改性微纳米TiO2用于改进水基切削液润滑性能的研究

＊石文杰 穆志军 白玉香 吕祎彤

（西北民族大学化工学院 甘肃 730000）

改性微纳米TiO2用于改进水基切削液润滑性能的研究

＊石文杰 穆志军 白玉香 吕祎彤

（西北民族大学化工学院 甘肃 730000）

采用溶胶-凝胶法（Sol-Gel法）水解钛酸四正丁酯制得微纳米TiO2，并利用硅烷偶联剂KH550对微纳米TiO2进行表面改性。将制得的微纳米TiO2-KH550添加到水基金属切削液中，经沉降实验和红外实验分析结果表明，实验制得的微纳米TiO2-KH550同时具有良好的亲水性及分散稳定性；其润滑性能较国内其他普通的水基金属切削液有了较为明显的提高，PB值可达到721N。

润滑；微纳米TiO2；表面修饰；金属切削液

随着全球范围内能源危机和环境污染日趋严峻，对金属加工行业也提出了实行节能减排、清洁生产的要求。油基金属切削液在使用过程中存在着易腐败变质、油泥难处理等诸多问题，而且难以满足日渐苛刻的生产条件，而水基切削液由于具有导热系数大,冷却、润滑和防锈性能好等优点受到越来越多的关注、发展迅速，在机械加工工业中已被广泛采用，但也存在着润滑性能不足、防腐性能差等问题。然而随着微纳米润滑技术的提出及发展为解决油基润滑剂存在的问题和水基切削液的缺点提供了新的思路。微纳米微球作为具有“滚动”特性的新型润滑剂得到了广泛的研究，通过对微纳米材料的表面修饰，使之在基体材料中纳米级分散制备应用纳米复合材料改善水基金属切削液的润滑性能，经过修饰的微纳米固体添加剂应用于水基金属切削液具有明显的理论创新和广泛的应用前景。

本文采用Sol-Gel法制得微纳米TiO2再利用偶联剂对微纳米TiO2进行了表面改性采用傅里叶（FT-IR）以及沉降试验对改性效果进行了分析表征，测定了微纳米在水基体系中的分散稳定性。按照一定工艺流程制备了效果优良的新型水基微纳米金属液，并依照GB/T6144-2010《合成切削液》对其抑泡性、腐蚀性、防锈性以及润滑性进行了检测，主要为润滑性能检测。

1.实验

(1)材料与仪器

①主要原料与试剂

试剂 纯度 生产厂家钛酸四正丁酯 分析纯 上海试剂三厂聚乙二醇 分析纯 陇西凯华化工有限责责公司

KH550（含量≥98%） 分析纯 济南国邦化工有限公司无水乙醇 色谱纯 西安蓝宇化工原料有限公司三乙醇胺 分析纯 永新化工厂

②主要实验仪器和设备

仪器名称 型号 生产厂家电子天平 JA2003N 上海精密科学仪器有限公司磁力加热搅拌仪 N78-双控 郑州长城科工贸有限公司四球立式摩擦磨损MM-W1A 济南益华摩擦学测试技术有试验机 限公司傅里叶红外光谱仪 IR-6700 美国尼高立电热恒温鼓风干燥箱 DHG-9070A 上海森信实验仪器有限公司

(2)微纳米TiO2粒子的制备

取15ml钛酸四正丁酯缓慢加入到90ml无水乙醇中，加入10wt%的聚乙二醇作为分散剂，超声10min后再磁力搅拌15min，使其形成均匀的淡黄色溶液。再将10ml蒸馏水、2ml冰醋酸，加入到35ml无水乙醇中，再滴入40滴浓硝酸，调节pH到 1-2，磁力搅拌15min，得到透明的溶液。将先前制好的淡黄色溶液装入滴定管中，以约3ml/min的速度滴入透明溶液中，完全滴完后，再磁力搅拌30min，再滴入约10ml的氨水，调节pH到8-10后，形成Ti(OH)4溶胶，再磁力搅拌5min，使其反应均匀。将形成的溶胶转入高压釜内，升温（＜270℃），造成高温、高压的环境，使难溶或不容的物质溶解并且重结晶，恒温一段时间，卸压后，经洗涤、干燥即可得到纳米级的TiO2粉体。

(3)微纳米TiO2粒子表面改性

称取5．0gTiO2粉末，将其置于干燥箱内，将温度设为100℃，并且烘30min，再将40ml无水乙醇加入到干燥烧瓶中，并将TiO2粉末加入到该干燥烧瓶中，并且对药品不断进行搅拌。再称取5．0g KH550放入烧杯中，向烧杯中加入15ml乙醇进行预水解。之后在快速机械搅拌下将KH550水解液缓慢滴入上述装有无水乙醇的烧瓶中，回流冷凝，将该烧瓶置于水浴中升温，搅拌反应4h。在这一反应过程中体系始终呈现白色稳定的乳液状，而且体系温度始终稳定在80℃。反应结束后通过高速离心的方法去除多余的KH550，最后进行干燥研磨得到接枝物纳米TiO2-KH550。

(4)微纳米TiO2仪器与分析表征

利用傅里叶变换红外光谱仪（IR-6700型）表征微纳米TiO2表面红外光谱的变化，KBr压片制样，测波数范围为400～4000cm-1；改性后纳米TiO2粒子形貌采用场发射高分辨透射电子显微镜观察其形貌。

(5)水基金属切削液的制备

取极压润滑剂（聚乙二醇、聚醚等）4．50%、防锈剂（三乙醇胺、硼酸盐）0．35%、消泡剂（聚硅氧烷衍生物乳液）0．05%、杀菌剂少许，溶于去离子水（质量占95%）中，加热至40℃并搅拌至各种添加剂溶解即可，调节体系值为9，再向配制全合成切削液加入不同浓度表面改性的微纳米进行分散。

(6)微纳米TiO2于切削液中分散性测试

称取适量的加入未接枝的和接枝的微纳米TiO2的切削液分别置于20ml刻度管中，充分震荡后观察微纳米TiO2粒子沉降情况，比较上层溶剂变澄清所需要的时间，时间越长，粒子的分散性越好。用紫外可见分光光度计（Unico UV－2102PC型）测定上层清液的透光率，透光率越小，说明悬浮的粒子越多，其分散性越好。并通过高速离心机离心沉降，测定随着离心时间的增加透光率的变化。

(7)微纳米TiO2金属切削液润滑测试

通过四球摩擦磨损试验机对未添加微纳米TiO2-KH550以及添加不同浓度微纳米TiO2-KH550金属切削液的摩擦学性能进行了综合研究和测试。

2.结果与讨论

(1)KH550的作用机理

微纳米TiO2粒子表面存在大量羟基基团，而这些羟基接枝聚合提供了理论的可能。通常认为，硅烷偶联剂与无机粒子作用包括共价键、氢键、和物理吸附作用。微纳米TiO2粒子接枝KH550的实验过程根据Arkles提出的反应模式可以解释，具体反应机理如下图：

第一步：KH-550的水解反应

图1 微纳米TiO2粒子表面接枝KH550的反应示意图

(2)微纳米TiO2-KH550的红外光谱（FT-IR）分析

为了对微纳米TiO2及其改性产物的结构进行表征，本实验对接枝物进行FI-IR测试，红外谱谱图见图2。

图2 KH550、微纳米TiO2及其改性产物的红外光谱图

红外光谱图证实了改性的微纳米TiO2已经被接枝，存在有机基团。由图2可知，3774cm-1处为TiO2表面的-OH吸收峰，由图中第二条和第三条吸收峰的线可知在489cm-1处的峰为Ti-O-Ti键的特征吸收峰。由KH550的吸收峰的线与改性微纳米TiO2吸收峰的线对比可知，经KH550的作用后，谱图中出现了明显的有机基团的吸收峰，在3217cm-1和3426cm-1分别对应亚甲基和甲基的C-H键的伸缩振动峰，而TiO2却没有吸收峰在这个位置，还有在1284cm-1处胺基N-H键的弯曲振动吸收峰。综上，可以说明KH550已经成功接枝在微纳米TiO2上。

(3)微纳米TiO2-KH550的分散稳定性

取一定量的水基金属切削液来考察未接枝的微纳米TiO2和微纳米TiO2-KH550在其中的分散性。经超声充分分散，取出静置，观察发现在金属切削液中，未经处理的微纳米TiO2悬浊液在自由沉降5h后变得澄清，测得其澄清液的透光率接近1。10h后，经处理的微纳米TiO2悬浊液仍然保持混浊，UV透光率几乎为零，可以看出成功键合的微纳米TiO2分散体系的稳定性要优于未改性的微纳米TiO2分散体系。然后再换用离心沉降的方法，以4000r/min的速度离心，图3为微纳米TiO2-KH550在水基金属切削液的透光率随离心时间变化曲线。

The Study about the modification of micro-nano TiO2is used for improving the lubricating property of water-based cutting fluids

Shi Wenjie, Mu Zhijun, Bai Yuxiang, Lv Yitong
(Northwest university for nationalities institute of chemical industry, Gansu, 730000)

Micro-nano TiO2is made by hydrolyze tetra-n-butyl titanate through Sol-Gel chromatography and use silane coupling agent KH550 to make surface modification.The micro-nano TiO2-KH550 which has made is added to water-based mental cutting fluid.Sedimentation experiment and Infrared experiment results show that micro-nano TiO2-KH550 have both well hydrophilia and dispersion stability; compared with any other ordinary water-based mental cutting fluid in the country, it’s lubricating property has the obvious enhancement,the value of PB can arrive 721N.

lubrication；micro-nano TiO2；surface finish；mental cutting liquid

图3 接枝改性后微纳米TiO2在金属切削液中的透光率曲线

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