新型环保水基切削液的制备与性能研究

郝行健，王 波

(山东大学，山东 济南 250100)

新型环保水基切削液的制备与性能研究

郝行健，王 波

(山东大学，山东 济南 250100)

以大豆油为基础油，以环保型聚甘油酯为乳化、润滑剂(其中，环状聚甘油酯为极压润滑剂)，辅以复合防锈剂、消泡剂、杀菌剂等功能组分，通过一系列实验优化得到一种不含亚硝酸钠、氯、硫、磷等，对环境友好的切削液。研制的切削液润滑性好，防锈性能强，能满足铸铁等多种金属的需求。

切削液；聚甘油酯；防锈剂

切削液是一种普遍应用于金属加工中，起到润滑、防锈、清洗、冷却作用的金属加工液[1]。2009年，我国制造业消耗30万～50万吨的金属加工液，据柯莱恩公司的研究报告预测，我国对金属加工液的需求量还将以每年15%的速度增加[2]。目前的切削液大都是以矿物油为基础油，生物降解率低。大量切削液废液的排放不光对环境造成污染，而且危及人类生存和健康。中国经济进入新常态，制造业的转型升级急需切削液的环保化提供支撑。

国外围绕环保型切削液进行的研究较早，并且生产出了环保型高性能产品，如美国嘉实多公司的9930C系列产品、马斯特公司C270系列产品等。而国内在这方面的研究起步较晚，自主开发的环保型切削液较少。

本文作者以植物油-大豆油为基础油，以广泛应用于食品工业的聚甘油酯为乳化、润滑剂(其中，以环状聚甘油酯为极压润滑剂)，辅以复合防锈剂、消泡剂、杀菌剂等功能组分，研制出一种润滑性好，防锈性能强，不含亚硝酸钠、氯、硫、磷等，对环境友好的环保型切削液，可代替传统切削液，满足多种材料加工工艺的需求。

1 实验部分

1.1 主要原料

环状聚甘油酯A、聚甘油酯ol-101、ol-301、ol-601、ol-1001，工业级，济南东润精化科技有限公司生产；硼酸、三乙醇胺、癸二酸、三元酸、苯甲酸钠，均为分析纯；大豆油、有机硅消泡剂，市售。

1.2 切削液的制备方法

将计算好用量的聚甘油酯乳化剂，加入大豆油中，搅拌使其分散，然后加入极压润滑剂、防锈剂等，在搅拌情况下，加入溶解有苯甲酸钠的水，最后加入少量市售消泡剂。各组分加完后，继续搅拌30 min，即得环保型切削液。

1.3 切削液的性能测试

贮存稳定性：参照GB6144-2010标准。

离心稳定性：将适当体积的试液加入到离心管中，放入高速离心机中以3000 r/min 转速，离心30min , 观察试液现象。

防锈实验：参照GB6144-2010标准。温度：(35±2)℃；时间：单片24 h，叠片8 h。

腐蚀实验：参照GB6144-2010标准。温度：(35±2)℃；时间：铸铁24 h。

摩擦磨损实验：参照GB/T 3142-1982标准，采用厦门天机自动化有限公司生产的MS-800A四球机。所用钢球为上海钢球厂生产，直径12.7 mm。实验条件：测试实验中，在转速1450 r/min下，评定稀释液(5%)的最大无卡咬负荷(PB值)，在载荷392 N下，测试10min，测量其摩擦因数。

2 结果与讨论

2.1 基础油的选择

基础油是切削液中的重要成分，对润滑性能有直接影响。传统切削液大都采用矿物油作为基础油，但矿物油生物降解性差，在使用和处理过程中，容易长久滞留在环境中，污染环境，不适合作为环保型切削液的基础油。相比于矿物油，植物油和合成酯类油，具有润滑性能好，生物降解率高，对环境友好的特点，适合作为环保型切削液的基础油[3]。相比于合成酯类油，植物油具有来源丰富，价格经济的优点，所以我们选用植物油中的大豆油作为切削液的基础油。

表1 各种基础油的生物降解性

2.2 极压润滑剂的选择

常用的极压润滑剂为含硫、磷、氯等成分的有机物，他们可以在高温下与金属表面发生反应形成化学吸附膜，防止在极压润滑条件下金属界面的直接接触，从而减少刀具的磨损，提高加工件的质量。但实际使用过程中，此类添加剂通常会助长切削液中细菌、霉菌等微生物的繁殖，容易产生臭味，对切削液的寿命造成不良影响[4-5]。

聚甘油酯，是一种以植物为原料来源，对环境友好的合成材料。酯中氧原子的孤对电子对容易和金属表面产生静电作用，从而减少摩擦，通常情况下，酯的极性越大，与金属的亲和力就越高。

图1 环状聚甘油酯A的质量分数与摩擦因数之间的关系表2 环状聚甘油酯A的质量分数与最大无卡咬 负荷(PB)之间的关系

环状聚甘油油酸酯A的质量分数w/%PB/Na125024003570459855706.5530

注：a样品配方为：20%大豆油+一定量的环状聚甘油酯A+5%复合防锈剂B+19%复合乳化剂+3%三乙醇胺+0.5%有机硅消泡剂+0.5%苯甲酸钠+余量水，实验中所用稀释液的浓度为5%。

本文以环状聚甘油酯A做切削液中的极压润滑剂。环状聚甘油酯A质量分数与摩擦因数、最大无卡咬负荷(PB值) 的关系分别如图1、表2所示。从实验中，可以看出，环状聚甘油酯A的质量分数为1%时，摩擦因数达到了0.105 左右，PB值达到250N; 随着环状聚甘油酯A的质量分数的增加，摩擦因数逐步减小，当环状聚甘油酯A达到4%时，摩擦因数达到最小值0.060，此时PB值达到598N，说明环状聚甘油酯A具有较好的极压润滑性。当环状聚甘油酯A的质量分数超过最佳值，随着其质量分数的增加，摩擦因数反而增加，相应的PB值也会有所减小。综合考虑各方面因素，我们选择环状聚甘油酯A的质量分数为4%。

2.3 防锈防腐蚀剂选择

水基切削液一般需用水稀释后使用，与加工工件的接触时间较长，所以对水基切削液的防锈性能要求更高。亚硝酸钠由于防锈性能好且价格低廉，曾经被广泛应用[6]。但亚硝酸钠与有机胺反应会生成致癌物亚硝胺，现已被许多国家禁用。本文通过对不同酸与三乙醇胺反应得到的胺盐的防锈防腐蚀性能的研究(表3)，最后复配得到了一种复合防锈剂B。当添加量为5%～7%时，5%的切削液稀释液就有很好的防锈性能。综合考量，我们选择防锈剂B的添加量为5%。

表3 不同防锈剂的防锈、放腐蚀性能

注：a样品配方为：20%大豆油+4%环状聚甘油酯A+一定量的防锈剂 +19%复合乳化剂+3%三乙醇胺+0.5%有机硅消泡剂+0.5%苯甲酸钠+余量水，实验中所用稀释液的浓度为5%。

2.4 乳化剂的选择

清洗性和冷却性是水基切削液的重要指标，切削液中加入乳化剂，不仅能保证体系的稳定，还能降低乳液表面张力，提高润湿速度。作者选择聚甘油酯ol101、ol301、ol601和ol1001做乳化剂，研究了不同比例对乳化体系的影响(表4)。通过实验，我们发现，当ol1001的用量较多时，溶液稳定性得到改善；当复合乳化剂的HLB值和体系乳化所需HLB接近时，乳液的离心稳定性和贮存稳定性能够同时满足要求。

表4 乳化剂对切削液稳定性的影响

注：a样品配方为：20%大豆油+4%环状聚甘油酯A+5%复合防锈剂B+一定量的乳化剂+3%三乙醇胺+0.5%有机硅消泡剂+0.5%苯甲酸钠+余量水，实验中所用稀释液的浓度为5%。

2.5 pH值稳定剂的选择

研究表明，黑色金属在碱性条件下比较稳定，而铜、铝等有色金属在pH值4～8下比较稳定。切削液的pH值太高，容易伤害操作者皮肤；pH值太低，容易导致切削液腐败变质，腐蚀工件和刀具[7]。综合考虑，切削液的pH值宜控制在8.5～9之间。配方中，我们选择三乙醇胺做pH值调节剂，不但能够提高切削液防腐蚀能力，还能延长切削液寿命。

2.6 其他助剂的选择

金属加工过程中，切削液会产生气泡，不仅妨碍操作者对加工部位的观察，还会降低切削液的润滑性、冷却效果。往切削液中加入少量的消泡剂，如有机硅烷类、有机聚醚类等，能够达到使泡沫快速消失的目的。

为了抑制切削液中微生物的繁殖，延长切削液使用时间，常常往切削液中加入杀菌剂。常用的杀菌剂有酚类、水杨酸、杂环化合物、甲醛释放剂等。甲醛释放剂、酚类杀菌剂会对人体造成伤害，因此我们在配方中选用苯甲酸钠作为杀菌剂。另外，苯甲酸钠对黑色金属具有一定的防腐蚀效果，可达到一剂多用的目的。

在产品研制过程中，通过一系列配方优化，获得切削液的配方组成，如表5所示。

表5 切削液的配方组成

根据相关标准对切削液的综合性能进行评价，如表6，各项指标均符合要求。

表6 切削液的主要性能指标

3 结语

本文以来源丰富，对环境友好的植物油-大豆油为基础油，以环保型聚酯为乳化、润滑剂，以环状聚甘油酯为极压润滑剂，并辅以复合防锈剂、消泡剂、杀菌剂等得到一种环保型切削液。

本环保切削液，不含矿物油、亚硝酸钠、氯、硫、磷等，不仅对环境友好，不危害人体健康，而且润滑性好，防锈性能强，可代替传统切削液，满足铸铁等多种金属的加工工艺需求，具有积极的推广意义。

[1] 叶茂盛. 金属切削液[M]. 北京:机械工业出版社，1994: 7-19.

[2] 戴恩期，李朝圣. 绿色制造用高性能水基全合成切削液研究[J]. 润滑与密封，2012，37(3): 106-112.

[3] Byers J P. 金属加工液[M]. 北京:化学工业出版社，2011:134-154.

[4] Jones A M. Improved chemical additives in MW fluids[J]. Industrial Lubrication and Tribology, 2003, 55(1): 15-22.

[5] 张 杰，王成彪，耿志勇，等. 几种添加剂对水基润滑液性能的影响[J]. 中国表面工程，2007，20(3): 26-29.

[6] 李淑芬，赵永武. 新型复合硼酸酯环保型防锈切削液的研制[J]. 江南大学学报(自然科学版)，2008，7(5): 587-590.

[7] 李春风，罗新民. 金属加工液中控制微生物方法初探[J]. 润滑油，2005，20(1): 21-24.

(本文文献格式：郝行健，王 波.新型环保水基切削液的制备与性能研究[J].山东化工,2017,46(5):36-38,40.)

Study on Preparation and Properties of a New-type of Environment-friendly Water-based Cutting Fluid

HaoXingjian,WangBo

(Shandong University, Jinan 250100,China)

The environment-friendly cutting-fluid with soybean oil as the base oil, the polyglycerol ester as emulsifier (cyclic polyglycerol ester as the extreme pressure lubricant), combined with composite rust inhibitor, defoamer, fungicider and other functional compounds was preparated. The cutting-fluid which does not contain sodium nitrite, chlorine, sulfur, phosphorus, with good lubrication, anti-rust performance, can meet the requirement of cast iron and other metal.

cutting-fluid; polyglycerol ester; anti-rust agent

2017-02-04

郝行健(1999—)，男，现为济南市历城第一中学学生；通讯作者：王 波(1988-)，男，山东大学硕士，研究方向：金属润滑以及聚甘油酯的应用。

TG174.42

A

1008-021X(2017)05-0036-03