CN113122362B - 一种水基润滑剂及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水基润滑剂及其制备方法和用途，水基润滑剂包含液晶乳化剂、助乳化剂、基础油和水。该润滑剂制备过程简单，经济环保；含天然液晶乳化剂，所制备的润滑剂因含有溶致液晶结构而具有很好的亲肤性，不刺激皮肤；不含矿物油，不含硫、氯等生态污染元素，对环境友好；本发明的润滑剂可用作生物润滑剂、高端装备制造加工润滑剂。

Description

一种水基润滑剂及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种润滑剂，特别是涉及一种水基润滑剂及其制备方法和用途。

背景技术

相比于润滑油，水具有低廉易得、易清洗无污染等优点，是绿色润滑剂的理想来源。水的生物相容性高，可作为人工泪液、关节滑液等的载体；比热容高，在金属等材料制造加工过程中能起到清洁冷却的作用，提高防火安全性。然而无油纯水很难满足工业应用的润滑要求，油水乳化体系是一种创新的解决办法。采用乳化剂将润滑油相包裹在水分散相中达到均匀和稳定的目的，在摩擦润滑过程中油相析出，填充到摩擦副表面形成油性润滑膜，减小摩擦磨损的影响。

但是，水基润滑剂不具备油基润滑的高粘度高稳定性，不能满足生物润滑及高端装备制造加工等对润滑剂提出的更高要求：润滑性好、稳定性高、兼防锈和抗硬水性能、对人和生态环境安全友好。新型液晶润滑剂是具有潜力的研究对象。液晶在垂直表面上表现的晶体特性能提高负载能力，在滑动剪切方向表现的低粘度流体特性能及时填充接触面而降低摩擦系数。目前液晶乳液主要应用在化妆品和医学药物领域，在工业润滑应用中尚未见产品。Boschkova等人在2000年也报道了两亲物十六烷基三甲基溴化铵CTAB在表面上的润滑作用。Avilés等人综述了离子型液晶在摩擦学领域的研究进展，发现碳链上碳原子数大于12是液晶元的必要条件，强调了脂肪酸衍生物由于其可再生性和环保性对于其在润滑领域应用的优势。然而，溶致液晶的研究发展至今，使用的矿物或合成润滑剂多包含有害或有毒成分，例如多环芳烃、卤化物或磷元素等。对于新型绿色润滑剂和生物润滑剂的研究仍然需要深入。提高水的含量，降低油相和添加剂的比例，使用绿色可降解的液晶元都是可探索的方向。

等人用环氧乙烷对百香果油进行乙氧基化得到一种温和的非离子表面活性剂，制备60％浓度六方液晶溶液，用四球法考察其减摩抗磨性能发现摩擦系数显著降低了近4.5倍，磨痕直径降低了约2.5倍。同时，/>

等人还使用一种可低浓度在水溶剂中形成液晶的无害烷基聚糖苷用做润滑剂，烷基链长短的影响差异不明显。

此外，液晶乳化剂可生物降解，常作为化妆品、药品和家用产品中的成分。此类溶致液晶乳液不含氯、硫元素，能改善肤感，提高保湿性，生物安全性高，相对于传统水基润滑剂对人体更加友好。因此研究开发高润滑性的溶致液晶润滑剂具有十分重要的意义。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种水基润滑剂及其制备方法和用途，用于解决现有技术中水基润滑剂润滑性差和生物刺激生态污染的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。

本发明提供一种水基润滑剂，包括液晶乳化剂、助乳化剂、基础油和水。

根据上述所述的水基润滑剂，以水基润滑剂的重量为基准计，包含：不超过10wt％的液晶乳化剂，不超过10wt％的助乳化剂，不超过20wt％的基础油，余量为水。

根据上述所述的水基润滑剂，以水基润滑剂的重量为基准计，包含1～10wt％的液晶乳化剂。

根据上述所述的水基润滑剂，以水基润滑剂的重量为基准计，包含1～10wt％的助乳化剂。

根据上述所述的水基润滑剂，以水基润滑剂的重量为基准计，包含1～20wt％的基础油。

根据上述所述的水基润滑剂，液晶乳化剂是选自蔗糖酯类、硬脂酸酯类、聚醚类、葡萄糖苷类、聚甘油酯类、橄榄酯类、卵磷脂类乳化剂中的一种或多种。更优选地，所述液晶乳化剂为选自蔗糖椰油酸酯，鲸蜡醇聚醚，甘油硬脂酸酯，椰油基葡糖苷，聚甘油-10五硬脂酸酯，山梨坦橄榄油酸酯，氢化卵磷脂中的一种或多种。

根据上述所述的水基润滑剂，所述助乳化剂是脂肪醇。

根据上述所述的水基润滑剂，液晶乳化剂和助乳化剂以一定的比例复配才能形成稳定的乳液润滑剂。优选地，液晶乳化剂和助乳化剂的质量比为1：(0.1～5)。

根据上述所述的水基润滑剂，所述基础油为合成型基础油。优选地，所述基础油是聚α烯烃(简写为PAO)、烷基萘和可降解植物油中的一种或多种。

根据上述所述的水基润滑剂，液晶乳化剂和助乳化剂的质量之和与基础油的质量比为1：(0.5～3)。

本发明还公开了如上述所述的水基润滑剂的制备方法，包括如下步骤：

1)先将液晶乳化剂、助乳化剂和基础油熔融混合制备油相；

2)将油相分散在水中。

根据上述所述的制备方法，熔融混合温度为60～100℃。

根据上述所述的制备方法，熔融混合时和分散时均需搅拌。

根据上述所述的制备方法，水的温度与熔融温度一致。

本发明还公开了如上述所述的水基润滑剂用作生物润滑剂的用途。由于水基润滑剂是水分散体系，非常适合应用于润滑剂基础油不能使用的生物润滑领域。

本发明还公开了如上述所述的水基润滑剂用作加工润滑剂的用途。

本发明提供一种水基润滑剂及其制备方法和用途，摩擦试验结果表明，相比于水，该水基润滑剂能把摩擦系数降低20％～80％。该润滑剂制备过程简单，经济环保；含天然液晶乳化剂，所制备的润滑剂因含有溶致液晶结构而具有很好的亲肤性，不刺激皮肤；不含矿物油，不含硫、氯等生态污染元素，对环境友好。

附图说明

图1为实施例1实验组1-1的液晶润滑剂在偏光显微镜下的图像(400x)；

图2为实施例1中对照组1-1、1-2、1-3的摩擦系数曲线；

图3为实施例1中实验组1-1、1-2、1-3的摩擦系数曲线；

图4为实施例1中实验组1-1的磨痕三维形貌；

图5为实施例2中实验组2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6的摩擦系数曲线。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

本申请发明人创新获取一种水基润滑剂，包括润滑剂基础油、液晶乳化剂、助乳化剂和水，相比于水，该水基润滑剂能把摩擦系数降低20％～80％。其属于水基润滑剂，不含矿物油，不含硫、氯等刺激人体和生态污染元素，对环境友好；所采用的溶致液晶乳化剂来源于天然产物，且具有良好的亲肤性，不刺激皮肤。

本申请中的润滑剂在形成水包油乳化体系时，因具有溶致液晶的层状相织构，其能够在垂直表面上表现出晶体特性从而提高负载能力，在滑动剪切方向表现出低粘度流体特性能及时填充接触面而降低摩擦系数，所以溶致液晶润滑剂能够提供优良的减摩和润滑性能。

在形成水包油乳化体系时，本申请中的润滑剂液晶元属于溶致液晶，其不同于热致液晶，通过控制乳化剂在溶剂中的浓度即可得到不同液晶含量的溶致液晶润滑剂，不受限于使用环境中温度的变化，非常适合作为生物润滑剂和加工润滑剂使用。

具体地，液晶乳化剂是选自蔗糖酯类、硬脂酸酯类、聚醚类、葡萄糖苷类、聚甘油酯类、橄榄酯类、卵磷脂类乳化剂中的一种或多种。更优选地，所述液晶乳化剂为选自蔗糖椰油酸酯，鲸蜡醇聚醚，甘油硬脂酸酯，椰油基葡糖苷，聚甘油-10五硬脂酸酯，山梨坦橄榄油酸酯，氢化卵磷脂中的一种或多种。

优选地，所述助乳化剂是脂肪醇。更优选地，所述脂肪醇为碳原子个数为10～30的脂肪醇，如十六醇或十八醇等。

优选地，所述基础油是聚α烯烃(简写为PAO)、烷基萘和可降解植物油中的一种或多种。更优选地，所述聚α烯烃在40℃下的运动粘度为5～50cst，如可以选自PAO2、PAO4、PAO6、PAO8或PAO10。更优选地，所述烷基萘在40℃下的运动粘度为20～200cst,如可以选择AN5、AN12或AN15。更优选地，所述可降解植物油选自环氧大豆油、蓖麻油中的一种或多种。

申请人还通过实验发现，仅液晶乳化剂或助乳化剂并不能得到稳定的水包油润滑体系，发生两相分层或破乳现象。液晶乳化剂和助乳化剂以一定的比例复配才能形成稳定的乳液润滑剂。优选地，液晶乳化剂和助乳化剂的质量比为1：(0.1～5)；如可以为1:0.5、1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5、1:5。优选地，以水基润滑剂的重量为基准计，包含：不超过10wt％的液晶乳化剂，不超过10wt％的助乳化剂，不超过20wt％的基础油，余量为水。优选地，以水基润滑剂的重量为基准计，包含1～10wt％的液晶乳化剂，如其含量可以为2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％或9wt％。优选地，以水基润滑剂的重量为基准计，包含1～10wt％的助乳化剂，如其含量可以为2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％或9wt％。优选地，以水基润滑剂的重量为基准计，包含1～20wt％的基础油，如其含量可以为2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％或19wt％。优选地，液晶乳化剂和助乳化剂的质量之和与基础油的质量比为1：(0.5～3)，如为1:0.5、1:1、1:1.5、1:2、1:2.5或1:3。

本申请中所述水基润滑剂的制备方法，包括如下步骤：先将液晶乳化剂、助乳化剂和基础油混合熔融制备油相；将油相分散在水中。

上述所述熔融温度为60～100℃；水的温度与熔融温度一致。通过在这一温度内保证液晶乳化剂和助乳化剂熔融完全形成流动相，这一流动相与基础油混合，在这一过程中可以伴随有搅拌等措施以避免局部过热发生变质发黄。如可以为60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、或100℃。

为了进一步说明本申请中水基润滑剂的方案及效果，采用如下具体实施例做进一步说明。

本发明下述具体实施例中：所述助乳化剂是十八醇；形成水包油乳化体系的方法具体为：将液晶乳化剂、助乳化剂和基础油，在85℃下混合熔融制备油相；机械搅拌下，将油相缓慢加入85℃水中，900rpm速度下搅拌30分钟后停止加热，将乳液润滑剂在200rpm速度下搅拌冷却至室温。

本申请中摩擦系数的测试方法为：采用美国Bruker公司的UMT-Tribolab摩擦磨损试验机进行摩擦学测试。采用UMT的往复模式研究液晶润滑剂相对于润滑的突出作用。上球为直径6mm的轴承钢球，下盘为20mm×20mm的304不锈钢钢片。施加负载5N，往返频率4Hz，行程10mm，摩擦时间10min得到摩擦曲线。利用Counter-GT测量了摩擦测试后磨损表面的三维形貌图。

实施例1

基础油采用聚α烯烃中的PAO4、烷基萘AN12和可生物降解植物油中的环氧大豆油。液晶乳化剂采用蔗糖椰油酸酯，助乳化剂采用十八醇。同时采用水、纯基础油分别作为对照组1-1和对照组1-2，以与实验组对比。

本发明的对照组1-3与上述实验组的制备步骤相似，但在停止加热后，先8000rpm均质5分钟，再超声破碎液晶10分钟，最后再在低速搅拌下将乳液润滑剂冷却至室温。

重量比例和润滑效果如表1所示。

表1

样品编号	基础油10％	液晶乳化剂1％	助乳化剂3％	有无液晶相	平均摩擦系数
						对照组1-1	/	/	/	无	0.491
对照组1-2	PAO4	/	/	无	0.149
						对照组1-3	PAO4	蔗糖椰油酸酯	十八醇	无	0.099
实验组1-1	PAO4	蔗糖椰油酸酯	十八醇	有	0.076
						实验组1-2	烷基萘AN12	蔗糖椰油酸酯	十八醇	有	0.080
实验组1-3	环氧大豆油	蔗糖椰油酸酯	十八醇	有	0.081

由表1上可以看出：使用不同的基础油和复配液晶乳化剂都能形成水基润滑剂，和水相比平均摩擦系数降低80％左右，和纯基础油相比降低30-50％，减摩润滑效果突出；而溶致液晶在乳液的亚稳态下可以经过均质和超声破碎破坏油水界面的有序排列，作为对照证明液晶相含量越高的润滑剂减摩效果越好。

图1为实施例1实验组1-1的液晶润滑剂在偏光显微镜下的图像(400x)；可以看出液晶在偏光下呈十字花荧光，高倍下可见层状液晶包裹液滴，在液滴表面吸附排列。

图2为实施例1中对照组1-1、1-2、1-3的摩擦系数曲线；可以看出水基润滑剂即使在使用均质和超声破碎大大减少液晶含量后，减摩润滑效果仍然比单独的水和纯基础油突出。跑合期短，摩擦系数随着摩擦时间的增长而稳定，平均摩擦系数大大降低。

图3为实施例1中实验组1-1、1-2、1-3的摩擦系数曲线；可以看出使用不同油相制备的溶致液晶润滑剂都能保持较低的平均摩擦系数。

图4为实施例1中实验组1-1的磨痕三维形貌；可以看出摩擦磨痕的深度浅，宽度窄，实验组1-1的润滑效果明显。

实施例2

液晶乳化剂另选取鲸蜡醇聚醚(聚醚类)、甘油硬脂酸酯(硬脂酸酯类)、椰油基葡糖苷(糖苷类)、聚甘油-10五硬脂酸酯(聚甘油酯类)、山梨坦橄榄油酸酯(橄榄酯类)、氢化卵磷脂(卵磷脂类)制备不同种类液晶润滑剂，重量比例和润滑效果如表2所示。

表2

由表上可以看出：使用不同种类的液晶乳化剂以及不同配方比例，在一定范围内制备的溶致液晶润滑剂都能保持较低的平均摩擦系数。图5为实施例2中实验组2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6的摩擦系数曲线，可以看出溶致液晶润滑剂跑合期短，摩擦系数随着摩擦时间的增长而稳定，配方比例对减摩润滑效果有一定的影响。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种水基润滑剂，其特征在于，由液晶乳化剂、助乳化剂、基础油和水组成；所述液晶乳化剂为选自蔗糖椰油酸酯，鲸蜡醇聚醚，甘油硬脂酸酯，椰油基葡糖苷，聚甘油-10 五硬脂酸酯，山梨坦橄榄油酸酯，氢化卵磷脂中的一种或多种；所述助乳化剂是脂肪醇；液晶乳化剂和助乳化剂的质量比为1：（0.1~5），所述水基润滑剂为水包油乳化体系；以水基润滑剂的总质量为基准计：液晶乳化剂的含量不超过10wt%，所述助乳化剂的含量不超过10wt%，所述基础油的含量不超过20wt%；所述基础油是聚α烯烃、烷基萘和可降解植物油中的一种或多种；所述脂肪醇为碳原子个数为10~30的脂肪醇。

2.根据权利要求1所述的水基润滑剂，其特征在于，所述脂肪醇为十六醇或十八醇。

3.根据权利要求1所述的水基润滑剂，其特征在于，以水基润滑剂的总质量为基准计：所述液晶乳化剂的含量为1~10wt%；

和/或，所述助乳化剂的含量为1~10wt%；

和/或，所述基础油的含量为1~20wt%。

4.根据权利要求1所述的水基润滑剂，其特征在于，液晶乳化剂和助乳化剂的质量之和与基础油的质量比为1：（0.5~3）。

5.一种如权利要求1~4任一项所述的水基润滑剂的制备方法，其特征在于，所述水包油乳化体系的制备方法为：将液晶乳化剂、助乳化剂和基础油，混合熔融后制备油相；机械搅拌下，将油相缓慢加入水中，搅拌后停止加热，将乳液润滑剂搅拌冷却至室温。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，熔融温度为60~100℃；和/或，熔融温度与水的温度一致；

和/或，油相缓慢加入水中时，搅拌速度为900rpm，搅拌时间为30min；

和/或，停止加热后，搅拌速度为200rpm。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，熔融混合时和分散时均需搅拌。

8.一种如权利要求1~4任一项所述的水基润滑剂用作生物润滑剂的用途。

9.一种如权利要求1~4任一项所述的水基润滑剂用作加工润滑剂的用途。

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