CN110229712B - 高润滑性切削液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高润滑性切削液及其制备方法，该切削液包括基础切削液与相变填充颗粒，所述基础切削液由改性无水硼酸盐、合成基础油、去离子水、甘油与聚乙二醇加工制备而成；本发明相变填充颗粒以膨胀石墨作为吸附材料，将三水合乙酸钠相变材料进行吸附固化，得到固定有大量相变材料的膨胀石墨结构，然后再以膨胀石墨结构作为主要填充材料，以明胶等作为防水层，形成相变填充颗粒，从而提高了切削液的吸热降温效果，能够减少切削液的使用量；本发明在基础切削液的制备过程中，没有引入传统极压抗磨剂中的硫、磷等元素，更加环保，在不影响切削液的极压抗磨效果的同时具有良好的冷却与润滑效果。

Description

高润滑性切削液及其制备方法

技术领域

本发明属于金属切削润滑技术领域，具体的，涉及一种高润滑性切削液及其制备方法。

背景技术

在金属的切削加工过程中会产生大量的热量，而且由于切削区域集中，切削位置的温度一般能达到800-1200摄氏度，由于金属的寿命与温度的20次方成反比，因此长期处于高温环境下的切削件会大大缩短切削加工刀具的寿命，因此为了延长切削加工刀具的使用寿命，主要从通过切削液散热以及刀具本身的材料进行改性，而切削液散热是目前组主要的的方法；

人们通过切削液来对切削位置进行降温与润滑，常用的切削液按照其成分主要分为油基切削液与水基切削液，其中油基切削液具有良好的润滑性与防锈效果，但是其降温效果较差，水基切削液具有良好的降温效果，但是其润滑效果又较差，因此如何制造一款同时具有良好的降温效果与润滑效果，是目前需要解决的问题之一，同时，现有技术中的切削液在实际使用过程中，为了保证具有良好的散热效果，一方面使用量要大，另一方面需要保证切削液的温度处于一个较低的水平，但是这样会带来切削液使用量大，切削质量差等缺点，为了解决这一问题，本发明提供了以下技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高润滑性切削液及其制备方法。

本发明需要解决的技术问题为：

1、在现有技术中，切削液主要是依靠水或者油来进行吸热，但是由于油的比热容较低，在通过传统的水基与油基切削液进行冷却润滑时，为了使切削液起到良好的冷却效果，需要在切削部位施加大量的切削液，防止切削液温度上升明显，影响冷却散热效果，但是这就导致了切削液使用量大，提升了切削液的使用成本，同时使用后的切削液需要经过降温才能够循环使用，提升了切削液循环使用的流程，一些工厂为了提升切削液的降温效果，又希望减少切削液的使用，尤其是水基切削液，会在不影响切削液正常使用的条件下尽可能降低切削液温度来达到这一目的，但是这样虽然会达到降温的效果，但是低温的切削液会导致切削部位温度变化较大，容易导致切削部位出现变形等缺点。

2、在现有技术中，所采用的切削液主要分为油基与水基，其中油基冷却差、水基润滑差，如何制造一种冷却效果与润滑效果俱佳的切削液，是目前需要解决的问题之一。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高润滑性切削液，包括基础切削液与相变填充颗粒，所述基础切削液由改性无水硼酸盐、合成基础油、去离子水、甘油与聚乙二醇加工制备而成，其中合成基础油、去离子水与甘油的体积比为2-2.3:5:1-1.5，改性无水硼酸盐与合成基础油的质量比为1:8-13，聚乙二醇与去离子水的质量比为1:9-20；

具体的，该高润滑性切削液的制备方法为：

步骤一、将无水硼酸盐加入球磨机中，同时向其中加入阴离子表面活性剂、合成基础油与聚乙烯醇一起进行球磨得到改性无水硼酸盐，通过阴离子表面活性剂的润滑、分散效果提升无水硼酸盐的球磨效果，同时，通过阴离子表面活性剂降低无水硼酸盐颗粒的表面能，防止无水硼酸盐颗粒聚团，同时改善无水硼酸盐的亲油性能；

优选的，所述阴离子表面活性剂为全氟代烷基羧酸盐、烷基磺酸盐与烯烃磺酸盐中的一种或至少两种的结合；

步骤二、过滤、烘干得到改性无水硼酸盐后，将该改性无水硼酸盐加入合成基础油中混合分散均匀待用，改性无水硼酸盐与合成基础油的质量比为1:8-13；

步骤三、将混合有上一步骤得到的合成基础油加入经过煮沸灭菌后冷却的去离子水中，再向其中加入o/w型乳化剂、聚乙二醇、甘油与缓蚀剂，在1800-4000r/min的转速条件下高速剪切得到基础切削液，其中合成基础油、去离子水与甘油的体积之比为2-2.3:5:1-1.5，聚乙二醇与去离子水的质量比为1:9-20；

步骤四、制备相变填充颗粒，将得到的相变填充颗粒加入基础切削液中或相变填充颗粒与基础切削液分开保存，在使用时，将相变填充颗粒加入基础切削液中分散并进行使用，使用过程中，由于相变填充颗粒会下沉，因此需要通过通气或搅拌使相变填充颗粒处于分散状态，在进行搅拌分散时，需要注意搅拌转速不易过大吗，防止相变填充颗粒被破碎。

在基础切削液的制备过程中，首先对无水硼酸盐进行改性，使其具有良好的亲油性，再将该具有良好亲油性质的无水硼酸盐加入合成基础油中进行分散，最后再将该分散有无水硼酸盐的合成基础油加入灭菌的去离子水中进行乳化分散，在去离子水中形成油性液滴中包裹有无水硼酸盐的结构，由于硼酸盐具有良好的极压抗磨效果，但是其在水中不稳定，通过油性液滴对其进行过包裹保护能够防止无水硼酸盐大量溶于水，导致无水硼酸盐无法达到效果，同时整个过程没有引入传统极压抗磨剂中的硫、磷等元素，更加环保。

所述相变填充颗粒的制备方法为：

S1、将粒径≥300目的膨胀石墨加入膨胀炉中加热进行高温膨胀，将原膨胀石墨膨胀至原体积的60-100倍，将膨胀处理后的膨胀石墨加入乙醇中，超声处理15-20min后过滤烘干干燥得到膨胀石墨薄片，在该步骤中，通过超声产生的空化现象对蠕虫状膨胀石墨进行剥离，从而得到破碎的膨胀石墨薄片，该薄片的粒径为10-40μm，厚度为40-3000nm；

S2、取三水合乙酸钠加入干燥容器中进行58-80℃的水浴加热，使三水合乙酸钠成为熔融状态，然后向其中加入成核剂与增稠剂，保持水浴加热搅拌混合均匀得到三水合乙酸钠相变材料，作为本发明的进一步方案，所述成核剂为十二水磷酸氢二钠、焦磷酸钠与九水硅酸钠中的至少一种，所述增稠剂为羧甲基纤维素钠；

S3、保持水浴加热，将步骤S1中得到的膨胀石墨薄片加入上一步骤中得到的三水合乙酸钠相变材料中负压浸泡，使膨胀石墨薄片充分吸收三水合乙酸钠相变材料，将膨胀石墨薄片与三水合乙酸钠相变材料过滤分离后，将吸附有相变材料的膨胀石墨薄片冷却，使吸附的相变材料固化，将粘合在一起的膨胀石墨薄片分散过300目以上筛得到相变填料；

S4、配制阿拉伯胶水溶液，阿拉伯胶溶解后向其中加入化学合成基础油，在2000-4000r/min的转速剪切搅拌分散均匀后，向其中加入明胶溶解搅拌均匀形成粘性液，其中各组分的质量百分比为：阿拉伯胶1％-3％、化学合成基础油7％-14％、明胶8％-12％，余量为水；

S5、将步骤S3中得到的相变填料加入上一步骤得到的粘性液中混合搅拌均匀得到中间浆料，整个过程水溶液的温度低于25℃，抑制三水合乙酸钠相变材料的相变与溶解，将中间浆料滴加进入pH为3.5-4.5的醋酸水溶液中形成相变填充颗粒前体，再用去离子水冲洗相变填充颗粒前体表面除去醋酸水溶液，将相变填充颗粒前体加入pH值为8-9的甲醛溶液中反应后，清洗晾干得到相变填充颗粒，其中甲醛溶液的pH值通过氢氧化钠或氢氧化钾进行调节；

在步骤S5中，由于明胶分子链上含有解离基团-NH³⁺与-COO^-，当明胶溶液的pH值为3.5-4.5时，-NH³⁺的数量大于后者，明胶溶液含有更多的正电荷，而阿拉伯胶为含有羧基的多聚糖，其含有对应的解离基团-COO^-，即阿拉伯胶溶液含有大量负电荷，因此在pH值为3.5-4.5时，明胶与阿拉伯胶会正负电荷中和形成低溶解度的中和物，在将相变填充颗粒前体加入甲醛水溶液中后，在碱性条件下，明胶所带的氨基与甲醛的醛基发生醛氨缩合反应，明胶分子间发生相互交联形成网状结构，形成不溶于水的胶凝结构；

在该步骤中，以膨胀石墨作为吸附材料，将三水合乙酸钠相变材料进行吸附固化，得到固定有大量相变材料的膨胀石墨结构，然后再以膨胀石墨结构作为主要填充材料，以明胶等作为防水层，形成相变填充颗粒，该材料在使用时在切削部位一部分被破碎，其中膨胀石墨以及化学合成基础油能够作为润滑材料对切削部位进行润滑，同时膨胀石墨吸附的相变材料在热环境下吸热降温，防止切削部位的切削液迅速升温，降低冷却效果，同时，未被破碎的相变填充颗粒通过内部包覆的相变填料同样能够起到冷却降温的效果，从而提高了切削液的吸热降温效果，使填充液的温度处于一个稳定且较低的水平，因此实际应用中在不改变冷却效果的情况下，能够减少切削液的使用量，同时经过一次使用的切削液在除去切屑后由于温度较低能够不经降温处理直接循环进行使用，减少了切削液的储备量，并且切削液在投入使用时无需大大降低温度，防止造成低温切削液与高温切削处接触造成切削位置开裂等情况，起始温度较为温和，有利于提升切削刀具的寿命与切削质量。

该切削液的使用方法为：通过吸附装置将切屑吸附除去后，循环使用，由于相变材料能够吸热，在经过多次循环使用后，切削液的温度仍处于一个较低水平，无需进行降温处理即可再次循环使用，减少切削液使用成本与存储量。

本发明的有益效果：

1、本发明所述高润滑性切削液包括基础切削液与相变填充颗粒，其中相变填充颗粒以膨胀石墨作为吸附材料，将三水合乙酸钠相变材料进行吸附固化，得到固定有大量相变材料的膨胀石墨结构，然后再以膨胀石墨结构作为主要填充材料，以明胶等作为防水层，形成相变填充颗粒，该材料在使用时在切削部位一部分被破碎，其中膨胀石墨以及化学合成基础油能够作为润滑材料对切削部位进行润滑，同时膨胀石墨吸附的相变材料在热环境下吸热降温，防止切削部位的切削液迅速升温，降低冷却效果，同时，未被破碎的相变填充颗粒通过内部包覆的相变填料同样能够起到冷却降温的效果，从而提高了切削液的吸热降温效果，使填充液的温度处于一个稳定且较低的水平，因此实际应用中在不改变冷却效果的情况下，能够减少切削液的使用量，同时经过一次使用的切削液在除去切屑后由于温度较低能够不经降温处理直接循环进行使用，减少了切削液的储备量，并且切削液在投入使用时无需大大降低温度，防止造成低温切削液与高温切削处接触造成切削位置开裂等情况，起始温度较为温和，有利于提升切削刀具的寿命与切削质量；

2、本发明在基础切削液的制备过程中，首先对无水硼酸盐进行改性，使其具有良好的亲油性，再将该具有良好亲油性质的无水硼酸盐加入合成基础油中进行分散，最后再将该分散有无水硼酸盐的合成基础油加入灭菌的去离子水中进行乳化分散，在去离子水中形成油性液滴中包裹有无水硼酸盐的结构，其中硼酸盐具有良好的极压抗磨效果，通过油性液滴对其进行过包裹保护能够防止无水硼酸盐部分或全部溶于水，导致无水硼酸盐无法达到效果，同时整个过程没有引入传统极压抗磨剂中的硫、磷等元素，更加环保，在不影响切削液的极压抗磨效果的同时具有良好的冷却与润滑效果。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种高润滑性切削液，包括基础切削液与相变填充颗粒，所述基础切削液由改性无水硼酸盐、合成基础油、去离子水、甘油与聚乙二醇加工制备而成，其中合成基础油、去离子水与甘油的体积比为2:5:1.2，改性无水硼酸盐与合成基础油的质量比为1:10，聚乙二醇与去离子水的质量比为1:16；

具体的，该高润滑性切削液的制备方法为：

步骤一、将无水硼酸盐加入球磨机中，同时向其中加入阴离子表面活性剂、合成基础油与聚乙烯醇一起进行球磨得到改性无水硼酸盐，通过阴离子表面活性剂的润滑、分散效果提升无水硼酸盐的球磨效果，同时，通过阴离子表面活性剂降低无水硼酸盐颗粒的表面能，防止无水硼酸盐颗粒聚团，同时改善无水硼酸盐的亲油性能；

所述阴离子表面活性剂为十二烷基磺酸钠；

步骤二、过滤、烘干得到改性无水硼酸盐后，将该改性无水硼酸盐加入合成基础油中混合分散均匀待用；

步骤三、将混合有上一步骤得到的合成基础油加入经过煮沸灭菌后冷却的去离子水中，再向其中加入o/w型乳化剂、聚乙二醇、甘油与缓蚀剂，在3000r/min的转速条件下高速剪切得到基础切削液；

步骤四、制备相变填充颗粒，相变填充颗粒与基础切削液分开保存，在使用时，将相变填充颗粒加入基础切削液中分散并进行使用，其中相变填充颗粒在基础切削液中的添加量为60g/L，使用过程中，通过底部通气使相变填充颗粒处于分散状态。

所述相变填充颗粒的制备方法为：

S1、将粒径为300目的膨胀石墨加入膨胀炉中加热进行高温膨胀，将原膨胀石墨膨胀至原体积的60-100倍，将膨胀处理后的膨胀石墨加入乙醇中，超声处理20min后过滤烘干干燥得到膨胀石墨薄片，在该步骤中，通过超声产生的空化现象对蠕虫状膨胀石墨进行剥离，从而得到破碎的膨胀石墨薄片，该薄片的粒径为10-40μm，厚度为200-1500nm；

S2、取三水合乙酸钠加入干燥容器中进行60℃的水浴加热，使三水合乙酸钠成为熔融状态，然后向其中加入成核剂与增稠剂，保持水浴加热搅拌混合均匀得到三水合乙酸钠相变材料，其中成核剂为十二水磷酸氢二钠，增稠剂为羧甲基纤维素钠；

S3、保持水浴加热，将步骤S1中得到的膨胀石墨薄片加入上一步骤中得到的三水合乙酸钠相变材料中负压浸泡，使膨胀石墨薄片充分吸收三水合乙酸钠相变材料，将膨胀石墨薄片与三水合乙酸钠相变材料过滤分离后，将吸附有相变材料的膨胀石墨薄片冷却，使吸附的相变材料固化，将粘合在一起的膨胀石墨薄片分散过300目以上筛得到相变填料；

S4、配制阿拉伯胶水溶液，阿拉伯胶溶解后向其中加入化学合成基础油，在3000r/min的转速剪切搅拌分散均匀后，向其中加入明胶溶解搅拌均匀形成粘性液，其中各组分的质量百分比为：阿拉伯胶1.5％、化学合成基础油8％、明胶8％，余量为水；

S5、将步骤S3中得到的相变填料加入上一步骤得到的粘性液中混合搅拌均匀得到中间浆料，整个过程水溶液的温度为20±2℃，抑制三水合乙酸钠相变材料的相变与溶解，将中间浆料滴加进入pH为4的醋酸水溶液中形成相变填充颗粒前体，再用去离子水冲洗相变填充颗粒前体表面除去醋酸水溶液，将相变填充颗粒前体加入pH值为8.5的甲醛溶液中反应后，清洗晾干得到相变填充颗粒，其中甲醛溶液的pH值通过氢氧化钠进行调节；

对比例1

对比实施例1，对比例1与实施例1的不同在于先通过合成基础油与去离子水剪切混合成乳化液后，直接将无水硼酸盐加入其中进行混合搅拌，其它成分与步骤不变。

对比例2

对比实施例1，对比例2与实施例1的不同之处在于，只使用基础切削液作为切削液进行使用。

对比例3

对比实施例1，对比例三与实施例1的不同之处在于，使用去离子水替换基础切削液，将去离子水与相变填充颗粒混合作为切削液进行使用。

实验数据与结果分析：

对实施例与对比例中的切削液进行性能测试，检测项目包括GB6144-1985合成切削液标准中的防锈性测试与腐蚀性测试，另外还包括将切削液温度由20摄氏度提升至50摄氏度所吸收热量(通过1000w加热片对1立方米的切削液进行加热将其由20摄氏度提升至50摄氏度，并根据加热时间计算其吸收热量)，结果如表1所示：

表1

由上表结果可知，本发明所述高润滑性切削液能够起到良好的防锈效果，并且能够在切削过程中提供良好的散热效果。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.高润滑性切削液，其特征在于，包括基础切削液与相变填充颗粒，所述基础切削液由改性无水硼酸盐、合成基础油、去离子水、甘油与聚乙二醇加工制备而成，其中合成基础油、去离子水与甘油的体积比为2-2.3:5:1-1.5，改性无水硼酸盐与合成基础油的质量比为1:8-13，聚乙二醇与去离子水的质量比为1:9-20；

具体的，该高润滑性切削液的制备方法为：

步骤一、制备改性无水硼酸盐，使无水硼酸盐具有亲油的性质；

步骤二、将改性无水硼酸盐加入合成基础油中混合分散均匀待用；

步骤三、将混合有改性无水硼酸盐的合成基础油加入经过煮沸灭菌后冷却的去离子水中，再向其中加入o/w型乳化剂、聚乙二醇、甘油与缓蚀剂，在1800-4000r/min的转速条件下高速剪切得到基础切削液；

步骤四、制备相变填充颗粒，将得到的相变填充颗粒加入基础切削液；

所述相变填充颗粒的制备方法为：

S1、将粒径≥300目的膨胀石墨加入膨胀炉中加热进行高温膨胀，将膨胀石墨膨胀至原体积的60-100倍，将膨胀处理后的膨胀石墨加入乙醇中，超声处理15-20min后过滤烘干干燥得到膨胀石墨薄片；

S2、利用三水合乙酸钠制备三水合乙酸钠相变材料；

S3、在58-80℃的水浴加热条件下，将步骤S1中得到的膨胀石墨薄片加入上一步骤中得到的三水合乙酸钠相变材料中，在负压条件下浸泡处理，使膨胀石墨薄片充分吸收三水合乙酸钠相变材料，将膨胀石墨薄片与三水合乙酸钠相变材料过滤分离后，将吸附有相变材料的膨胀石墨薄片冷却，使吸附的相变材料固化，将粘合在一起的膨胀石墨薄片分散过300目以上筛得到相变填料；

S4、配制阿拉伯胶水溶液，阿拉伯胶溶解后向其中加入化学合成基础油，在2000-4000r/min的转速剪切搅拌分散均匀后，向其中加入明胶溶解搅拌均匀形成粘性液，其中各组分的质量百分比为：阿拉伯胶1％-3％、化学合成基础油7％-14％、明胶8％-12％，余量为水；

S5、将步骤S3中得到的相变填料加入上一步骤得到的粘性液中混合搅拌均匀得到中间浆料，整个过程水溶液的温度低于25℃，将中间浆料滴加进入pH为3.5-4.5的醋酸水溶液中形成相变填充颗粒前体，再用去离子水冲洗相变填充颗粒前体表面除去醋酸水溶液，将相变填充颗粒前体加入pH值为8-9的甲醛溶液中反应后，清洗晾干得到相变填充颗粒。

2.根据权利要求1所述的高润滑性切削液，其特征在于，步骤一中改性无水硼酸盐的制备方法为，将无水硼酸盐加入球磨机中，同时向其中加入阴离子表面活性剂、合成基础油与聚乙烯醇一起进行球磨后过滤、烘干得到改性无水硼酸盐。

3.根据权利要求2所述的高润滑性切削液，其特征在于，所述阴离子表面活性剂为全氟代烷基羧酸盐、烷基磺酸盐与烯烃磺酸盐中的一种或至少两种的结合。

4.根据权利要求1所述的高润滑性切削液，其特征在于，相变填充颗粒与基础切削液分开保存，在使用时，将相变填充颗粒加入基础切削液中分散并进行使用。

5.根据权利要求1所述的高润滑性切削液，其特征在于，步骤S1中膨胀石墨薄片的粒径为10-40μm，厚度为40-3000nm。

6.根据权利要求1所述的高润滑性切削液，其特征在于，步骤S2中三水合乙酸钠相变材料的制备方法为：取三水合乙酸钠加入干燥容器中进行58-80℃的水浴加热，使三水合乙酸钠成为熔融状态，然后向其中加入成核剂与增稠剂，保持水浴加热搅拌混合均匀得到三水合乙酸钠相变材料。

7.根据权利要求6所述的高润滑性切削液，其特征在于，所述成核剂为十二水磷酸氢二钠、焦磷酸钠与九水硅酸钠中的至少一种，所述增稠剂为羧甲基纤维素钠。

8.高润滑性切削液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、制备改性无水硼酸盐，使无水硼酸盐具有亲油的性质；

步骤二、将改性无水硼酸盐加入合成基础油中混合分散均匀待用；

步骤三、将混合有改性无水硼酸盐的合成基础油加入经过煮沸灭菌后冷却的去离子水中，再向其中加入o/w型乳化剂、聚乙二醇、甘油与缓蚀剂，在1800-4000r/min的转速条件下高速剪切得到基础切削液；

步骤四、制备相变填充颗粒，将得到的相变填充颗粒加入基础切削液；

其中合成基础油、去离子水与甘油的体积比为2-2.3:5:1-1.5，改性无水硼酸盐与合成基础油的质量比为1:8-13，聚乙二醇与去离子水的质量比为1:9-20；

所述相变填充颗粒的制备方法为：

S1、将粒径≥300目的膨胀石墨加入膨胀炉中加热进行高温膨胀，将膨胀石墨膨胀至原体积的60-100倍，将膨胀处理后的膨胀石墨加入乙醇中，超声处理15-20min后过滤烘干干燥得到膨胀石墨薄片；

S2、利用三水合乙酸钠制备三水合乙酸钠相变材料；

S3、在58-80℃的水浴加热条件下，将步骤S1中得到的膨胀石墨薄片加入上一步骤中得到的三水合乙酸钠相变材料中，在负压条件下浸泡处理，使膨胀石墨薄片充分吸收三水合乙酸钠相变材料，将膨胀石墨薄片与三水合乙酸钠相变材料过滤分离后，将吸附有相变材料的膨胀石墨薄片冷却，使吸附的相变材料固化，将粘合在一起的膨胀石墨薄片分散过300目以上筛得到相变填料；

S4、配制阿拉伯胶水溶液，阿拉伯胶溶解后向其中加入化学合成基础油，在2000-4000r/min的转速剪切搅拌分散均匀后，向其中加入明胶溶解搅拌均匀形成粘性液，其中各组分的质量百分比为：阿拉伯胶1％-3％、化学合成基础油7％-14％、明胶8％-12％，余量为水；

S5、将步骤S3中得到的相变填料加入上一步骤得到的粘性液中混合搅拌均匀得到中间浆料，整个过程水溶液的温度低于25℃，将中间浆料滴加进入pH为3.5-4.5的醋酸水溶液中形成相变填充颗粒前体，再用去离子水冲洗相变填充颗粒前体表面除去醋酸水溶液，将相变填充颗粒前体加入pH值为8-9的甲醛溶液中反应后，清洗晾干得到相变填充颗粒。