CN115161103A - 一种高润滑性的石墨/聚四氟乙烯润滑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高润滑性的石墨/聚四氟乙烯润滑剂及其制备方法，属于金属塑性成形加工工艺中用润滑技术领域。按质量分数计，包括以下组分：石墨5％～10％、聚四氟乙烯乳液20％～25％、六方氮化硼0.1％～5％、羧甲基纤维素盐0.1％～10％、聚丙烯酰胺0.1％～10％、消泡剂0.1％～10％、润湿分散剂0.5％～1％、无水乙醇1％～15％、水余量。本发明通过在石墨中填充聚四氟乙烯,第一，改善聚四氟乙烯材料结构及其导热性能，使得摩擦界面产生的大量摩擦热迅速传递出去,保障了材料结构的稳定性；第二，增强聚四氟乙烯的强度，提高了材料耐磨性能；第三，还与聚四氟乙烯的转移膜机理有关，有利于聚四氟乙烯转移膜的形成，磨损类型发生变化。

Description

一种高润滑性的石墨/聚四氟乙烯润滑剂及其制备方法

技术领域

本发明属于金属塑性成形加工工艺中用润滑技术领域，具体涉及一种高润滑性的石墨/聚四氟乙烯润滑剂及其制备方法。

背景技术

目前我国装备制造业已进入世界装备制造业大国行列，但与日本、欧美等制造业强国还存在一定差距。其中，金属成型加工工艺又是装备制造业发展的关键所在。而在金属塑性成形的过程中，摩擦是不可避免的，金属间的摩擦会导致剧烈的热效应和模具表面受损，从而影响金属制品表面质量和模具寿命，造成大量的材料与能源浪费，因此在实际加工过程中减少摩擦必不可少。在加工过程中使用润滑剂是降低摩擦的一种有效途径，选用合适的润滑剂来减少摩擦以提高表面质量，减缓磨损以提高模具的使用寿命。

传统工艺上多采用磷皂化润滑工艺对金属表面进行润滑，以达到减少摩擦的需求。然而磷皂化润滑工艺污染大，对环境造成了极大的危害，同时在石油资源逐渐匮乏、成本上升的情况下，石油基润滑剂越来越不符合企业生产的需求。对比油基润滑剂，水基润滑剂具有资源丰富、价格低廉、环保以及冷却性能好、不易燃烧等优势，符合可持续发展的形势，也是未来新型润滑剂的发展趋势。

但水剂又存在着润滑性不够、成膜性低、粘附能力差且容易被微生物污染而变质、腐败，影响其使用寿命等缺点，需要通过加入稠化剂、极压添加剂、分散剂、防锈剂、油性剂等对水进行适当的改性，满足实际生产需要。虽然在水剂中添加石墨颗粒，可以形成的稳定的分散液，在一定程度上改善水剂的摩擦学性能，但并未能解决金属塑性加工用的润滑剂普遍存在的润滑性能和耐磨性能差的缺陷。因此，开发一种润滑性能与耐磨性能都较好的金属塑性加工用功能化石墨/聚四氟乙烯润滑剂极具现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有石油基润滑剂环境不友好的缺陷，提供一种环保型且润滑性能良好的水基润滑剂，在保证水基润滑剂良好特性的同时，一定程度上提高润滑剂的分散性与粘附性，减少摩擦磨损对塑性成形加工过程的影响，另外还提出了该石墨润滑剂的制备方法，该制备方法在将制备的润滑剂主体试剂组分溶解后，再加入润滑剂助剂组份，以保证润滑主体良好的分散性和稳定性，提高水基润滑剂的使用性能。

本发明采取以下技术方案来实现：

一种高润滑性的石墨/聚四氟乙烯润滑剂，按质量分数计，包括以下组分：

石墨5％～10％、聚四氟乙烯乳液20％～25％、六方氮化硼0.1％～5％、羧甲基纤维素盐0.1％～10％、聚丙烯酰胺0.1％～10％、消泡剂0.1％～10％、润湿分散剂0.5％～1％、无水乙醇1％～15％、水余量。

优选的，按质量分数计，还包括缓蚀剂0.1％～10％、氧化镁1％～5％、磷酸盐1％～4.5％。

更进一步的，上述润滑剂，按质量分数计，包括以下组分：石墨7％、聚四氟乙烯乳液22％、六方氮化硼1％、羧甲基纤维素盐1％、聚丙烯酰胺1％、磷酸盐4％、消泡剂1％、润湿分散剂0.8％、缓蚀剂1％、氧化镁2％、无水乙醇6％、余量水。

优选的，所述聚四氟乙烯乳液的浓度为15～25wt％；六方氮化硼的粒径为3～5μm。

优选的，所述消泡剂为甲基硅油、氨基硅油和聚醚类中的一种。

优选的，所述润湿分散剂为支链脂肪醇烷氧基化物。

优选的，所述羧甲基纤维素盐为羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾或者羧甲基纤维素铵中的一种。

优选的，所述磷酸盐为磷酸二氢铵、磷酸氢钠铵中的一种。

优选的，所述缓蚀剂为硼酸和钼酸钠中的一种。

上述润滑剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、按配比先将羧甲基纤维素盐、无水乙醇、去离子水搅拌混合；

S2、再按配比依次加入聚四氟乙烯乳液、六方氮化硼、氧化镁、聚丙烯酰胺、磷酸盐、缓蚀剂、润湿分散剂、消泡剂、石墨粉搅拌混合，制得石墨/聚四氟乙烯润滑剂。

优选的，在S1、S2中，搅拌次数均为3～5次；搅拌时间均为30～60min。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用石墨与聚四氟乙烯的协同作用，表现出了比纯聚四氟乙烯和纯石墨更低的摩擦系数，即石墨的加入降低了聚四氟乙烯的摩擦系数，对比于纯聚四氟乙烯润滑剂摩擦系数降低了0.4，对比于纯石墨润滑剂摩擦系数降低了0.6；

(2)通过往石墨中填充聚四氟乙烯,改善了材料的结构及其导热性能，使得摩擦界面产生的大量摩擦热能够迅速传递出去,保障了材料结构的稳定性；

(3)聚四氟乙烯有许多的团聚体，吸附在基体表面上，当垂直载荷向下时，二维结构中的强共价键和基体之间的弱范德华力将产生水平剪切应力，从而形成具有大表面积的柔性二维结构；基体的柔性二维结构可以将垂直方向上的载荷转移并驱动到另一个区域，从而使整个表面上的载荷小而均匀；

(4)增强了聚四氟乙烯的强度，有利于材料耐磨性能的提高；

(5)有利于聚四氟乙烯转移膜的形成，磨损类型发生变化，同时摩擦界面也有金属对磨塑料转变成塑料对磨塑料，磨损自然降低；

(6)另外将润滑剂的主体试剂组分溶解后，在加入润滑剂助剂组份，保证润滑主体良好的分散性和稳定性，提高水基润滑剂的使用性能。

附图说明

图1为实施例1中石墨/聚四氟乙烯润滑剂的摩擦系数曲线图；

图2为对比例1中只添加聚四氟乙烯的润滑剂摩擦系数曲线图；

图3为对比例2中只添加石墨的润滑剂摩擦系数曲线图；

图4为本发明中石墨/聚四氟乙烯润滑剂的SEM图：

图5为本发明中不同润滑剂在涂层附着力性能测试图；其中(1)为石墨/聚四氟乙烯润滑剂在涂层附着力性能测试图；(2)为聚四氟乙烯润滑剂在涂层附着力性能测试图；(3)为石墨润滑剂在涂层附着力性能测试图；

图6为本发明在涂覆一个月后，石墨/聚四氟乙烯润滑剂涂层附着力性能测试图。

具体实施方式

为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

一种高润滑性的石墨/聚四氟乙烯润滑剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、按配比将质量份数为1份的羧甲基纤维素钾与质量份数为6份的无水乙醇在水中进行搅拌混合溶解，溶解均匀后倒入烧杯中，搅拌次数为3-5次，每次搅拌时间为30-60min；

S2、再按配比依次加入质量份数为22份的聚四氟乙烯乳液、质量份数为1份数的六方氮化硼(粒径为3～5μm)、质量份数为2份的氧化镁、质量份数为1份的聚丙烯酰胺、质量份数为4份的磷酸二氢铵、质量份数为1份的钼酸钠、质量份为0.8份的支链脂肪醇烷氧基化物、质量份为1份的氨基硅油、质量份数为7份的石墨，混合物总质量份数为100份)，采用磁力搅拌器搅拌3-5次，每次搅拌时间为30-60min，搅拌完成后，得石墨/聚四氟乙烯润滑剂。

将上述配制的石墨/聚四氟乙烯润滑剂涂覆于45号钢薄片中，利用HT-1000高温摩擦磨损试验仪进行摩擦性能测试(各时间段的摩擦系数结果见表1和图1)，采用的对磨球为GCr15钢球，摩擦时间为30min，频率设置为10Hz，得到的平均摩擦系数为0.10。

表1石墨/聚四氟乙烯润滑剂在各时间段的摩擦系数

对比例1

一种润滑剂的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，不同在于，主体试剂为聚四氟乙烯，不含石墨，混合物总质量份数也为100份(其中混合物在除去石墨外，不足部分用水补足)，具体配置步骤除在S2中不加入石墨外，且其余步骤与实施例相同。

采用与实施例1相同的摩擦性能测试方法，得到的平均摩擦系数为0.14，实验结果如图2和表2所示。

表2聚四氟乙烯润滑剂在各时间段的摩擦系数

对比例2

一种润滑剂的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，不同在于，主体试剂为石墨，不含聚四氟乙烯，混合物总质量份数也为100份(其中混合物在除去石墨外，不足部分用水补足)，具体配置步骤除不在S2中加入聚四氟乙烯乳液外，其余步骤与实施例相同。

采用与实施例1相同的摩擦性能测试方法，得到的平均摩擦系数为0.16，实验结果如图3和表3所示。

表3石墨润滑剂在各时间段的摩擦系数

时间(min)	石墨润滑剂的摩擦系数
		0-1	0.126
1-2	0.132
		2-3	0.141
3-4	0.144
		4-5	0.149
5-6	0.151
		6-7	0.155
7-8	0.163
		8-9	0.166
9-10	0.164
		10-11	0.164
11-12	0.164
		12-13	0.159
13-14	0.154
		14-15	0.152
15-16	0.152
		16-17	0.16
17-18	0.162
		18-19	0.171
19-20	0.181
		20-21	0.182
21-22	0.177
		22-23	0.17
23-24	0.173
		24-25	0.162
25-26	0.161
		26-27	0.161
27-28	0.168
		28-29	0.171
29-30	0.181

结合表1、2、3和图1、2、3，可得出利用石墨与聚四氟乙烯的协同作用，表现出了比纯聚四氟乙烯更低的摩擦系数，即石墨的加入降低了聚四氟乙烯的摩擦系数，对比于纯聚四氟乙烯润滑剂摩擦系数降低了0.4，对比于纯石墨润滑剂摩擦系数降低了0.6；

结合图4，可得通过往石墨中填充聚四氟乙烯,改善了材料的结构及其导热性能，使得摩擦界面产生的大量摩擦热能够迅速传递出去,保障了材料结构的稳定性，聚四氟乙烯有许多的团聚体，吸附在基体表面上。当垂直载荷向下时，二维结构中的强共价键和基体之间的弱范德华力将产生水平剪切应力，从而形成具有大表面积的柔性二维结构。基体的柔性二维结构可以将垂直方向上的载荷转移并驱动到另一个区域，从而使整个表面上的载荷小而均匀。

将实施例1、对比例1、对比例2三者进行磨损量对比实验，实验结果见表4。

表4不同润滑剂的磨损量

根据表4可知，在同样的实验条件下对钢材表面进行摩擦磨损实验，可以发现，表面涂覆石墨/聚四氟乙烯润滑剂的试样磨损量0.03％-0.04％，远低于对比例1和2的试样磨损量，为此，实施例1与对比例1、2比较，实施例1除了具有摩擦系数较低的优势之外，在耐磨性上也具有优势，从而增强了聚四氟乙烯的强度，有利于材料耐磨性能的提高。

另外结合图1、2和表3，可得石墨的加入，还与聚四氟乙烯的转移膜机理有关，即加入石墨有利于聚四氟乙烯转移膜的形成，磨损类型发生变化，同时摩擦界面也有金属对磨塑料转变成塑料对磨塑料，磨损自然降低，另外将润滑剂的主体试剂组分溶解后，在加入润滑剂助剂组份，保证润滑主体良好的分散性和稳定性，提高水基润滑剂的使用性能。

分别对实施例1、对比例1、2进行涂层附着力性能测试，具体见表5。

表5涂层附着力性能测试网格数量对比

类别	润滑剂粘附网格数量(个)	网格划分总数(个)	占比(％)
				实施例1	91	100	91
对比例1	81	100	81
				对比例2	74	100	74

结合图5和表5所进行的涂层性能测试，根据实验后仍旧粘附各润滑剂的网格数量对各润滑剂的附着力进行数据计算，对比石墨/聚四氟乙烯润滑剂的粘附能力比其他两种润滑剂的附着力强。

需要说明的是，本发明中的主体试剂为石墨，呈灰黑色、不透明固体颗粒，化学性质稳定，耐腐蚀，同酸、碱等药剂不易发生反应。在氧气中燃烧生成二氧化碳，可被强氧化剂如浓硝酸、高锰酸钾等氧化。可用作抗磨剂、润滑剂，高纯度石墨用作原子反应堆中的中子减速剂，还可用于制造石墨纤维、换热器、冷却器等。

本发明中的主体试剂聚四氟乙烯，是高分子聚合物，白色蜡状，具有独特的全氟碳结构，这种特殊的结构使其具有优异的化学稳定性、耐高低温。同时具有良好的抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，可用作润滑剂。

六方氮化硼为白色晶体，耐高温，耐强酸腐蚀，化学性能极为稳定。六方氮化硼中氮和硼组成六角网状层面，互相重叠，构成晶体，石墨相似，具有反磁性及很高的异向性，晶体参数两者也颇为相近。

羧甲基纤维素盐具有一定的增稠乳化作用以及一定的亲水性和复水性，用于稳定润滑剂并增加其润滑性；其具有一定的凝胶作用，有利于形成凝胶，可以作为涂膜材料，与其他增稠剂复配使用，且无毒无害。

聚丙烯酰胺是一种线型高分子聚合物，热稳定性良好，能以任意比例溶于水，由于其结构单元中含有酰胺基、易形成氢键、使其具有良好的水溶性和很高的化学活性，易通过接枝或交联得到支链或网状结构的多种改性物。其具有良好的絮凝性，可以降低液体之间的摩擦阻力，从而更有效的增强润滑剂的分散性能。

磷酸盐在标准状态下不可溶于水，能够在金属表面形成一层致密的层膜，防止氧化生锈。

消泡剂能够在润滑剂在搅拌时抑制其产生的泡沫，从而降低对润滑剂性能的影响。

润湿分散剂主要成分为支链脂肪醇烷氧基化物，易溶于水，能够分散多种无机、有机颜料，稳定性好，在碱性介质中能显著增强水性树脂和乳液相容性。

缓蚀剂为钼酸钠。其中，钼酸钠是一种无机物，为白色菱形结晶体。钼酸盐常与聚磷酸盐、葡萄糖酸盐、锌盐、苯并三氮唑复配使用，可获得较好的缓蚀效果，这样不仅可以减少钼酸盐的使用量，而且可以提高缓蚀效果。

氧化镁是一种碱性氧化物，属于胶凝材料，无臭无味无毒，常温下为白色固体，溶于酸和铵盐溶液，不溶于酒精。氧化镁具有良好的吸附性，可以做摩擦材料使用。

无水乙醇为乳化剂，乙醇能与水以任意比互溶，无水乙醇中乙醇的浓度为99.5％，易挥发、无毒，是重要的有机溶剂，广泛用于医药、涂料等各个方面。无水乙醇能够有效地包裹纤维素盐类分散剂，使其在水中完全溶解并增强润滑剂的分散性能，提高润滑剂的润滑性能。

将实施例1涂覆好的试样放置于空气中观察，如图6所示，在一个月的观察期内，石墨/聚四氟乙烯润滑剂试样不会生锈，零件表面存在着一层薄膜，薄膜保护基体试样不被腐蚀生锈。

经实验验证，本发明的石墨/聚四氟乙烯润滑剂具有良好的润滑性和耐磨性，在保证水基润滑剂良好特性的同时，一定程度上提高了润滑剂的分散性与粘附性，减少摩擦增加工件成形准确性和提高表面质量，减少摩擦磨损对塑性成形加工过程的影响，减缓磨损以提高模具的使用寿命。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高润滑性的石墨/聚四氟乙烯润滑剂，其特征在于：按质量分数计，包括以下组分：

石墨5％～10％、聚四氟乙烯乳液20％～25％、六方氮化硼0.1％～5％、羧甲基纤维素盐0.1％～10％、聚丙烯酰胺0.1％～10％、消泡剂0.1％～10％、润湿分散剂0.5％～1％、无水乙醇1％～15％、水余量。

2.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于：按质量分数计，还包括缓蚀剂0.1％～10％、氧化镁1％～5％、磷酸盐1％～4.5％。

3.根据权利要求1所述高润滑性的石墨/聚四氟乙烯润滑剂，其特征在于，所述聚四氟乙烯乳液浓度为15～25wt％；六方氮化硼的粒径为3～5μm。

4.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述消泡剂为甲基硅油、氨基硅油和聚醚类中的一种。

5.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述润湿分散剂为支链脂肪醇烷氧基化物。

6.根据权利要求1所述的润滑剂，其特征在于，所述羧甲基纤维素盐为羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾或者羧甲基纤维素铵中的一种。

7.根据权利要求2所述的润滑剂，其特征在于，所述磷酸盐为磷酸二氢铵或磷酸氢钠铵。

8.根据权利要求2所述的润滑剂，其特征在于，所述缓蚀剂为硼酸或钼酸钠。

9.权利要求1～8任一项所述高润滑性的石墨/聚四氟乙烯润滑剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、按配比先将羧甲基纤维素盐、无水乙醇、去离子水搅拌混合；

S2、再按配比依次加入聚四氟乙烯乳液、六方氮化硼、氧化镁、聚丙烯酰胺、磷酸盐、缓蚀剂、润湿分散剂、消泡剂、石墨粉搅拌混合，制得石墨/聚四氟乙烯润滑剂。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在S1、S2中，搅拌次数均为3～5次；搅拌时间均为30～60min。

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