CN113046163A - 一种超低摩擦系数水基切削润滑液 - Google Patents

一种超低摩擦系数水基切削润滑液 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：多元醇40~60份，去离子水40~60份，质子型离子液体0.5~3份，纳米二维材料0.001~0.01份。本发明无毒环保，具有优异的润滑性能，表现为超低的摩擦系数，且制备方法简单。

Description

一种超低摩擦系数水基切削润滑液
技术领域
本发明涉及金属切削加工和润滑领域，尤其涉及一种超低摩擦系数水基切削润滑液。
背景技术
切削液（cutting fluid, coolant）是一种普遍应用在金属及其合金在切、削、磨等加工过程中，用来冷却和润滑刀具和加工件的工业用液体，主要起润滑、防锈、清洗、冷却的作用，从而减少刀具磨损，保证工件加工精度，节约能源和材料，提高生产效率。
切削液按介质种类可分为油基切削液和水基切削润滑液。油基切削液主要由矿物油、油性剂和添加剂组成，因其具有优良的润滑性能和防锈性能被广泛应用在工业领域，但在某些有火灾、爆炸危险和需要快速散热的特殊领域，油基切削液因其低闪点、易燃、导热系数小等缺点限制了其应用。此外，随着石油资源日益短缺，环境污染问题突出，导致油基切削液的成本提高。而常见的水基切削润滑液由醇胺或醇酯和去离子水混合，并加入各种添加剂，如消泡剂、防锈剂、分散剂、稳定剂、耐极压剂、抛光剂等，且存在摩擦系数高、润滑性能差、制备过程复杂、组分多、生产成本高、对环境污染严重等诸多缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无毒环保、润滑性能好的超低摩擦系数水基切削润滑液。
为解决上述问题，本发明所述的一种超低摩擦系数水基切削润滑液，其特征在于：该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：多元醇40~60份，去离子水40~60份，质子型离子液体0.5~3份，纳米二维材料0.001~0.01份。
该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：多元醇45~55份，去离子水45~55份，质子型离子液体1~2.5份，纳米二维材料0.005~0.0065份。
所述多元醇是指乙二醇、二乙二醇、聚乙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、丙三醇中的至少一种。优选乙二醇、1,3-丙二醇。
所述质子型离子液体由下述方法制得：将20 g磷酸酯加入到100 mL乙腈溶剂中，再加入与所述磷酸酯等物质量的烷基胺，于60℃搅拌6~12小时，经减压蒸馏除去溶剂，最后用无水乙醚洗涤，减压蒸馏除去乙醚，即得无色或淡黄色油状液体。
所述磷酸酯是指磷酸二丁酯、磷酸单丁酯、磷酸二乙酯中的至少一种。优选磷酸二丁酯。
所述烷基胺是指碳链为4~18的单甲胺、二甲胺、单乙胺、二乙胺中的至少一种。优选十二烷基二甲胺。
所述纳米二维材料是指羟基化氮化硼纳米片（HO-BNNs）、二维MXene纳米片、亲水性纳米二氧化硅（SiO2）、纳米金刚石中的至少一种。优选羟基化氮化硼纳米片。
所述羟基化氮化硼纳米片（HO-BNNs）由下述方法制得：将10 mg氮化硼（BN）粉末加入到50 mL去离子水中，于室温下持续超声48小时，然后将得到的白色液体在2000 r/min下离心15 min，取上层液，即得乳白色的羟基化氮化硼分散液。
所述氮化硼（BN）粉末的粒径为1μm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用质子型离子液体的水合作用和二维纳米材料的抛光作用实现超低摩擦，经摩擦学性能评价具有优异的润滑性能，表现为超低的摩擦系数（COF < 0.01）。
2、本发明中离子液体作为水合离子降低切削润滑液的剪切力，从而实现超低的摩擦系数。
3、本发明中二维材料的抛光和自修复作用保证了加工件表面的平整度，无需加入额外的抛光剂，从而作为表面抛光剂和自修复剂使接触表面平整，降低接触应力，加速实现稳定的超滑。
4、相对于传统切削润滑液，本发明制备方法简单、无毒环保，在超低摩擦过程中可长时间实现在钢-钢接触面时高载下的超滑，几乎不产生热量，节约能源并保证了生产安全。
5、对本发明切削润滑液的分散稳定性进行测试：
将HO-BNNs和普通BN加入到含有1.5 wt%磷酸二丁酯·十二烷基二甲胺离子液体(DMAP4)的乙二醇溶液（1:1, wt%）中，配制成65μg/mL的分散液，用超声波分散10 min。如图1所示，（a）为初始分散液，（b）为放置一周后的照片。从图1可以看出，经过羟基化处理后，纳米粒子带有官能团，使得HO-BNNs分散液的稳定性大幅度提升，明显好于没有修饰的BN。因此，本发明所得水基切削润滑液具有优异的分散稳定性，改性后的纳米颗粒不易团聚沉降。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明中HO-BNNs和BN在乙二醇水溶液中的分散稳定性照片，（a）为新鲜配制样品，（b）为放置5天后的照片。其中，I为乙二醇水溶液（wt%, 1:1）中添加1.5 wt%磷酸二丁酯·十二烷基二甲胺离子液体和0.0065 wt% 普通BN的分散液；II为乙二醇水溶液（wt%,1:1）中添加0.0065 wt% HO-BNNs的分散液；III为乙二醇水溶液（wt%, 1:1）中添加1.5 wt%磷酸二丁酯·十二烷基二甲胺离子液体和0.0065 wt% HO-BNNs的分散液。
图2为本发明中实施例1制备的切削润滑液摩擦系数曲线（a）和对应的磨斑直径（b）。插入图是摩擦曲线对应的放大区域。
图3为本发明中实施例2制备的切削润滑液摩擦系数曲线（a）和对应的磨斑直径（b）。插入图是摩擦曲线对应的放大区域。
图4为本发明中实施例3制备的切削润滑液摩擦系数曲线（a）和对应的磨斑直径（b）。插入图是摩擦曲线对应的放大区域。
图5为本发明中实施例4制备的切削润滑液摩擦系数曲线（a）和对应的磨斑直径（b）。插入图是摩擦曲线对应的放大区域。
图6为本发明中实施例5制备的切削润滑液摩擦系数曲线（a）和对应的磨斑直径（b）。插入图是摩擦曲线对应的放大区域。
图7为本发明中实施例6制备的切削润滑液摩擦系数曲线（a）和对应的磨斑直径（b）。插入图是摩擦曲线对应的放大区域。
图8为本发明中实施例7制备的切削润滑液摩擦系数曲线（a）和对应的磨斑直径（b）。插入图是摩擦曲线对应的放大区域。
图9为本发明中实施例8制备的切削润滑液摩擦系数曲线（a）和对应的磨斑直径（b）。插入图是摩擦曲线对应的放大区域。
图10为本发明中实施例9制备的切削润滑液摩擦系数曲线（a）和对应的磨斑直径（b）。插入图是摩擦曲线对应的放大区域。
图11为本发明中实施例10制备的切削润滑液摩擦系数曲线（a）和对应的磨斑直径（b）。插入图是摩擦曲线对应的放大区域。
图12为本发明中实施例11制备的切削润滑液摩擦系数曲线（a）和对应的磨斑直径（b）。插入图是摩擦曲线对应的放大区域。
图13为本发明中实施例12制备的切削润滑液摩擦系数曲线（a）和对应的磨斑直径（b）。插入图是摩擦曲线对应的放大区域。
具体实施方式
一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液按重量份（重量单位为g）数计，由下述组分混合均匀制成：多元醇40~60份，去离子水40~60份，质子型离子液体0.5~3份，纳米二维材料0.001~0.01份。优选：多元醇45~55份，去离子水45~55份，质子型离子液体1~2.5份，纳米二维材料0.005~0.0065份。
实施例1 一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：乙二醇50份，去离子水50份，磷酸二丁酯·十二烷基二甲胺离子液体1.5份，0.0065份HO-BNNs。
采用四球摩擦试验机（MS-10 A）测试所制备切削润滑液的摩擦学性能。试验所用钢球为φ= 12.7 mm的GCr15轴承钢球。测试条件为在室温下，载荷196 N，转速1200 r/min，长磨30min时的摩擦系数(COF)。采用XDS-0745D光学显微镜和MicroXAM 3D 非接触的表面测试仪测试钢球表面的磨斑直径。
结果如图2所示，该润滑体系在经历约500 s的跑合期后进入超滑状态（摩擦系数小于0.01），并保持超滑状态直至实验结束，磨斑直径（WSD）为0.690 mm。说明该体系有良好的润滑性能，此外，磨斑表面光滑平整，适用于做金属切削液。
实施例2 一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液同实施例1。
采用四球摩擦试验机（MS-10 A）测试所制备切削润滑液的摩擦学性能。试验所用钢球为φ= 12.7 mm的GCr15轴承钢球。测试条件为在室温下，载荷196 N，转速1450 r/min，长磨30min时的摩擦系数(COF)。采用XDS-0745D光学显微镜和MicroXAM 3D 非接触的表面测试仪测试钢球表面的磨斑直径。
结果如图3所示，同实施例1相比，增大转速至1450 r/min，该润滑体系在经历约500 s的跑合期后进入超滑状态（摩擦系数小于0.01），且摩擦系数更平稳，并保持超滑状态直至实验结束，磨斑直径（WSD）为0.715 mm。说明在更苛刻的测试调价下，该体系依旧有良好的润滑性能。此外，磨斑直径随转速增大而增大，但表面依旧光滑平整，适用于做金属切削液。
实施例3 一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：1，3-丙二醇50份，去离子水50份，磷酸二丁酯·十二烷基二甲胺离子液体1.5份，0.0065份HO-BNNs。
该切削润滑液的摩擦学性能评价测试条件同实施例1。
结果如图4所示，同实施例1相比，将乙二醇替换为1，3-丙二醇，该润滑体系在经历约100 s的跑合期后进入超滑状态（摩擦系数小于0.01），并保持超滑状态直至实验结束，磨斑直径（WSD）为0.6481mm。说明该体系的润滑性能良好，此外，磨斑直径变小，表面光滑平整，适用于做金属切削液。
实施例4 一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：乙二醇50份，去离子水50份，磷酸二丁酯·十六烷基二甲胺离子液体1.5份，0.0065份HO-BNNs。
该切削润滑液的摩擦学性能评价测试条件同实施例1。
结果如图5所示，同实施例1相比，将离子液体替换为磷酸二丁酯·十六烷基二甲胺，该润滑体系在经历约120 s的跑合期后进入超滑状态（摩擦系数小于0.01），并保持超滑状态直至实验结束，磨斑直径（WSD）为0.730 mm。说明该体系的润滑性能良好，此外，磨斑表面光滑平整，适用于做金属切削液。
实施例5 一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：乙二醇50份，去离子水50份，磷酸二丁酯·十六烷基二甲胺离子液体1.5份，0.01份MXene纳米片。
该切削润滑液的摩擦学性能评价测试条件同实施例1。
结果如图6所示，同实施例4相比，将纳米添加剂替换为MXene纳米片，该润滑体系在经历约200 s的跑合期后进入超滑状态（摩擦系数小于0.01），并保持超滑状态直至实验结束，磨斑直径（WSD）为0.713 mm。说明该体系的润滑性能良好，此外，磨斑表面光滑平整，适用于做金属切削液。
实施例6 一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液同实施例1。
该切削润滑液放置2周后，轻微振荡摇匀，再采用四球摩擦试验机（MS-10 A）测试所制备切削润滑液的摩擦学性能。试验所用钢球为φ= 12.7 mm的GCr15轴承钢球。测试条件为在室温下，载荷196 N，转速1200 r/min，长磨30min时的摩擦系数(COF)。采用XDS-0745D光学显微镜和MicroXAM 3D 非接触的表面测试仪测试钢球表面的磨斑直径。
结果如图7所示，将实施例1的润滑体系放置2周后，该润滑体系在经历约700 s的跑合期后进入超滑状态（摩擦系数小于0.01），并保持超滑状态直至实验结束，磨斑直径（WSD）为0.712 mm。说明该润滑体系的稳定性好，放置一段时间后依旧有良好的润滑性能，此外，磨斑表面光滑平整，适用于做金属切削液。
实施例7 一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：乙二醇50份，去离子水50份，磷酸二丁酯·十二烷基二甲胺离子液体3份，0.0065份HO-BNNs。
该切削润滑液的摩擦学性能评价测试条件同实施例1。
结果如图8所示，当离子液体的添加量为3份时，该润滑体系在经历约700 s的跑合期后进入超滑状态（摩擦系数小于0.01），并保持超滑状态直至实验结束，磨斑直径（WSD）为0.721 mm。说明该体系有良好的润滑性能，此外，磨斑表面光滑平整，适用于做金属切削液。
实施例8 一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：乙二醇50份，去离子水50份，磷酸二丁酯·十二烷基二甲胺离子液体0.5份，0.0065份HO-BNNs。
该切削润滑液的摩擦学性能评价测试条件同实施例1。
结果如图9所示，当离子液体的添加量为0.5份时，摩擦系数接近0.01，摩擦系数较低，磨斑直径（WSD）为0.749 mm。说明该体系有良好的润滑性能，此外，磨斑表面光滑平整，适用于做金属切削液。
实施例9 一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：乙二醇50份，去离子水50份，磷酸二丁酯·十二烷基二甲胺离子液体1.5份，0.1份HO-BNNs。
该切削润滑液的摩擦学性能评价测试条件同实施例1。
结果如图10所示，当HO-BNNs的添加量为0.1份时，该润滑体系在经历约1100 s的跑合期后进入超滑状态（摩擦系数小于0.01），并保持超滑状态直至实验结束，磨斑直径（WSD）为0.724 mm。说明该体系有良好的润滑性能，此外，磨斑表面光滑平整，适用于做金属切削液。
实施例10 一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：乙二醇50份，去离子水50份，磷酸二丁酯·十二烷基二甲胺离子液体1.5份，0.001份HO-BNNs。
该切削润滑液的摩擦学性能评价测试条件同实施例1。
结果如图11所示，当HO-BNNs的添加量为0.001份时，该润滑体系在经历约700 s的跑合期后进入超滑状态（摩擦系数小于0.01），并保持超滑状态直至实验结束，磨斑直径（WSD）为0.735 mm。说明该体系有良好的润滑性能，此外，磨斑表面光滑平整，适用于做金属切削液。
实施例11 一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：乙二醇40份，去离子水60份，磷酸二丁酯·十二烷基二甲胺离子液体1.5份，0.0065份HO-BNNs。
该切削润滑液的摩擦学性能评价测试条件同实施例1。
结果如图12所示，该润滑体系在经历约800 s的跑合期后进入超滑状态（摩擦系数小于0.01），并保持超滑状态直至实验结束，磨斑直径（WSD）为0.721 mm。说明该体系有良好的润滑性能，此外，磨斑表面光滑平整，适用于做金属切削液。
实施例12 一种超低摩擦系数水基切削润滑液，该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：乙二醇60份，去离子水40份，磷酸二丁酯·十二烷基二甲胺离子液体1.5份，0.0065份HO-BNNs。
该切削润滑液的摩擦学性能评价测试条件同实施例1。
结果如图13所示，该润滑体系在经历约550 s的跑合期后进入超滑状态（摩擦系数小于0.01），并保持超滑状态直至实验结束，磨斑直径（WSD）为0.720 mm。说明该体系有良好的润滑性能，此外，磨斑表面光滑平整，适用于做金属切削液。
上述实施例1~12中，多元醇是指乙二醇、二乙二醇、聚乙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、丙三醇中的至少一种。
质子型离子液体由下述方法制得：将20 g磷酸酯加入到100 mL乙腈溶剂中，再加入与磷酸酯等物质量的烷基胺，于60℃搅拌6~12小时，经减压蒸馏除去溶剂，最后用无水乙醚洗涤，减压蒸馏除去乙醚，即得无色或淡黄色油状液体。
磷酸酯是指磷酸二丁酯、磷酸单丁酯、磷酸二乙酯中的至少一种。
烷基胺是指碳链为4~18的单甲胺、二甲胺、单乙胺、二乙胺中的至少一种。
纳米二维材料是指羟基化氮化硼纳米片（HO-BNNs）、二维MXene纳米片、亲水性纳米二氧化硅（SiO2）、纳米金刚石中的至少一种。
羟基化氮化硼纳米片（HO-BNNs）由下述方法制得：将10 mg粒径为1μm的氮化硼（BN）粉末加入到50 mL去离子水中，于室温下持续超声48小时，然后将得到的白色液体在2000 r/min下离心15 min，取上层液，即得乳白色的羟基化氮化硼分散液。

Claims (9)

1.一种超低摩擦系数水基切削润滑液，其特征在于：该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：多元醇40~60份，去离子水40~60份，质子型离子液体0.5~3份，纳米二维材料0.001~0.01份。
2.如权利要求1所述的一种超低摩擦系数水基切削润滑液，其特征在于：该切削润滑液按重量份数计，由下述组分混合均匀制成：多元醇45~55份，去离子水45~55份，质子型离子液体1~2.5份，纳米二维材料0.005~0.0065份。
3.如权利要求1或2所述的一种超低摩擦系数水基切削润滑液，其特征在于：所述多元醇是指乙二醇、二乙二醇、聚乙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、丙三醇中的至少一种。
4.如权利要求1或2所述的一种超低摩擦系数水基切削润滑液，其特征在于：所述质子型离子液体由下述方法制得：将20 g磷酸酯加入到100 mL乙腈溶剂中，再加入与所述磷酸酯等物质量的烷基胺，于60℃搅拌6~12小时，经减压蒸馏除去溶剂，最后用无水乙醚洗涤，减压蒸馏除去乙醚，即得无色或淡黄色油状液体。
5.如权利要求4所述的一种超低摩擦系数水基切削润滑液，其特征在于：所述磷酸酯是指磷酸二丁酯、磷酸单丁酯、磷酸二乙酯中的至少一种。
6.如权利要求4所述的一种超低摩擦系数水基切削润滑液，其特征在于：所述烷基胺是指碳链为4~18的单甲胺、二甲胺、单乙胺、二乙胺中的至少一种。
7.如权利要求1或2所述的一种超低摩擦系数水基切削润滑液，其特征在于：所述纳米二维材料是指羟基化氮化硼纳米片、二维MXene纳米片、亲水性纳米二氧化硅、纳米金刚石中的至少一种。
8.如权利要求7所述的一种超低摩擦系数水基切削润滑液，其特征在于：所述羟基化氮化硼纳米片由下述方法制得：将10 mg氮化硼粉末加入到50 mL去离子水中，于室温下持续超声48小时，然后将得到的白色液体在2000 r/min下离心15 min，取上层液，即得乳白色的羟基化氮化硼分散液。
9.如权利要求8所述的一种超低摩擦系数水基切削润滑液，其特征在于：所述氮化硼粉末的粒径为1μm。
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