了约90.6％。
钢-铜摩擦副
实验设备：SRV-5摩擦磨损试验机
测试条件：
载荷：100N
频率：15Hz
时间：30min
试验结果：参见图6，与纯水作为润滑剂(图6a)相比，十二烷基苯磺酸钠浓度为0.5mg/mL，硬脂酸浓度为1mg/mL的水基润滑剂在钢-铜摩擦副条件下的磨斑明显减小(图6b)。相应的，与纯水相比，实施例4所得水基润滑剂将钢-铜摩擦副条件下的磨损率降低了约83.6％。
钢-铝摩擦副
实验设备：SRV-5摩擦磨损试验机
测试条件：
载荷：100N
频率：15Hz
时间：30min
试验结果：参见图7，与纯水作为润滑剂(图7a)相比，十二烷基苯磺酸钠浓度为0.5mg/mL，硬脂酸浓度为1mg/mL的水基润滑剂在钢-铝摩擦副条件下的磨斑明显减小(图7b)。相应的，与纯水相比，实施例4所得水基润滑剂将钢-铝摩擦副条件下的磨损率降低了约55.6％。
对比例1
将十二烷基苯磺酸钠加入一定量水中，十二烷基苯磺酸钠在水中的浓度为0.1mg/mL，超声30分钟以上至十二烷基苯磺酸钠完全溶解，得到水基润滑剂。
摩擦学测试试验：
钢-钢摩擦副
实验设备：SRV-5摩擦磨损试验机
测试条件：
载荷：50N
频率：15Hz
时间：30min
试验结果：参见图8，与纯水作为润滑剂(图8a)相比，十二烷基苯磺酸钠浓度为0.1mg/mL的水基润滑剂在钢-钢摩擦副条件下的磨斑表面变化不大(图8b)。相应的，与纯水相比，对比例1所得水基润滑剂在钢-钢摩擦副条件下的磨损率几乎没有变化。
对比例2
将十二烷基苯磺酸钠加入一定量水中，十二烷基苯磺酸钠在水中的浓度为0.5mg/mL，超声30分钟以上至十二烷基苯磺酸钠完全溶解，得到水基润滑剂。
摩擦学测试试验：
钢-钢摩擦副
实验设备：SRV-5摩擦磨损试验机
测试条件：
载荷：50N
频率：15Hz
时间：30min
试验结果：参见图9，与纯水作为润滑剂(图9a)相比，十二烷基苯磺酸钠浓度为0.5mg/mL的水基润滑剂在钢-钢摩擦副条件下的磨斑表面的犁沟和腐蚀现象有微弱减小(图9b)。相应的，与纯水相比，对比例2所得水基润滑剂将钢-钢摩擦副条件下的磨损率降低了约6.5％。
对比例3
将十二烷基苯磺酸钠加入一定量水中，十二烷基苯磺酸钠在水中的浓度为5mg/mL，超声30分钟以上至十二烷基苯磺酸钠完全溶解，得到水基润滑剂。
摩擦学测试试验：
钢-钢摩擦副
实验设备：SRV-5摩擦磨损试验机
测试条件：
载荷：50N
频率：15Hz
时间：30min
试验结果：参见图10，与纯水作为润滑剂(图10a)相比，十二烷基苯磺酸钠浓度为5mg/mL的水基润滑剂在钢-钢摩擦副条件下的磨斑表面的犁沟和腐蚀现象有微弱减小(图10b)。相应的，与纯水相比，对比例3所得水基润滑剂将钢-钢摩擦副条件下的磨损率降低了约7.1％。
Claims (10)
1.一种低成本高性能水基润滑剂，由水和添加剂组成，其特征在于，所述的添加剂包括两种表面活性剂，一种为易溶于水的表面活性剂，另一种为难溶于水的表面活性剂。
2.根据权利要求1所述低成本高性能水基润滑剂，其特征在于，所述易溶于水的表面活性剂为磺酸盐型阴离子表面活性剂。
3.根据权利要求2所述低成本高性能水基润滑剂，其特征在于，所述易溶于水的表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠和/或十二烷基硫酸钠。
4.根据权利要求2或3所述低成本高性能水基润滑剂，其特征在于，所述易溶于水的表面活性剂在所述水基润滑剂中的浓度范围为0.1mg/mL至其最大溶解度；优选为0.5～5mg/mL。
5.根据权利要求1所述低成本高性能水基润滑剂，其特征在于，所述难溶于水的表面活性剂为碳原子数为10-20的羧酸类。
6.根据权利要求5所述低成本高性能水基润滑剂，其特征在于，所述难溶于水的表面活性剂为硬脂酸。
7.根据权利要求5或6所述低成本高性能水基润滑剂，其特征在于，所述难溶于水的表面活性剂在所述水基润滑剂中的浓度不低于0.25mg/mL；优选为0.5～1mg/mL。
8.根据权利要求1所述低成本高性能水基润滑剂，其特征在于，该水基润滑剂由水、磺酸盐型阴离子表面活性剂和硬脂酸组成，所述的磺酸盐型阴离子表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠和/或十二烷基硫酸钠。
9.根据权利要求8所述低成本高性能水基润滑剂，其特征在于，所述的硬脂酸在所述水基润滑剂中的浓度范围为0.5～1mg/mL，所述的磺酸盐型阴离子表面活性剂在所述水基润滑剂中的浓度范围为0.5～5mg/mL。
10.一种根据权利要求1所述低成本高性能水基润滑剂的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a.在超声条件下，将易溶于水的表面活性剂充分溶解于水中，形成溶液Ⅰ；
b.在溶液Ⅰ中加入难溶于水的表面活性剂，然后进行超声分散，待其充分溶解分散后，得到稳定的溶液Ⅱ，作为水基润滑剂。
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