綠色通用型乳化切削液的制備

趙 敏，蘭曉艷，陳艷鳳，吳芳青，胡曉春

(中石化石油化工科學研究院有限公司，北京 100083)

采用切削液可使切削速率提高30%～40%[1]。切削液按照組成和作用可分為水溶性切削液和純油性切削液；水溶性切削液又可分為乳化液、微乳化液和合成切削液3種類型[2]。水溶性切削液始于20世紀40年代，因具有油基液難以比擬的冷卻性及低廉的成本而得到了迅速發展。乳化切削液具有較好的潤滑性和冷卻性等特點，占到水溶性切削液的41%。基礎油對乳化切削液濃縮液的調配、儲存以及工作液的使用效果和維護處理影響很大，其在乳化切削液濃縮液中質量分數占到30%～60%[3-4]。目前，礦物油基礎油在市場中占主導地位，但其生物降解性差，環境污染嚴重，資源短缺。生物質基礎油主要有天然植物油、烴類、酯類、醚類等[5]。天然植物油與合成酯等易降解基礎油相比，成本較低，來源豐富，是可再生資源。

機械加工廠進行的多是幾種材質的混合加工作業[6]，而目前許多市售乳化切削液往往只針對某一種材質或某一種工藝的加工[7]，導致一個生產車間要同時配備多種切削液。國內水基切削液研發起步較晚，高端市場主要被國外公司所占領。其中，植物油基切削液在國外已有成型的商品，國內研究人員主要是在可生物降解基礎油性能改進、生物降解性試驗等方面進行初步探討[8]。由于ISO 15380標準對環境友好潤滑油品有相應規定，越來越多的用戶和生產商青睞基于可再生資源的金屬加工液[9]。此外，裝備制造業在進行綠色低碳轉型升級的大背景下，在保持乳化削液使用性能的基礎上，選擇環保綠色切削液顯得尤為重要。針對以上問題，筆者研制了一種性能良好、綠色環保，同時可滿足黑色金屬和有色金屬多種加工工藝要求的環保通用型乳化切削液，以解決切削液生產廠商和機械加工業亟需的問題。

1 實 驗

1.1 主要試劑與儀器

蓖麻油，工業品，正華化工有限公司；葵花籽油、菜籽油、玉米油，工業品，山西永濟宏遠化工公司；韓國加氫100N、150SN、500DN，茂名市粵達石化有限公司；抗氧劑(胺類抗氧劑、受阻酚類抗氧劑)、乳化劑(陰離子表面活性劑Y-1、Y-2)、三乙醇胺，工業品，錦州新興石油添加劑有限責任公司；防銹劑(磺酸鹽類、胺鹽類、苯并三氮唑等)，新都石油添加劑廠；高相對分子質量極壓劑GY25合成酯，路博潤公司；芥酸三乙醇胺鹽，自制。

DSC204 HP型高壓差示掃描量熱儀(PDSC)，德國NETZSCH公司。

1.2 分析方法

采用差示掃描量熱儀對試樣進行氧化安定性評價。

按照GB 6144—85進行四球極壓試驗測定乳化液最大無卡咬負荷PB值(N)；按SH/T 0189—92方法進行四球抗磨試驗，在20 kg、1 200 r/min、75 ℃、1 h條件下，測定鋼球磨斑直徑d(mm)。鋼球直徑12.7 mm，材質GCr15，洛氏硬度HRC64～66。

1.3 保通用型乳化切削液的制備

采用植物油為基礎油，加入一定比例的復合乳化劑、防銹劑、環保極壓劑等添加劑，制備得到環保通用型乳化切削液。

2 結果與討論

2.1 植物油作為切削液基礎油的性能

植物油平均相對分子質量為 800～1 000，閃點高、沸點高，不易霧化，用作基礎油時，能大大減少切削液在氣化和霧化時的損耗，保證良好的作業環境[10]。在大多數植物油中，棉籽油、葵花籽油中的不飽和脂肪酸含量遠大于飽和脂肪酸含量，且不飽和脂肪酸主要由含有1個雙鍵的油酸(C17H33COOH) 、含有2個雙鍵的亞油酸(C17H31COOH) 、含有3個雙鍵的亞麻酸(C17C29COOH)等組成，這些順式不飽和雙鍵和烯丙基碳原子，使植物油在常溫下易呈現液態，但也發生氧化反應[8]。因此，植物油中雙鍵的存在致使其氧化安定性、水解穩定性差，限制了植物油的廣泛應用。

2.1.1 植物油理化性能

實驗考察了多種天然植物油、礦物油的潤滑性能和40 ℃的運動黏度，結果見表1。

表1 植物油與礦物油的最大無卡咬負荷(PB)和黏度

由表1可知，4種植物油的PB均明顯高于4種礦物油。這是因為，植物油分子含有極性分子，容易在金屬表面形成一層保護膜，該保護膜潤滑性能好且不易破裂，當其在重負荷加工下使用時，可以減少潤滑油中極壓添加劑的用量[10]。然而，植物油中含有較多的不飽和脂肪酸，其氧化穩定性差，易水解。因此，對4種植物油水解安定性進行了考察，結果見表2。

表2 4種植物油水解安定性

由表2可知，4種植物油水解后的水層與油層均未顯示出強的酸性，銅片質量損失量小，未造成明顯腐蝕。這可能是植物油在水解后生成的脂肪酸碳鏈長、酸性較弱導致的。結合表1、表2可知，菜籽油較玉米油、葵花籽油的PB值高，即潤滑性好，水解實驗中各項結果較好，且種植區域廣、產量高、價格較低，因此菜籽油可作為較好的植物基基礎油。

2.1.2 菜籽油氧化安定性能的改善

添加抗氧劑是改善菜籽油氧化穩定性較為簡便有效且成本較低的方法[11]。實驗在菜籽油中添加一定量復合抗氧劑，考察氧化安定性，結果見表3、表4。

表3 添加復合抗氧劑的菜籽油在不同溫度下的氧化誘導時間

表4 添加復合抗氧劑的菜籽油水解安定性

由表3、表4可知，添加復合抗氧劑的菜籽油，氧化誘導時間均顯著延長；水解安定性實驗中，銅片腐蝕量減少到0.01 mg/cm，外觀也有很大改善，水層、油層總酸度均有大幅降低，說明該復合抗氧劑明顯改善了菜籽油的氧化安定性、水解安定性能。

2.2 乳化劑的考察

制備穩定乳狀液的關鍵是選擇最合適的乳化劑[12]。與油酸相比，芥酸多了4個亞甲基，具有潤滑性好，內摩擦系數低，沸點、閃點及著火點都較高等。采用自制低泡、多功能芥酸三乙醇胺鹽乳化劑，并篩選出2種與其配伍性能較好的陰離子表面活性劑(Y-1、Y-2)進行復配。在菜籽油中加入復配劑和水(質量分數5%)調配成濃縮液，取一部分調成5%(質量分數)的稀釋液，實驗結果見表5。

表5 乳化劑復配實驗

由表5可知，序號3和7中，當非離子表面活性劑質量分數為5%、陰離子表面活性劑質量分數為8%時為最佳配比。

2.3 防銹劑的選擇

切削過程中，加工件和機床易受周圍介質，如水分、氧氣、酸性物質及空氣中灰塵的侵襲而產生銹蝕[13]。因此，乳化切削液應具有良好的防銹性能，其中防銹劑是利用其定向吸附作用阻止或延緩氧氣和氫離子與零件表面接觸來實現防銹的[14]。

考察了7種防銹劑(磺酸鹽類、胺鹽類、苯并三氮唑等)的防銹性。配方是(質量分數)：菜籽油47%、乳化劑Y-1 8%、芥酸三乙醇胺鹽5%、水35%，在此組成中添加相同劑量5%的防銹劑進行考察，實驗結果見表6。

表6 7種防銹劑性能考察

由表6可知，F-3及F-7(磺酸鹽類、胺鹽類)均有較好的防銹性，因此，選此2種防銹劑在環保通用型乳化切削液配方中使用。

2.4 環保極壓劑極壓性能

極壓劑主要有氯化石蠟、有機硫磷化合物、硫化脂肪酸酯、鉬酸鹽等[15]。鉬酸鹽價格太高，極壓性能也不太理想；氯化石蠟價廉物美，但由于涉及環境和毒性問題，使用越來越少；硼酸酯無毒，潤滑性好，并有較好的防銹性能，但是其易水解，不容易吸附在金屬表面，單獨使用時其抗磨極壓性能不理想[16]。高相對分子質量極壓劑分子鏈上的很多極性基團與金屬有很強的親和力[17]，不易被剪切，飽和度比較高，具有優異的熱安定性，切削溫度較高時也不易分解。選用高相對分子質量極壓劑進行考察，配方(質量分數)：47%菜籽油+8%Y-1+5%芥酸三乙醇胺鹽，高相對分子質量極壓劑和水，結果見表7。

由表7可知，高相對分子質量極壓劑用量越大，乳化液極壓性能越好，當其質量分數為7%時極壓性能良好，此后再增加用量其極壓性能增加較緩慢。該劑無氯、無硫磷、無灰，不會引起污染，是研制綠色切削液的理想組分。

表7 高相對分子質量極壓劑性能考察

2.5 通用型乳化切削液的制備及評價

2.5.1 RH切削液的配方

經配伍性考察，得到的以菜籽油為基礎油，不含非環保型添加劑的綠色乳化切削液(RH)配方為：47%菜籽油+1.2%復配抗氧劑+8%Y-1+5%芥酸三乙醇胺鹽,+5%F-3+5%F-7+7%高相對分子質量極壓劑+21.8%水(質量分數)。

2.5.2 性能對比結果

考察了RH乳化切削液及市售試樣的性能，結果見表8。由表8可知，RH銅片腐蝕和單片、疊片試驗性能優良，乳化液安定性能比較穩定，最大無卡咬負荷性能優良。與進口試樣相比，研制的乳化切削液最大無卡咬負荷性能、對鋁的防銹性均有很大提高，多種性能均優于國內試樣，消泡性能較國外試樣優良。

表8 乳化切削液性能評定

2.5.3 RH乳化切削液的穩定性

顆粒大小是乳液穩定性的特定參數之一。為即時快速考察乳化切削液的穩定性，用Mastersizer 2000激光粒度儀對乳化切削液進行了粒度分布實驗，結果如圖1所示。

圖1 RH乳化切削液粒度分布

由圖1可知，RH的峰形近似于正態分布，最小顆粒出現在0.11 μm處，最大顆粒為0.32 μm，峰值出現在0.18 μm處；RH的平均粒徑為0.178 μm。由此可知，RH具有較好的穩定性，在長時間放置時也不容易出現小顆粒團聚成大顆粒以致出現沉淀等溶存穩定性問題。

2.6 通用型乳化切削液RH的工業試驗情況

將RH在北京航源星科技開發有限公司進行工業試驗。以車床CD6140A、銑床X5032和加工中心VC1055作為試驗機床，加工材質選取銅、鑄鐵、鋼材。切削結果表明RH比原用的市售乳化切削液潤滑性強，防銹性能優良，加工件與機床均未發現銹蝕，冷卻性能優良，可適用于黑色和有色金屬加工，較好的改善了以前隨著加工材質不同頻繁更換切削液的情況。

3 結 論

a.優選菜籽油為乳化液基礎油，當復配抗氧劑添加1.2%時，菜籽油的氧化安定性、水解安定性能有很大改善。

b.自制多功能新型乳化劑-芥酸三乙醇胺鹽與陰離子乳化劑Y-1按照5∶8質量比調配得到乳化性能良好的復配乳化劑。

c.通過實驗得到在乳化液中防銹性能較好的防銹劑F-3和F-7；當環保性高分子極壓劑質量分數大于7%時，具有良好的極壓性。

d.制備的以菜籽油為基礎油的通用型乳化切削液，消泡性能比國外試樣優良、最大無卡咬負荷性能有很大提高。粒度大小、粒度分散結果驗證了RH切削液具有很好的穩定性。

e.RH切削液對銅、鑄鐵、鋼材等的工業試驗結果表明，其比原用的市售切削液潤滑性強，防銹性能、冷卻性能優良，加工件與機床均未發現銹蝕，黑色和有色金屬均可加工,適用范圍廣泛。