水溶性高分子化合物在金属加工润滑剂中的应用

马国梁，荣捷，陈鲜伟

(中国石油润滑油公司，北京 100028)

水溶性高分子化合物在金属加工润滑剂中的应用

马国梁，荣捷，陈鲜伟

(中国石油润滑油公司，北京 100028)

阐述了水溶性高分子化合物的种类以及金属加工润滑剂所用水溶性高分子化合物的典型品种，并分别介绍了其在金属加工过程中用做润滑剂、表面活性剂及消泡剂的水溶性高分子化合物的性能特点，指出利用水溶性高分子化合物本身具有的双亲性及亲水基团具有的化学反应活性，可以强化和发展该类化合物的更多功能。

水溶性高分子；金属加工；添加剂；性能特点

0 引言

金属加工液广泛用于金属切削和塑性加工，起到冷却和润滑作用，从而提高工作效率。水溶性高分子在金属加工液中应用广泛，其作用表现在提高金属加工润滑剂的润滑性能、改变体系表面活性和摩擦系数，增加体系的防锈缓蚀和消泡能力等。

水溶性高分子化合物又称为水溶性树脂或水溶性聚合物，是一种强亲水性的高分子材料，能溶解或溶胀于水中形成水溶液或分散体系。水溶性高分子可以分为三大类：天然水溶性高分子、半合成水溶性高分子和合成水溶性高分子[1]。合成水溶性高分子有聚合和缩合两类。

水基金属加工过程中用做添加剂的水溶性高分子化合物多是合成水溶性高分子，此类高分子化合物多具有优秀的润滑性能或其他金属加工所需的性能特点，其润滑性能能够达到甚至超越一些油基润滑液，同时通过分子设计等方式能够优化水溶性高分子的综合性能，使其具备较强的极压、防锈缓蚀、抗磨减摩等性能特点。

1 润滑剂

优良的金属加工液能提供良好的润滑以减少加工对象和加工工(模)具的磨损。金属加工液与润滑油的润滑原理类同，即相对运动的表面填充液体润滑剂，减少摩擦磨损，使摩擦状态从干摩擦过渡到边界摩擦，理想情况下达到液体摩擦。金属加工温度一般较高，加工液中的水分子气化逃逸，而其中的水溶性高分子化合物则保留在金属表面起到润滑、降低摩擦的作用。

1.1 水溶性聚醚

聚醚润滑剂(分子量一般为2×104～4×104)本身具有高温润滑剂的多种使用性能并兼具良好的氧化安定性和剪切安定性，其中的水溶性聚醚是应用较多的金属加工润滑剂。曾宪恕[2]、李茂生[3]等提到此类高分子化合物具有的逆溶性特点正是金属加工液工作有效性的关键，即当液体被带入切削区或成形区的热表面时, 液体温度很快升至高于此类聚合物的浊点,聚合物从液体中析出微小液滴浸润金属表面，像润滑油一样形成润滑膜，在切削处或变形区起到优良的润滑作用。并且，聚醚水溶性高分子具有更好的冷却性、稳定性、抗菌性, 使用寿命较长。

1.2 水溶性改性聚醚

金属加工中由于油基润滑剂耐高温和清洗能力较差，近年来很多学者将研究具有减少摩擦、控制磨损等某些特性的水溶性高分子化合物添加剂作为水基润滑液技术研究的重要方向之一[4-6]。

何建国[7]利用四球试验机研究了蓖麻油聚氧乙烯醚水溶液的摩擦学性能，研究表明水溶性蓖麻油聚氧乙烯醚能够作为减摩抗磨添加剂配制水基加工液，使加工液具有较好的减摩抗磨性能。其规律为：在较高的浓度范围，升高蓖麻油聚氧乙烯醚溶液浓度能提高溶液的减摩性能，但不会无限制提高，在浓度达到一定程度时会因溶液内剪切应力较大而性能下降，宏观表现为摩擦力增加、摩擦系数上升。

刘俊铭[8]在聚氧乙烯基醚水基润滑液摩擦学特性研究中详细分析了四种聚氧乙烯基醚在水溶液中的摩擦学性能，并从动力黏度、成膜性能、减摩抗磨性能几个方面进行了综合分析，证明四种聚醚中蓖麻油聚氧乙烯醚EL-40在水溶液中的减摩抗磨性能较为优秀、成膜能力较强，是一种性能优秀、无毒无害的水基润滑添加剂。

孙跃涛[9]在无规共聚醚水基润滑液的摩擦学性能试验研究中，分析对比了几种无规共聚醚的减摩抗磨性能、成膜性能、流变性能等，证明了月桂酸无规共聚醚水溶液具有良好的减摩抗磨效果，究其原因是LPE水溶液润滑时形成了一种以化学吸附膜为主的边界润滑膜，由于成膜较为稳定，所以呈现出良好的减摩抗磨效果。

管文超[10]利用含有-COOH、-NH2或(CH2CH2O)n等基团的醇类与P2O5反应得到单取代或双取代的磷酸酯，然后与金属氧化物或胺类反应得到磷酸酯盐，最后与一种含S、N的杂环化合物反应得到一种新型的含硫、氮杂环的水溶性高分子化合物，用于水基金属加工液中，具有较好的极压性能, 同时有着良好的抗腐蚀能力。

2 表面活性剂

水溶性高分子表面活性剂是金属加工中用量较大的一类添加剂，其具有润湿、分散、乳化、增溶、起泡、消泡、洗漆、润滑、渗透、抗静电、防腐烛、杀菌等多方面的功能。金属加工乳化/合成液的某些基本性能和表面活性剂的乳化能力有关。高分子表面活性剂具有很强的界面吸附能力，而且其在界面上的吸附不像低分子表面活性剂那样易受物理因素的影响。因此它在低浓度时就可显示出明显的效果。同时，多数高分子表面活性剂具有生物相容性和环境友好性，符合现代金属加工液的发展要求。

自从1954年美国Wyandotte公司报道了合成非离子型聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物高分子表面活性剂后，各种具有多种功能的合成高分子表面活性剂被相继开发出来[11]。

曹晓荣[12]研究认为脂肪醇/酸聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂具有耐盐、耐酸碱、抗静电、毒性小以及易生物降解等优点，已广泛用做增溶剂、乳化剂、洗涤剂。他发现随着浓度的增加烷基醇聚氧乙烯醚表面活性剂可在水溶液中形成球状胶束、蠕虫状胶束簇、层状相及反胶束，但该物质分子量应处于103水平，并不算严格意义上的高分子。随后，他又利用乳液聚合法合成了一种阳离子型含大量酰胺基团的高分子表面活性剂，表面张力测定发现该阳离子型表面活性剂具有较好的表面活性，黏度测定结果表明在水溶液中表现出明显的电黏效应，稳态荧光结果说明聚合物在溶液中形成了疏水微区，随着浓度的增加，分子在水中可形成球状胶束、柱状胶束和网状结构，导致体系表观黏度先降低后增加，并发现阴离子表面活性剂与阳离子高分子表面活性剂有明显的相互作用。李明勇[13]合成了阳离子型以碳、氢、氧为主链，特定功能基团季铵基位于侧链的新型的聚醚季铵盐高分子表面活性剂，由于主链含有醚键，侧链含有季铵基团，该聚合物具有良好的亲水疏水性。对聚醚季铵盐水溶液的研究表明，聚醚季铵盐具有强的表面张力时间效应，可以显著降低水溶液的表面张力，聚醚季铵盐的水溶性较好，乳化后分散性能的稳定性比较高。吴明清、陈洪龄[14]合成了甲基二烯丙基氯化铵/1-十六烯共聚物高分子表面活性剂，产品易溶于水，具有较小的临界胶束浓度，润湿渗透性好，并对碳钢均有一定的防腐性能。

3 消泡剂

在金属加工过程中润滑液产生的泡沫有很大的破坏性，它能产生虚假液面，使液体流动复杂化，降低加工液的冷却、润滑能力。改善加工液的抑泡或消泡能力的途径之一就是加入具有抗/消泡能力的添加剂，这类添加剂主要是硅油和非硅型的聚醚类和高分子量酰胺等。

上世纪60年代，随着聚醚工业的迅速发展，聚醚类消泡剂发展非常迅速。传统的通用型聚醚由于分子链末端活性羟基的存在，不耐酸碱和高温，用做表面活性剂时反而容易产生较多的泡沫。自20世纪70年代以来，世界各国相继开发了一批功能性聚醚，其中较重要的就有封端聚醚[15]。聚醚型消泡剂是一种性能优良的水溶性非离子表面活性剂，当加工液升温到聚醚的浊点，聚醚消泡剂就可以发挥消泡作用。

胡伟[16]将聚醚通过接枝的方法接到硅油链上，合成了一种聚醚改型聚硅氧烷消泡剂，对降低表面张力有较强的作用，消泡能力强，热稳定性好，并具有化学和生理惰性，对大多数起泡介质能予以优异的消泡性能。实验所用含氢硅油链段的相对分子质量在几千至几万之间。

4 结束语

水溶性高分子化合物本身具有的双亲性使其在金属加工液配方体系中发挥着重要作用。其亲水性基团不仅使化合物具有水溶性，而且还具有化学反应功能以及成膜、润滑、分散、增黏、减摩、黏合、成胶、螯合等多种物理功能。利用亲水基团的化学反应功能还可以使高分子化合物具有更多所希望的功能。科研工作者应充分研究并利用此类化合物的性能特点，开发更多的环境友好、多功能化水溶性高分子化合物，使其在金属加工中发挥更好的作用，提高国内金属加工水平和工作效率。

[1] 严瑞萱.水溶性高分子[M].北京:化学工业出版社,1998.

[2]曾宪恕.聚醚润滑剂(五)[J].合成润滑材料,2000(4): 32-36.

[3] 李茂生.水溶性聚醚在金属加工液中的应用[J].合成润滑材料,2003(4):8-10.

[4]王家序.水基切削液的研制及应用[J].润滑与密封,2002(1):60-61.

[5]吴超.环境友好型水基润滑剂的现状及发展[J].河北理工学院学报，2006, 28(4):32-36.

[6]于坤.不同连接体合成的水溶性可生物降解润滑添加剂的摩擦学性能初探[J].润滑油，2004,19(2):35-37.

[7]何建国.蓖麻油聚氧乙烯醚水溶液的摩擦学性能研究(硕士论文)[D].北京：北京交通大学，2013.

[8] 刘俊铭.聚氧乙烯基醚水基润滑液摩擦学特性研究[D].北京:北京交通大学,2010.

[9] 孙跃涛.月桂酸无规共聚酸水溶液减摩抗磨性能试验研究[J].机械工程学报，2011,47(23)：125-129.

[10] 管文超,王昌平.改善高水基流体承载能力的研究[J].湖北化工,1995(1):37-39.

[11] 张志庆.多枝状嵌段聚醚高分子表面活性剂的合成、表征与应用(博士论文)[D].济南：山东大学,2005.

[12]曹晓荣.水溶性高分子表面活性剂聚集行为(博士学位论文)[D]. 济南：山东大学,2007.

[13]李明勇.聚醚季胺高分子表面活性剂盐的合成、表征及性能研究(硕士学位论文)[D].武汉：湖北大学，2012.

[14] 吴明清,陈洪龄.一种新型水溶性高分子表面活性剂PDH的合成及性能[J].南京工业大学学报,2013,35(6):60-64.

[15] PE Austin, DD Farris, JD Reely. Process for the Preparation of Organopolysiloxane Surfactants: US,4857583 [P].1989.

[16]胡伟.聚醚改性有机硅消泡剂的合成研究[D].南京:南京林业大学,2008.

Application of Water-soluble Polymer Compound in Metal-working Lubricant

MA Guo-liang, RONG Jie, CHEN Xian-wei

(PertoChina Lubricant Company, Beijing 100028, China)

The paper described the typical varieties of the water-soluble polymer compounds and of which used in metal-working lubricant, and expressed some of their performance characteristics used as lubricant, surface active agent and defoaming agent in the metal working process. It was pointed out that more functions of this compound can be enhanced and developed by using the chemical reaction activity of the amphiphilic and hydrophilic groups of water-soluble polymers.

water-soluble polymer; metal working; additive; performance characteristics

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.01.005

1002-3119(2017)01-0026-03

TE624.82

A

2016-07-12。

马国梁，助理工程师，2011年毕业于中国石油大学(华东)化学化工学院材料化学专业，曾从事合成基础油的开发，现从事润滑油技术研发管理工作。E-mail：maguoliang_rhy@petrochina.com.cn