CN112375602B - 一种离子液体基纳米流体切削液及其制备方法 - Google Patents

一种离子液体基纳米流体切削液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属切削加工技术领域，公开了一种利用离子液体作为基础液的纳米流体切削液及其制备方法。所述纳米流体切削液由咪唑类离子液体和纳米粒子组成。按一定质量分数将纳米粒子加入咪唑类离子液体中，进行超声分散、均质处理，形成均匀稳定的悬浮液即得到离子液体纳米流体。与普通的水基/油基纳米流体相比，本发明方法制备的纳米粒子/离子液体基纳米流体具有分散稳定更好、润滑性能更好、渗透性能更高的优点；与只以离子液体为添加剂的水基/油基切削液相比，本发明纳米流体以离子液体为基础液，具有更好的渗透性能、更好的传热性能和更高的热容量，且不含表面活性剂、消泡剂、防腐剂、极压剂、PH调节剂等传统添加剂，具有环境友好性。

Description

一种离子液体基纳米流体切削液及其制备方法
技术领域
本发明属于金属切削加工技术领域，涉及一种离子液体基纳米流体的制备方法，具体涉及一种用于微量润滑(MQL)切削加工的离子液体基纳米流体切削液及其制备方法。
背景技术
切削加工是目前零部件成形的主要手段。金属高速、精密切削加工过程中，在机床、工件、刀具、加工程序等条件相同的条件下，合理选择切削液，对减少摩擦、改善散热条件、降低加工区域温度、延长刀具的使用寿命、提高工件精度、降低工件表面粗糙度从而降低切削液使用成本和提高企业经济效益具有十分重要的作用。随着我国制造业实施产品创新、产业结构升级和智能制造步伐的加快，开发高性能的金属切削液也显得十分必要，特别是切削液的稳定性、润滑性、传热以及渗透性能等这些关系到加工效果的关键指标，所以改进金属切削液的综合性能十分迫切。
传统的切削液以水或油作为基础液，再添加油性剂、极压剂、防锈剂、消泡剂等添加剂。传统的切削液经过上百年的发展，在成分、配比等方面已较为成熟，但其在润滑性能、换热性能、渗透性能等方面的提升空间有限。因此，近年来人们探索将纳米级的超细纳米粒子(粒径在1-100nm之间)添加到基础液中制备一种纳米流体，研究新型的高效冷却与润滑技术。由于纳米粒子的表面积和热容量大，且具有较好的导热性，因此纳米流体切削液具有更好的热交换性能，从而起到更好的强化换热、降低切削区温度的作用。此外，纳米粒子还具有较好的减摩抗磨特性，可以进一步提高切削液的润滑性能。
纳米流体切削液的稳定性、均匀性对切削液在切削区域的作用起着至关重要的影响作用。实际上，由于纳米流体内部粒子在各种作用力或势能的影响下，不可避免的发生碰撞和团聚，比较容易产生包含有两个纳米粒子以上的簇团，这些团聚体的随机运动速度比单个粒子运动速度小，过大的团聚体在重力作用下会加速沉降而发生沉淀。因此，纳米粒子的团聚和沉淀导致实际有效分散的纳米粒子含量不断减少，这是纳米流体在实际应用中难以解决的问题。
离子液体全部由有机阳离子和阴离子组成，其在室温或相邻温度下呈现液态的物质，又称室温离子液体、室温熔融盐等。离子液体一方面属于离子型的液态物质，同时还具有固态物质所不具有的“液态”性质。因此，离子液体同时具有液体与固体的功能特性，被称为“固态”液体，或"液体"分子筛，其体现出独特的性质及特有功能。本发明提出利用离子液体作为基础液制备纳米流体切削液，主要是出于其具有如下优点:
1.离子液体本身具有较好的表面活性，可作为表面活性剂有效分散纳米粒子，提高纳米流体切削液的稳定性和分散性，提高纳米粒子在基础液中的含量。
2.离子液体熔点低、液程宽、几乎不挥发，易于与其他物质分离，可循环利用，对环境和人类健康无毒无害，是一种绿色基础液。
3.具有较好的热稳定性和化学稳定性，可在切削区域较高切削温度下保持稳定性，适用于极端、苛刻条件下的金属切削加工。
4.离子液体热容大，吸收同等热量时，温升明显低于传统切削液，可有效抵抗由于切削温度升高造成的机床变形。
5.利用离子液体作为基础液制备切削液，避免了传统切削液中防锈剂、极压添加剂、消泡剂等添加剂的使用，降低了环境污染。
6.离子液体具有结构可设计性，可以依据需要通过改变阴阳离子结构来调控性能，满足不同的加工需求。
7.制备简单。离子液体由阴、阳离子组成，种类繁多，通过改变阴离子、阳离子的不同组合可以获得不同的离子液体。
8.离子液体具有较低的表面张力，渗透性能比传统切削液好，能够更好的渗入切削加工区域起作用。
9.离子液体具有优异的润滑性能，通过设计，离子液体的润滑性可优于传统的油性添加剂、极压添加剂。
10.离子液中添加纳米粒子后，可以进一步提升离子液体的润滑性能，满足极端条件下的切削加工需求。
通过将纳米粒子如石墨烯、碳纳米管(CNTs)、二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、氮化硼等纳米粒子添加到离子液体中，形成了纳米流体，其导热系数比基础离子液体流体也有明显的提高。
专利“一种功能化离子液体辅助增效的水性环保切削液及其制备方法(CN102732365 A)”和“一种含有离子液体的微乳化金属切削液及其制备方法和应用(CN103555392 A)”提出利用离子液体作为添加剂改进传统水基切削液杀菌性能、润滑性、冷却性、以及化学稳定性、寿命等，只是对传统切削液的改进。而本专利则是直接提出利用粒子液体作为基础液，在基础液中添加纳米粒子，一方面利用离子液体改善纳米粒子的分散稳定性；另一方面利用纳米粒子改善离子液体的传热、润滑、冷却性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述传统切削液以及纳米流体技术的缺陷，提供一种可用于切削加工中利用的离子液体基纳米流体的制备方法。与普通的水基/油基纳米流体相比，本发明的方法制备的纳米粒子/离子液体纳米流体具有分散稳定更好、润滑性能更好、渗透性能更好高的优点；与只以离子液体为添加剂的水基/油基切削液相比，本发明的方法制备的纳米粒子/离子液体纳米流体只以离子液体为基础液，具有更好的传热性能、更高的热容量和更好的渗透性能，且不含表面活性剂、消泡剂、防腐剂、极压剂、PH调节剂等传统添加剂，具有环境友好性。本发明的方法制备的纳米粒子/离子液体纳米流体制备工艺简单、成本低廉，主要用于金属切削加工时的微量润滑。
根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种离子液体基纳米流体切削液，由离子液体和纳米粒子组成，所述纳米粒子在离子液体纳米流体中的质量分数为0.002％～0.5％；所述纳米粒子包括石墨烯、碳纳米管(CNTs)、二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)和氮化硼中的一种或多种。
本发明利用离子液体作为基础液制备纳米流体切削液，由于纳米粒子就有较好的润滑性能和传热性能，因此在离子液体中添加纳米粒子构成纳米流体并用于切削加工，一方面纳米粒子的分散稳定性可以显著提高，可以制得含量更高的纳米流体；同时，离子液体的传热性能、润滑性能、渗透性能也有明显的提高，从而达成一种环保、高效的纳米流体切削液。
优选的，所述离子液体的阳离子含咪唑基，如[EMIM]+(1-乙基-3-甲基咪唑)、[BMIM]+(1-丁基-3-甲基咪唑)、[PMIM]+(1-丙基-3-甲基咪唑)等，离子液体的阴离子选自[BF4]—(四氟硼酸)、[PF6]—(六氟磷酸)、[Ac]—(乙酸)或[TFSI]—(三氟甲基磺酰)中任意一种。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种离子液体基纳米流体切削液的制备方法，包括如下步骤：将纳米粒子加入到离子液体中，混合物先进行超声分散，再进行均质处理后形成均匀稳定的悬浮液即得到离子液体基纳米流体切削液。
优选的，所述超声分散的过程为：将混合物倒入超声容器内，用250W功率超声5h；所述的均质处理处理过程为：将混合物加入均质机的罐内，在30Mpa的压力下均质处理1h。
与目前的纳米流体切削液，和只以离子液体为添加剂的水基/油基切削液技术相比，本发明的纳米流体切削液成分间的协同作用使其具有以下优点和有益效果:
1.离子液体可使纳米粒子在液体中的分散性显著提高。制备常规的水基/油基纳米流体时，需要添加表面活性剂来使纳米粒子分散，且效果不甚显著。而离子液体本身是一种高效表面活性剂，可以有效分散纳米粒子，提高纳米流体切削液的稳定性和分散性，提高纳米粒子在基础液中的含量。
2.纳米粒子可以使离子液体的润滑性能得到进一步改善。离子液体本身具有较好的润滑性能，通过在其中添加纳米粒子后，可以进一步提升离子液体的润滑性能，满足极端加工条件下的切削需求。
3.纳米粒子可以使离子液体的传热性能得到进一步改善。离子液体本身的导热性能较差，通过在其中添加纳米粒子后，可以显著提升离子液体的传热性能，增强其在切削区域的换热能力。
4.离子液体基纳米流体具有更低的表面张力，在切削区域的渗透性能比传统切削液好，能够更好的渗入切削加工区域起作用。
5.利用离子液体作为基础液制备切削液，避免了传统切削液中防锈剂、极压添加剂、消泡剂等添加剂的使用，降低了环境污染。且离子液体具有更好的热稳定性和化学稳定性，可在切削区域较高切削温度下保持稳定性，适用于极端、苛刻条件下的金属切削。
附图说明
图1为本发明离子液体基纳米流体切削液的示意图。
具体实施方式
实施例1
按离子液体基础纳米流体中纳米粒子质量分数为0.08％的要求，将石墨烯粒子加入离子液体[BMIM]BF4中，先用250W功率超声5h，再将混合物加入均质机的罐内，在30Mpa的压力下均质处理1h。即可制备均匀稳定的石墨烯/[BMIM]BF4离子液体纳米流体。
经过测定，该离子液体纳米流体在室温下可以稳定存在两个月以上。与石墨烯含量为0.08％的水基纳米流体切削液相比，石墨烯粒子的分散稳定性提高50％、润滑性能提高41％、润湿性能提高25％；微量润滑条件下车削加工时，切削力、切削温度和刀具磨损分别降低37％、32％和21％。
在微量润滑条件下实际车削加工时，与美孚1535水溶性切削液相比，利用离子液体基纳米流体加工时的切削力、切削温度和刀具磨损分别降低31％、28％和23％，工件表面质量提高23％。
实施例2
按离子液体基础纳米流体中纳米粒子质量分数为0.08％的要求，将碳纳米管(CNTs)粒子加入离子液体[PMIM]BF4中，先用250W功率超声5h，再将混合物加入均质机的罐内，在30Mpa的压力下均质处理1h。即可制备均匀稳定的CNTs/[PMIM]BF4离子液体纳米流体。
经过测定，该离子液体纳米流体在室温下可以稳定存在两个月以上。与CNTs含量为0.02％的水基纳米流体相比，CNTs的分散稳定性提高48％、润滑性能提高37％、润湿性能提高24％；微量润滑条件下车削加工时，切削力、切削温度和刀具磨损分别降低41％、35％和26％。
在微量润滑条件下实际车削加工时，与美孚1535水溶性切削液相比，利用离子液体基纳米流体加工时的切削力、切削温度和刀具磨损分别降低32％、29％和24％，工件表面质量提高27％。
实施例3
按离子液体基础纳米流体中纳米粒子质量分数为0.08％的要求，将二硫化钼(MoS2)粒子加入离子液体[EMIM]Ac中，先用250W功率超声5h，再将混合物加入均质机的罐内，在30Mpa的压力下均质处理1h。即可制备均匀稳定的MoS2/[EMIM]Ac离子液体纳米流体。
经过测定，该离子液体纳米流体在室温下可以稳定存在两个月以上。与MoS2含量为0.08％的水基纳米流体相比，在相同浓度下石墨烯粒子的分散稳定性提高53％、润滑性能提高39％、润湿性能提高36％；微量润滑条件下车削加工时，切削力、切削温度和刀具磨损分别降低28％、21％和33％。
在微量润滑条件下实际车削加工时，与美孚1535水溶性切削液相比，利用离子液体基纳米流体加工时的切削力、切削温度和刀具磨损分别降低14％、17％和29％，工件表面质量提高28％。
实施例4
按离子液体基础纳米流体中纳米粒子质量分数为0.08％的要求，将二硫化钨(WS2)粒子加入离子液体[EMIM]TFSI中，先用250W功率超声5h，再将混合物加入均质机的罐内，在30Mpa的压力下均质处理1h。即可制备均匀稳定的WS2/[EMIM]TFSI离子液体纳米流体。
经过测定，该离子液体纳米流体在室温下可以稳定存在两个月以上。与WS2含量为0.08％的水基纳米流体相比，WS2纳米粒子的分散稳定性提高27％，润滑性能提高15％，润湿性能提高12％；微量润滑条件下车削加工时，切削力、切削温度和刀具磨损分别降低16％、18％和14％。
在微量润滑条件下实际车削加工时，与美孚1535水溶性切削液相比，利用离子液体基纳米流体加工时的切削力、切削温度和刀具磨损分别降低11％、13％和11％，工件表面质量提高14％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种离子液体基纳米流体切削液，由离子液体和纳米粒子组成，所述纳米粒子在离子液体纳米流体中的质量分数为0.002％～0.5％；所述纳米粒子包括石墨烯、碳纳米管、二硫化钼、二硫化钨和氮化硼中的一种或多种；
所述离子液体的阳离子含咪唑基对应的阳离子；
所述含咪唑基对应的阳离子为[EMIM]+、[BMIM]+和[PMIM]+中任意一种或多种，离子液体的阴离子选自[BF4]-、[PF6]-、[Ac]-和[TFSI]-中任意一种或多种。
2.根据权利要求1所述的离子液体基纳米流体切削液，其特征在于：所述离子液体为[BMIM]BF4、所述纳米粒子为石墨烯。
3.根据权利要求1所述的离子液体基纳米流体切削液，其特征在于：所述离子液体为[PMIM]BF4、所述纳米粒子为碳纳米管。
4.根据权利要求1所述的离子液体基纳米流体切削液，其特征在于：所述离子液体为[EMIM]Ac、所述纳米粒子为二硫化钼。
5.根据权利要求1所述的离子液体基纳米流体切削液，其特征在于：所述离子液体为[EMIM]TFSI、所述纳米粒子为二硫化钨。
6.一种权利要求1所述离子液体基纳米流体切削液的制备方法，包括如下步骤：将纳米粒子加入到离子液体中，混合物先进行超声分散，再进行均质处理后形成均匀稳定的悬浮液即得到离子液体基纳米流体切削液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述超声分散的过程为：将混合物倒入超声容器内，用250W功率超声5h；所述的均质处理处理过程为：将混合物加入均质机的罐内，在30Mpa的压力下均质处理1h。
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