CN112940836A - 一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液及其制备方法，选用粒径＜50nm的纳米二硫化钼，聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠作为表面改性剂和分散剂，苯并三氮唑、十二烷基苯磺酸钠、三乙醇胺、钼酸钠、磷酸三钠复配作为防锈剂，水性硼酸酯和聚乙烯吡咯烷酮作为极压剂，加上去离子水组成具有高分散性和润滑性能的水基纳米轧制液。本发明旨在采用新型的二硫化钼水基纳米轧制液替代传统的水包油性(O/W)乳化液，更符合当前冶金企业节能降耗、清洁生产及绿色环保的发展方向，有利于提高我国钢铁产业的整体水平。

Description

一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液及其制备方法
技术领域
本发明涉及润滑剂制备技术领域，尤其涉及一种冷连轧机组带钢生产中润滑用的高分散性纳米二硫化钼水基轧制液及其制备方法。
背景技术
水基润滑剂具有优异的冷却性能、难燃、绿色环保等优点，许多国家都在大力发展水基润滑剂，尤其是在液压和金属加工行业发展迅速。与油基润滑剂相比，现有的水基润滑剂存在润滑性和防腐性差等问题，从一定程度上限制了水基润滑剂的发展和应用。随着纳米材料的发展，给解决水基润滑剂存在的上述问题提供了全新思路。纳米粒子具有表面效应、量子尺寸效应、体积效应和宏观量子隧道效应等特殊的物理和化学性质，因而在诸多领域得到了广泛应用。在摩擦学领域，近年来开展了大量相关研究，多种纳米粒子作为润滑油极压抗磨添加剂，均能提高润滑油的极压抗磨性能。而在水基轧制液中添加环保型润滑添加剂，不仅可以提高轧制液的减摩和耐磨性能，同时也降低了环境污染风险。
纳米二硫化钼(MoS2)作为润滑添加剂具有热稳定性高、耐磨性好、极压性能好等优点，是一种常用的固体润滑剂，因其具有层状结构，层与层之间的硫原子结合力(范德华力)比较弱，易于滑动而表现出极好的减摩作用；另外，S原子与Mo原子之间的离子键赋予MoS2润滑膜比较高的强度，可有效防止在金属表面突出部位润滑膜被穿透。此外，暴露在晶体表面的硫原子会对金属表面产生很强的黏附作用，从而形成很牢固的膜，使其润滑性能比石墨还要优越。
公告号为CN105670762B的中国发明专利公开了“一种含纳米二硫化钼的水基金属加工润滑液及其制备方法”，该润滑液的配方由纳米二硫化钼粉末、去离子水、油酸、三乙醇胺、水性硼酸酯、聚丙烯酸钠、十二碳醇酯、硅烷偶联剂KH560、胆酸钠、十二烷基苯磺酸钠、双乙酸钠、消泡剂组成。公开号为CN111117746A的中国专利申请公开了“一种利用多巴胺聚合制备纳米MoS2-Al2O3复合轧制润滑剂的方法”，利用多巴胺自聚合为聚多巴胺对二硫化钼纳米片表面进行修饰，得到聚多巴胺修饰的二硫化钼纳米片；随后加入六水合氯化铝、聚乙二醇200，乙酸钠，将得到的溶液离心、洗涤和烘干，得到纳米MoS2/Al2O3复合粉末；最后将制备得到的复合纳米粉末分散到去离子水中，加入丙三醇、三乙醇胺、六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠、水性硼酸酯以及微量消泡剂，即可得到所需复合轧制润滑剂。公告号为CN110591806B的中国发明专利公开了“一种水基润滑液及其制备方法”，该水基润滑液包括水、氧化剂和纳米材料，且所述纳米材料被所述氧化剂氧化后表面含有亲水官能团。该水基润滑液表面含亲水官能团，在水中具有优异的分散性能，具有优异的吸水和保水性能，并且具有超低的摩擦系数和高抗磨性，稳定摩擦系数不大于0.01，最小摩擦系数可达到0.0014。
近年来，国内钢铁加工企业所面对的环保压力越来越大，传统的油基水包油(O/W)型乳化液在长期循环使用过程中会产生大量油泥和废液，这些废弃物会对生产操作及周边环境造成极大的污染。相比之下，环境友好型的水基润滑剂具有优良的经济性、冷却性和安全性的特点，已经被广泛应用在切削、拉拔、研磨等金属加工以及液压传动领域，但水基纳米轧制液作为轧制过程中的工艺润滑剂仍处于研究领域。
发明内容
本发明提供了一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液及其制备方法，旨在采用新型的二硫化钼水基纳米轧制液替代传统的水包油性(O/W)乳化液，更符合当前冶金企业节能降耗、清洁生产及绿色环保的发展方向，有利于提高我国钢铁产业的整体水平。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液，选用粒径＜50nm的纳米二硫化钼，聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠作为表面改性剂和分散剂，苯并三氮唑、十二烷基苯磺酸钠、三乙醇胺、钼酸钠、磷酸三钠复配作为防锈剂，水性硼酸酯和聚乙烯吡咯烷酮作为极压剂，加上去离子水组成具有高分散性和润滑性能的水基纳米轧制液。
一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液，其组分及所占重量百分比如下：纳米二硫化钼0.1％～3.0％、聚丙烯酸钠0.1％～2.0％、六偏磷酸钠0.1％～3.0％、苯并三氮唑0.1％～1.5％、十二烷基苯磺酸钠0.1％～2.0％、三乙醇胺1.0％～3.0％、钼酸钠0.1％～2.0％、磷酸三钠0.1％～1.0％、水性硼酸酯1.0％～4.0％、聚乙烯吡咯烷酮0.1％～3.0％，余量为去离子水。
所述聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠的重量比为1.5～2.0。
一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液的制备方法，包括如下步骤：
1)在反应釜中加入去离子水，在搅拌过程中加入纳米二硫化钼，聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠；将溶液加热至60～80℃，实现对纳米二硫化钼颗粒的表面改性和分散；
2)将含有改性后二硫化钼纳米粒子的溶液加热至75～80℃进行保温，并持续搅拌30～40分钟；随后加入苯并三氮唑、十二烷基苯磺酸钠、三乙醇胺、钼酸钠、磷酸三钠，加热至80～85℃，搅拌35～45分钟；再加入水性硼酸酯和聚乙烯吡咯烷酮，停止加热，继续搅拌至室温；
3)将步骤2)所得溶液进行30～45分钟的超声分散，最终得到的黑色溶液即为高分散性纳米二硫化钼水基轧制液。
所述步骤1)中，搅拌过程是采用转速为250～280转/分钟的搅拌器进行搅拌。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)传统冷轧液以油为基础，添加极压剂、乳化剂等配制成乳化油，使用时通过添加脱盐水制备成浓度含量为2％-5％水包油型(O/W)乳化液，但传统型板带钢冷轧乳化液的存在消耗高、生产操作环境油雾污染严重，特别是含油、硫和磷元素的废液排放对环境造成污染问题；另外，传统乳化液在长期循环使用过程中容易滋生细菌、霉菌，使乳化液中的有效成分产生化学分解而发臭、变质，进而乳化液润滑能力降低，导致高速冷轧生产中轧制稳定性变差。本发明所述高分散性纳米二硫化钼水基轧制液，采用表面修饰及超声波分散将Nano-MoS2粒子均匀分散在水中，配制成新型纳米水基板带钢轧制液。Nano-MoS2具有层状结构，二硫化钼的层状结构决定了其具有良好的润滑性能。相比于传统水包油型(O/W)乳化液，采用Nano-MoS2制成的水基纳米轧制液具有诸多优点：抗压强度高、耐磨性好、附着性强，且摩擦因数较低；具有较好的成膜结构特性，能生成一种在高压下仍具有良好稳定性的薄膜；在多数溶剂中可保持较好的稳定性；在高温、高压、高转速、超低温和高真空条件下仍具有高效的润滑性能；对黑色和有色金属具有较强的吸附亲和力。
2)水基润滑剂具有优异的冷却性能、难燃、绿色、环保等优点，许多国家都在大力发展水基润滑剂，尤其是在液压液和金属加工业行业发展迅速。传统油基冷轧润滑剂在长期使用过程中会产生大量油泥及废液，对生产操作及周边环境造成了极大的污染。相比之下，环境友好型水基润滑剂具有优良的经济性、冷却性和安全性的特点，已经被广泛应用在切削、拉拔、研磨等金属加工以及液压传动领域。本发明所述一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液，主要选择粒径小于50nm的Nano-MoS2作为添加剂，与目前市面中大多选择大于100nm的Nano-MoS2作为添加剂相比，随着Nano-MoS2颗粒粒径变小，它在摩擦副表面的附着性与覆盖程度明显提高，抗磨减摩性能也得到成倍提高，能显著改善轧制过程中稳定性及工艺润滑性能，是传统水包油型乳化液最佳替代品。
具体实施方式
本发明所述一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液，选用粒径＜50nm的纳米二硫化钼，聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠作为表面改性剂和分散剂，苯并三氮唑、十二烷基苯磺酸钠、三乙醇胺、钼酸钠、磷酸三钠复配作为防锈剂，水性硼酸酯和聚乙烯吡咯烷酮作为极压剂，加上去离子水组成具有高分散性和润滑性能的水基纳米轧制液。
一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液，其组分及所占重量百分比如下：纳米二硫化钼0.1％～3.0％、聚丙烯酸钠0.1％～2.0％、六偏磷酸钠0.1％～3.0％、苯并三氮唑0.1％～1.5％、十二烷基苯磺酸钠0.1％～2.0％、三乙醇胺1.0％～3.0％、钼酸钠0.1％～2.0％、磷酸三钠0.1％～1.0％、水性硼酸酯1.0％～4.0％、聚乙烯吡咯烷酮0.1％～3.0％，余量为去离子水。
所述聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠的重量比为1.5～2.0，此时，所述水基纳米轧制液具有最佳的分散稳定性及润滑性能。
一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液的制备方法，包括如下步骤：
1)在反应釜中加入去离子水，在搅拌过程中加入纳米二硫化钼，聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠；将溶液加热至60～80℃，实现对纳米二硫化钼颗粒的表面改性和分散；
2)将含有改性后二硫化钼纳米粒子的溶液加热至75～80℃进行保温，并持续搅拌30～40分钟；随后加入苯并三氮唑、十二烷基苯磺酸钠、三乙醇胺、钼酸钠、磷酸三钠，加热至80～85℃，搅拌35～45分钟；再加入水性硼酸酯和聚乙烯吡咯烷酮，停止加热，继续搅拌至室温；
3)将步骤2)所得溶液进行30～45分钟的超声分散，最终得到的黑色溶液即为高分散性纳米二硫化钼水基轧制液。
所述步骤1)中，搅拌过程是采用转速为250～280转/分钟的搅拌器进行搅拌。
以下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具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例】
本实施例中，高分散性纳米二硫化钼水基轧制液的制备过程具体如下：
1)在反应釜中加入去离子水，在搅拌过程中加入纳米二硫化钼、聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠；将溶液加热至60～80℃，实现对纳米二硫化钼颗粒的表面改性和分散；
2)将含有改性后二硫化钼纳米粒子的溶液加热至75～80℃进行保温，并持续搅拌30～40分钟；随后加入苯并三氮唑、十二烷基苯磺酸钠、三乙醇胺、钼酸钠、磷酸三钠，加热至80～85℃，搅拌35～45分钟；再加入水性硼酸酯和聚乙烯吡咯烷酮，停止加热，继续搅拌至室温；
3)将步骤2)所得溶液进行30～45分钟的超声分散，最终得到的黑色溶液即为高分散性纳米二硫化钼水基轧制液。
实施例1-5中高分散性纳米二硫化钼水基轧制液的组成成分如表1所示；
表1产品组成成分
Figure BDA0002940259070000051
通过上述制备方法得到的高分散性纳米二硫化钼水基轧制夜静置72小时后无明显分层发生，分散体系稳定。现有国家标准SH/T 0762—2005《润滑剂极压性能测定法(四球法)》，只是从最大无卡咬负荷值(油膜强度PB值)这一单一指标对乳化液的润滑性能进行评测，其评测结果不能客观反映出冷轧乳化液实际的工艺润滑效果，因此，本发明引入评价润滑剂工艺润滑性能的新指标--极压抗磨减磨润滑系数η：
Figure BDA0002940259070000052
式中：PB——最大无卡咬负荷，N；
μ——平均摩擦系数；
Figure BDA0002940259070000053
——磨斑直径，mm。
通过将最大无卡咬负荷值(油膜强度PB值)、平均摩擦系数(μ)和磨斑直径
Figure BDA0002940259070000061
三项指标带入到上述公式中，可得到极压抗磨减磨润滑系数η，η数值的大小直接反映出润滑剂工艺润滑性能的优劣。
本实施例中，水基纳米轧制液的性能指标如表2所示。
表2产品性能指标
Figure BDA0002940259070000062
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液，其特征在于，选用粒径＜50nm的纳米二硫化钼，聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠作为表面改性剂和分散剂，苯并三氮唑、十二烷基苯磺酸钠、三乙醇胺、钼酸钠、磷酸三钠复配作为防锈剂，水性硼酸酯和聚乙烯吡咯烷酮作为极压剂，加上去离子水组成具有高分散性和润滑性能的水基纳米轧制液。
2.根据权利要求1所述的一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液，其特征在于，其组分及所占重量百分比如下：纳米二硫化钼0.1％～3.0％、聚丙烯酸钠0.1％～2.0％、六偏磷酸钠0.1％～3.0％、苯并三氮唑0.1％～1.5％、十二烷基苯磺酸钠0.1％～2.0％、三乙醇胺1.0％～3.0％、钼酸钠0.1％～2.0％、磷酸三钠0.1％～1.0％、水性硼酸酯1.0％～4.0％、聚乙烯吡咯烷酮0.1％～3.0％，余量为去离子水。
3.根据权利要求1或2所述的一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液，其特征在于，所述聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠的重量比为1.5～2.0。
4.如权利要求1所述的一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在反应釜中加入去离子水，在搅拌过程中加入纳米二硫化钼，聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠；将溶液加热至60～80℃，实现对纳米二硫化钼颗粒的表面改性和分散；
2)将含有改性后二硫化钼纳米粒子的溶液加热至75～80℃进行保温，并持续搅拌30～40分钟；随后加入苯并三氮唑、十二烷基苯磺酸钠、三乙醇胺、钼酸钠、磷酸三钠，加热至80～85℃，搅拌35～45分钟；再加入水性硼酸酯和聚乙烯吡咯烷酮，停止加热，继续搅拌至室温；
3)将步骤2)所得溶液进行30～45分钟的超声分散，最终得到的黑色溶液即为高分散性纳米二硫化钼水基轧制液。
5.根据权利要求4所述的一种高分散性纳米二硫化钼水基轧制液的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，搅拌过程是采用转速为250～280转/分钟的搅拌器进行搅拌。
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