CN109913292A - 一种用于切削液的多功能添加剂及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于切削液的多功能添加剂及其制备方法和用途，该方法是指：将1份纳米二硫化钼与4～5份聚乙二醇双油酸酯混合后在110～130℃下搅拌2～4小时，离心处理后，取底部沉淀物，分别用去离子水与无水乙醇冲洗若干次后，得到改性后的纳米二硫化钼多功能添加剂。本发明的多功能添加剂用于切削液时，二硫化钼良好的润滑性能可减少因高速加工导致的工件表面质量不佳以及刀具磨损，且二硫化钼良好的导热性能可将因加工产生的变形热以及摩擦热及时传导至水相中，使刀具及工件免受因高速加工导致的热损伤，在微生物数量较高时为切削液提供光催化效果，利用激发光源对切削液进行照射，能高效杀灭切削液中的微生物使切削液避免因微生物入侵导致腐败变质。

Description

一种用于切削液的多功能添加剂及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种切削液添加剂，具体涉及一种高润滑性、高冷却性及具有光催化活性的纳米二硫化钼添加剂及其制备方法和用途。

背景技术

随着高速切削加工工艺以及超硬材料加工的发展，为了得到精度高、表面质量合格的金属，机加工过程中切削液的使用呈现逐年上升的趋势，且切削液需要更高的润滑性能、冷却性能以及抗腐败性能。切削液是一种应用于金属加工过程中的工业润滑介质，相比于油基切削液它拥有着较好的冷却性能和清洗性能，在目前的切削液市场上占有较大的份额。

但由于水基切削液中润滑性物质含量较低，刀具在加工过程中不能充分进行边界润滑，使得在加工过程中通常会出现加工不稳定、刀具磨损严重等问题，虽然说可以通过增加切削液的稀释浓度来增加切削过程中的润滑性，但此种做法往往会造成加工过程中热量得不到及时传递从而造成工件或刀具烧伤等严重后果；而且由于稀释后的切削液含有大量的碳氢化合物，硫、氮化合物，水等，使得切削液成为微生物生长繁殖的温床，在抑菌剂失效之后，会造成切削液酸化、发黑发臭，除此之外操作工人在接触有过敏性肺炎分枝杆菌、军团杆菌、绿脓杆菌等病原体的切削液过程中，会罹患上过敏性肺炎、哮喘甚至是肺癌等呼吸道疾病。

目前控制切削液中微生物数量的手段有添加抑菌剂、紫外杀菌、臭氧杀菌。添加抑菌剂是比较直接有效的方式，但是目前市面上的抑菌剂大部分为甲醛基抑菌剂，在使用过程中抑菌剂极易形成气溶胶直接被工人吸入身体中，对呼吸道造成比较严重的健康威胁，严重时有致癌的危险；紫外杀菌是一种维护方便的杀菌方式，但是水溶性切削液的大多为不透明或半透明的乳白色，且切削液中的有机物对紫外光的吸收量较大，使得紫外光的透光率大幅度降低，严重影响了其杀菌效率；臭氧杀菌也是一种较为普遍的杀菌方式，但臭氧本身的自分解性或与切削液中的碱性物质反应成为制约其发展的一大因素，若加大臭氧的投入量，则会使多余的臭氧进入空气中，对设备造成比较严重的腐蚀或对工人造成严重的身体机能损伤。

如何平衡切削液中的润滑与冷却性能、有效控制切削液中微生物数量是目前切削液在研发和使用过程亟需突破的技术瓶颈。

二硫化钼(MoS₂)是一种过渡性金属二硫化物，是以Mo原子与S原子以共价键结合形成的层状三明治结构的六方晶系结构半导体材料，二硫化钼的层间有较强的结合力，而层与层之间为结合力为较弱的范德华力。二硫化钼的本身材料结构决定了它具有很好的润滑性能、导热性能以及催化性能。将二硫化钼添加至切削液中，可利用S原子良好的附着性能使二硫化钼黏附在金属表面，在剪切作用力的作用下发生层与层之间的剥落从而减轻机加工过程中刀具与工件之间的磨损。同时可利用二硫化钼本身良好的导热性能将工件的变形热以及摩擦热快速地传递到液相中，保护工件及刀具不受热损伤。此外，可以将激发光源插入切削液中进行光催化生物灭活反应，利用紫外光激发切削液中二硫化钼价带中的电子发生跃迁，产生电子-空穴对，进而与材料表面的水反应生成强氧化性的羟基自由基，羟基自由基可有效溶解微生物的细胞壁或细胞膜，使微生物的DNA/RNA暴露于环境中，让切削液中的微生物彻底失活，把切削液中的微生物浓度控制在一个较低水平，从而充分延长切削液的使用寿命。

经对现有技术的文献检索发现，公开号为CN106635352A的中国专利公开了一种含有改性纳米二硫化钼的半合成切削液及其制备方法，该方法不足在于：改性纳米二硫化钼在油相中的分散性以及稳定性不高，且只经过超声混合的二硫化钼、海藻酸钠、十二烷基磺酸钠与相关混合油性剂的结合力不强，在使用过程中容易发生纳米材料的团聚等现象。

针对上述问题，本发明提出了一种切削液多功能添加剂，能解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种切削液多功能添加剂，以克服现有技术中的不足。

本发明提供了一种用于切削液的多功能添加剂的制备方法，其包含：将1份纳米二硫化钼与4～5份聚乙二醇双油酸酯混合后在110～130℃(该温度条件可使二硫化钼的S原子与聚乙二醇双油酸酯的基团发生键合，使聚乙二醇双油酸酯接枝到纳米二硫化钼上，提高该多功能添加剂在切削液中的分散性)下搅拌2～4小时，离心处理后，取底部沉淀物，分别用去离子水与无水乙醇冲洗若干次(以去除反应残留物，提高纯度)后，得到改性后的纳米二硫化钼多功能添加剂。

较佳地，所述的纳米二硫化钼的制备方法包含以下步骤：

步骤1，将1份钼酸钠粉末与1.5～1.8份的硫脲添加到40-60份水中，搅拌至完全溶解；

步骤2，加热至200～240℃反应20～24小时，降温，收集反应产物；

步骤3，将上述反应产物离心处理，取底部沉淀物，分别用去离子水与无水乙醇冲洗若干次后，以去除反应残留物，提高纯度，然后，在60℃下干燥20～24小时得到纳米二硫化钼。

较佳地，所述的纳米二硫化钼粒径尺寸分布在8-10nm之间。

较佳地，所述的聚乙二醇双油酸酯的分子量为400或600。

本发明还提供了一种根据上述的方法制备的多功能添加剂，该多功能添加剂为采用4～5份聚乙二醇双油酸酯改性1份纳米二硫化钼得到的纳米二硫化钼多功能添加剂。

本发明还提供了一种根据上述的多功能添加剂的用途，该多功能添加剂用于制备切削液：将多功能添加剂至水基乳化型切削液原液中，加水稀释并混匀。

较佳地，所述切削液中，多功能添加剂的含量为2-3％，以重量百分数计。

较佳地，水基乳化型切削液原液与水的比例以体积比计为5-10％。添加有本发明的多功能添加剂的切削液的润滑性能、冷却性能均要优于未添加添加剂的切削液。且该含多功能添加剂的切削液在抑菌剂失效之后，可将激发光源插入切削液中，使激发光与纳米二硫化钼发生光催化反应，有效杀灭切削液中的微生物，使切削液中的生物量保持在较低浓度，从而充分延长切削液的使用寿命。

本发明提供的含有纳米二硫化钼多功能添加剂，是利用水热法合成纳米二硫化钼材料，然后用聚乙二醇双油酸酯对纳米二硫化钼材料进行修饰，使其在油相中具有良好的分散性与稳定性。添加了该多功能添加剂的切削液拥有良好的润滑性能、冷却性能以及具有光催化抑菌性能。

纳米二硫化钼在切削液中既是润滑添加剂、导热剂，也是光催化反应的催化剂。其作用表现在利用二硫化钼纳米材料中的S原子良好的附着性将材料附着于金属表面，刀具在进行切削液加工时，二硫化钼的层状结构中，层与层之间的较弱的范德华力将会发生滑移，由此减少加工过程中的摩擦力；纳米二硫化钼材料结构呈各向异性，使得其具有良好的导热性能，当二硫化钼附着于金属表面时，可以将切削过程中产生的变形热以及摩擦热及时传导至液相中，使金属及刀具免遭热损伤，增强加工过程中的稳定性；此外，若将激发光源置于切削液中，可以利用激发光源与二硫化钼发生光催化反应，产生强氧化性的羟基自由基，有效溶解微生物的细胞膜或细胞壁，达到微生物彻底灭活的效果。

本发明利用水热法合成纳米二硫化钼之后，利用聚乙二醇双油酸酯对纳米二硫化钼进行改性，让二硫化钼的S原子与聚乙二醇中的O原子产生共价键发生良好的结合，使改性后的二硫化钼能均匀地分散在聚乙二醇双油酸酯中，进而提高改性纳米二硫化钼多功能添加剂在油相中的分散均匀性以及稳定性。

本发明的改性纳米二硫化钼多功能添加剂加入切削液原液中加水稀释制备切削液，各成分在切削液起到了不同的作用：聚乙二醇双油酸酯在切削液中起到表面活性剂的作用，能让切削液在稀释时形成稳定的乳化状液体；改性纳米二硫化钼能在加工过程中给予工件及刀具良好的润滑性能，减少因高速加工导致的工件表面质量不佳以及刀具磨损，而且二硫化钼良好的导热性能能将因加工产生的变形热以及摩擦热及时传导至水相中，使刀具及工件免受因高速加工导致的热损伤。此外在微生物数量较高时为切削液提供光催化效果，利用激发光源对切削液进行照射，能高效杀灭切削液中的微生物使切削液避免因微生物入侵导致腐败变质。

附图说明

图1为有、无多功能添加剂的切削液的润滑性能对比图。

图2为有、无多功能添加剂的切削液的生物灭活曲线。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

步骤一，将1份钼酸钠粉末与1.5份的硫脲添加到60份水中溶解，并用磁力搅拌器在常温下搅拌至完全溶解；

步骤二，将上述溶液转移至聚四氟乙烯内衬的高压水热反应釜中，放置在240℃中，反应24小时；

步骤三，将上述反应物离心后，取底部沉淀物分别用去离子水与无水乙醇冲洗三遍后，在60℃下干燥24小时得到纳米二硫化钼；所述的纳米二硫化钼粒径尺寸分布在8-10nm之间；

步骤四，将上述1份纳米二硫化钼与4.5份聚乙二醇双油酸酯(分子量为400)混合后在120℃下搅拌2小时；

步骤五，将上述反应物离心后，取底部沉淀物分别用去离子水与无水乙醇冲洗三遍后，得到改性后的纳米二硫化钼多功能添加剂；

步骤六，将2％的上述反应产物添加到切削液原液中，然后用水按5％比例稀释，其中，切削液原液：水＝5:100，以体积比计，所述的切削液原液为水基乳化型切削液。

添加纳米二硫化钼多功能添加剂的切削液与空白对照的切削液使用德国迈科泰普TTT螺纹加工扭矩测试系统进行测试，测试标准试样为7075铝合金，丝锥为M4标准丝锥，以无多功能添加的切削液的攻丝扭矩值为参照标准，添加纳米二硫化钼多功能添加剂的攻丝扭矩值与参照标准换算攻丝扭矩效率，以此表征添加纳米二硫化钼多功能添加剂的切削液的润滑性能，结果如图1所示，添加了2％纳米二硫化钼多功能添加的切削液攻丝扭矩效率提高了18.2％。

将2％纳米二硫化钼多功能添加剂添加至无抑菌剂的切削液原液中，用水按5％比例稀释，然后将浓度为10⁵CFU/ml的Pseudomonas细菌加入切削液中摇匀。将波长为256nm的57W紫外光插入500mL含菌，打开紫外灯，并于0min，10min，20min，30min，45min，1h取样。也将该紫外灯插入细菌浓度为10⁵CFU/mL的未添加纳米二硫化钼多功能添加剂的切削液中，并于0min，10min，20min，30min，45min，1h取样。

将上述的各时间点的样品涂布在2216E培养基上，并放置于36℃的生化培养箱中48小时，用平板技术法来表征各时间点的细菌量并计算出紫外灯在有添加剂和无添加剂的切削液中的微生物灭活效果，结果如图2所示。结果显示，在加多功能添加剂的切削液中的杀菌率在30min时就已经达到了94.41％，而未添加多功能添加剂的切削液在30min时的杀菌率为83.25％。

综上所述，本发明提供的多功能添加剂，利用聚乙二醇双油酸酯与二硫化钼进行接枝，利用聚乙二醇双油酸酯的脂溶性基团来增强该改性添加剂在切削液中的分散性。本发明提供的多功能添加剂添加于水基乳化型切削液并加水稀释后，不仅具有良好的润滑性、冷却性且具有良好的光催化抑菌性能。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种用于切削液的多功能添加剂的制备方法，其特征在于，该方法包含：将1份纳米二硫化钼与4～5份聚乙二醇双油酸酯混合后在110～130℃下搅拌2～4小时，离心处理后，取底部沉淀物，分别用去离子水与无水乙醇冲洗若干次后，得到改性后的纳米二硫化钼多功能添加剂。

2.如权利要求1所述的用于切削液的多功能添加剂的制备方法，其特征在于，所述的纳米二硫化钼的制备方法包含以下步骤：

步骤1，将1份钼酸钠粉末与1.5～1.8份的硫脲添加到40-60份水中，搅拌至完全溶解；

步骤2，加热至200～240℃反应20～24小时，降温，收集反应产物；

步骤3，将上述反应产物离心处理，取底部沉淀物，分别用去离子水与无水乙醇冲洗若干次后，在60℃下干燥20～24小时得到纳米二硫化钼。

3.如权利要求2所述的用于切削液的多功能添加剂的制备方法，其特征在于，所述的纳米二硫化钼粒径尺寸分布在8-10nm之间。

4.如权利要求1所述的用于切削液的多功能添加剂的制备方法，其特征在于，所述的聚乙二醇双油酸酯的分子量为400或600。

5.一种根据权利要求1或2所述的方法制备的多功能添加剂，其特征在于，该多功能添加剂为采用4～5份聚乙二醇双油酸酯改性1份纳米二硫化钼得到的纳米二硫化钼多功能添加剂。

6.一种根据权利要求5所述的多功能添加剂的用途，其特征在于，该多功能添加剂用于制备切削液：将多功能添加剂至水基乳化型切削液原液中，加水稀释并混匀。

7.如权利要求6所述的多功能添加剂的用途，其特征在于，所述切削液中，多功能添加剂的含量为2-3％，以重量百分数计。

8.如权利要求6所述的多功能添加剂的用途，其特征在于，水基乳化型切削液原液与水的比例以体积比计为5-10％。