CN103555392A - 一种含有离子液体的微乳化金属切削液及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种含有离子液体的微乳化金属切削液及制备方法和应用，所述含有离子液体的微乳化金属切削液包括聚α烯烃、非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、防锈剂、离子液体、极压添加剂、消泡剂、杀菌剂、pH调节剂和水。其制备方法即将防锈剂倒入水中形成水系；将极压添加剂、消泡剂、杀菌剂依次加入基础油中形成油系；将水系和油系搅拌混合均匀后依次加入非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和离子液体，混合均匀后用pH调节剂调pH7.5-9，即得具有优良的高低温稳定性，氧化安定性、热安定性良好、润滑性和生物可降解性的含有离子液体的微乳化金属切削液，其使用周期长，适用于高精度、高要求的金属工件的切削加工。

Description

一种含有离子液体的微乳化金属切削液及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种含有离子液体的微乳化金属切削液及其制备方法和应用。       

背景技术

金属切削是机械工程加工零部件的主要手段，特别是高精度金属零件，在金属加工过程中，如果在机床精度、工件材质、刀具材质、加工条件、工人技术水平等条件相同的条件下合理选择金属切削液，对减少摩擦、改善散热条件、降低加工区域温度、延长刀具、砂轮的使用寿命、提高工件精度、降低工件表面粗糙度从而降低切削液使用成本和提高企业经济效益具有十分重要的作用，切削液具有冷却、润滑、清洗和防锈这四大功能。为了满足现在工业对高精度工件的要求，金属切削液的高性能也十分重要，特别是金属切削液的润滑性能、抗磨性能、极压性能、氧化安定性能等这些关系到加工效果的相关性能，所以改进金属切削液的综合性能十分急迫。

离子液体是由有机阳离子和阴离子组成的一类液体盐体系的总称，离子液体是指全部由离子组成的，在室温或相邻温度下呈现液态的物质，又称室温离子液体(RTILs)、室温熔融盐和室温有机盐等。它是由特定的体积相对较大的有机阳离子和体积相对较小的无机阴离子构成，它不仅属于离子型液态物质；而且具有固态物质所不具有的“液态”性质。这使得离子液体兼具液体与固体功能特性，所以被称为“固态”液体，或“液体”分子筛。因而，离子液体往往展现出独特的性质及特有的功能。离子液体具有如下特点：1、没有显著的蒸汽压。2、具有良好的溶解能力。3、具有“可设性”。4、具有较好的热稳定性和化学稳定性。5、易于与其他物质分离,可循环利用。6、制备简单。离子液体由阴、阳离子组成，种类繁多，通过改变阴离子、阳离子的不同组合可以获得不同的离子液体。

在金属切削液的配制过程中加入离子液体可以改善水基切削液磨损大、润滑效果不好、热稳定性及化学稳定性不好等这些性能。由于水基切削液需要加入防锈剂、极压添加剂、消泡剂等添加剂，而离子液体有良好的溶解效果，加入离子液体后能很好地改善溶解不好的缺点。

发明内容

本发明的目的之一在于为了解决传统金属切削液的一些弊端，例如，水基切削液使用过程中刀具磨损过大、润滑效果不佳和油水分离，而提供一种含有离子液体的微乳化金属切削液。该含有离子液体的微乳化金属切削液具有良好的润滑、冷却和减摩性能、生物降解性，可适用于高精度、高要求的金属工件的切削加工。其使用后，减小了后处理的成本，同时对环境和人类健康无毒无害。

本发明的目的之二在于提供上述的一种含有离子液体的微乳化金属切削液的制备方法。

本发明的目的之三是将上述的一种含有离子液体的微乳化金属切削液用于金属，特别是高精度、高要求的金属工件的切削加工，特别是船舶、重工业等金属切削加工。

本发明的技术方案

一种含有离子液体的微乳化金属切削液，按重量百分比计算，其原料组成及含量如下：

基础油                      20-25%

非离子表面活性剂            16-24%

阴离子表面活性剂            4-6%

防锈剂                      8-12%

离子液体                    3-4%

极压添加剂                  2-3% 

消泡剂                      1-2%

杀菌剂                      0.5-1%

余量为水；

其中所述的基础油为聚α烯烃；

所述的非离子表面活性剂为直链脂肪醇聚氧乙烯醚，所述的直链脂肪醇聚氧乙烯醚优选为江苏海安石油化工厂的MOA-10；

所述的阴离子表面活性剂为石油磺酸盐，所述的石油磺酸盐优选为碳链长度平均为14～18的直链烷基磺酸钠；

上述的非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂按质量比计算，其最佳比例即非离子表面活性剂：阴离子表面活性为3.2：1；

所述的防锈剂为三乙醇胺硼酸酯与妥尔油组成的混合物；

所述的极压添加剂为硫化异丁烯；

所述的消泡剂为油酸三乙醇胺；

所述的杀菌剂为异噻唑啉酮；

所述的离子液体通过包括如下步骤的方法制备：

按无水乙醇：N，N-二甲基十四烷基胺：1，4-二溴丁烷为1ml：0.4g：0.167g的比例，将无水乙醇、N，N-二甲基十四烷基胺和1，4-二溴丁烷混合后控制温度为85℃进行回流反应48h，得到反应液；

然后，用按质量比计算，即乙酸乙酯：乙醇为2-3：1比例的而组成的乙酸乙酯-乙醇混合液对上述所得的反应液进行3-4次重结晶后，在55-65℃烘干，即得离子液体。

上述的一种含有离子液体的微乳化金属切削液的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）、将防锈剂倒入水中，搅拌均匀形成水系； 

（2）、将极压添加剂、消泡剂、杀菌剂依次加入基础油中，搅拌均匀形成油系； 

（3）、将步骤（1）所形成的水系和步骤（2）所形成的油系混合并搅拌均匀后，

再一边搅拌一边依次加入非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和离子液体，混合均匀后用pH调节剂调节pH值至7.5-9，得到均一、澄清的微乳体系即为一种含有离子液体的微乳化金属切削液；

所述的pH调节剂为碳酸钠，优选为质量百分比浓度为10%的碳酸钠水溶液。

上述所得的一种含有离子液体的微乳化金属切削液用于高精度、高要求的金属工件的切削加工，特别是船舶、重工业等金属切削加工，其使用时用去离子水或者蒸馏水将其稀释20倍后使用。

本发明的有益效果

本发明的一种含有离子液体的微乳化金属切削液，由于离子液体的加入，因此为微乳化金属切削液提供良好的润滑、冷却和减摩性能且绿色环保，可适用于高精度、高要求的金属工件的切削加工。

进一步，本发明的一种含有离子液体的微乳化金属切削液，由于具有良好的润滑性、抗磨性和生物降解性，其使用后，减小了后处理的成本，同时对环境和人类健康无毒无害。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案做进一步阐述，但并不限制本发明。

本发明所用的阴离子表面活性剂均为化学纯，生产厂家是国药集团化学试剂有限公司。

本发明所用的非离子表面活性剂直链脂肪醇聚氧乙烯醚为江苏海安石油化工厂生产；

石油磺酸钠、妥尔油为上海振威化工有限公司生产；

所用的聚α烯烃为绥芬河市万丰源经贸有限责任公司生产。

所述的N，N-二甲基十四烷基胺、1，4-二溴丁烷和乙酸乙酯均为分析纯。

本发明中为特殊指明的原料均为市售。

实施例1

一种含有离子液体的微乳化金属切削液，按重量百分比计算，其原料组成及含量如下：

基础油                      25g(25%)

非离子表面活性剂            24g(24%)

阴离子表面活性剂            6g(6%)

防锈剂                      12g(12%)

离子液体                    4g(4%)

极压添加剂                  3g(3%) 

消泡剂                      2g(2%)

杀菌剂                      1g(1%)

余量为水                    23g(23%)；

其中所述的基础油为聚α烯烃；

所述的非离子表面活性剂为江苏海安石油化工厂的MOA-10；

所述的阴离子表面活性剂为碳链长度平均为14～18的直链烷基磺酸钠；

上述的非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂按质量比计算，其最佳比例即非离子表面活性剂：阴离子表面活性为3.2：1；

所述的防锈剂为三乙醇胺硼酸酯与妥尔油按质量比计算，即三乙醇胺硼酸酯：妥尔油为1：3组成的混合物；

所述的极压添加剂为硫化异丁烯；

所述的消泡剂为油酸三乙醇胺；

所述的杀菌剂为异噻唑啉酮；

所述的离子液体通过包括如下步骤的方法制备：

按无水乙醇：N，N-二甲基十四烷基胺：1，4-二溴丁烷为10ml：4g：1.67g的比例，将30ml无水乙醇、12gN，N-二甲基十四烷基胺和5g的 1，4-二溴丁烷加入四口蒸馏烧瓶，缓慢加热升温至85℃回流反应48h，得到反应液；

然后，用按质量比计算，即乙酸乙酯：乙醇为2-3：1的比例而组成的乙酸乙酯-乙醇混合液对上述所得的反应液进行3-4次重结晶，所得结晶物在真空烘箱内于55-65℃干燥10h即得离子液体。

上述的一种含有离子液体的微乳化金属切削液的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）、将12g由三乙醇胺硼酸酯与妥尔油按质量比计算，即三乙醇胺硼酸酯：妥尔油为1：3组成的防锈剂倒入23g水中，搅拌均匀形成水系；

（2）、将3g硫化异丁烯、2g油酸三乙醇胺、1g异噻唑啉酮依次加入25g聚α烯烃中，搅拌均匀形成油系；

（3）、将步骤（1）所形成的水系和步骤（2）所形成的油系混合并搅拌均匀后，

再一边搅拌一边依次加入24g表面活性剂MOA-10、6g石油磺酸钠及4g上述所得的离子液体，混合均匀后所得的体系用质量百分比浓度为10%的碳酸钠水溶液调节pH值至8.5，即得均一、澄清的100克含有离子液体的微乳化金属切削液；

对照实施例1 

   一种不含离子液体的微乳化金属切削液，其制备方法包括如下步骤：

（1）、将10g由三乙醇胺硼酸酯与妥尔油按质量比计算，即三乙醇胺硼酸酯：妥尔油为1：3组成的防锈剂倒入38.5g水中，搅拌均匀形成水系；

（2）、将2.5g硫化异丁烯、1.2g油酸三乙醇胺、0.8g异噻唑啉酮依次加入20g聚α烯烃中，搅拌均匀形成油系；

（3）、将步骤（1）所形成的水系和步骤（2）所形成的油系混合并搅拌均匀后，

再一边搅拌一边依次加入22g表面活性剂MOA-10、5g石油磺酸钠，混合均匀后所得的体系用质量百分比浓度为10%的碳酸钠水溶液调剂上述体系的pH值至8.5，最终得到均一、澄清的100g不含有离子液体的微乳化金属切削液；

实施例2

一种含有离子液体的微乳化金属切削液，按重量百分比计算，其原料组成及含量如下：

基础油                      20g(20%)

非离子表面活性剂            16g(16%)

阴离子表面活性剂            4g(4%)

防锈剂                      8g(8%)

离子液体                    3g(3%)

极压添加剂                  2g(2%) 

消泡剂                      1g(1%)

杀菌剂                      0.5g(0.5%)

余量为水                    45.5g(45.5%)；

其中所述的基础油为聚α烯烃；

所述的非离子表面活性剂为江苏海安石油化工厂的MOA-10；

所述的阴离子表面活性剂为碳链长度平均为14～18的直链烷基磺酸钠；

上述的非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂按质量比计算，其最佳比例即非离子表面活性剂：阴离子表面活性为3.2：1；

所述的防锈剂为三乙醇胺硼酸酯与妥尔油按质量比计算，即三乙醇胺硼酸酯：妥尔油为1：3组成的混合物；

所述的极压添加剂为硫化异丁烯；

所述的消泡剂为油酸三乙醇胺；

所述的杀菌剂为异噻唑啉酮；

所述的离子液体通过包括如下步骤的方法制备：

按无水乙醇：N，N-二甲基十四烷基胺：1，4-二溴丁烷为10ml：4g：1.67g的比例，将30ml无水乙醇、12gN，N-二甲基十四烷基胺和5g的1，4-二溴丁烷加入四口蒸馏烧瓶，缓慢加热升温至85℃回流反应48h，得到反应液；

然后，用按质量比计算，即乙酸乙酯：乙醇为2-3：1的比例而组成的乙酸乙酯-乙醇混合液对上述所得的反应液进行3-4次重结晶，所得结晶物在真空烘箱内于55-65℃干燥10h即得离子液体。

上述的一种含有离子液体的微乳化金属切削液的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）、将8g三乙醇胺硼酸酯与妥尔油组成的混合物倒入45.5g水中，搅拌均匀形成水系；

（2）、将2g硫化异丁烯、1g油酸三乙醇胺、0.5g异噻唑啉酮依次加入20g聚α烯烃中，搅拌均匀形成油系；

（3）、将步骤（1）所形成的水系和步骤（2）所形成的油系混合并搅拌均匀后，

再一边搅拌一边依次加入16g表面活性剂MOA-10、4g石油磺酸钠及3g上述所得的离子液体，混合均匀后所得的体系，用质量百分比浓度为10%的碳酸钠水溶液调节pH值至8.5，即得均一、澄清的100克含有离子液体的微乳化金属切削液。

对上述实施例1、实施例2及对照实施例1所得的微乳化金属切削液的性能进行测试，结果见表1：

由上表中实施例1、实施例2和对照实施例1的防锈性、腐蚀性、烧结承载、摩擦系数、磨斑直径和生物降解性等的数据进行对比，可以看出：

实施例1及实施例2所得的含有离子液体的微乳化金属切削液比对照实施例1中不含离子液体的微乳金属切削液的防锈性和腐蚀性要好；

实施例1及实施例2所得的含有离子液体的微乳液金属切削液的烧结承载P_D要比对照实施例1所得的不含离子液体的微乳液金属切削液的烧结承载P_D大，而摩擦系数和摩斑直径都要小，这说明离子液体的加入对提高微乳液金属切削液的抗磨性能具有很好的作用。

实施例1、实施例2所得的含有离子液体的微乳化金属切削液在28天的生物降解百分数都≧85%，因此生物降解性良好，而不含离子液体的微乳化金属切削液在28天的生物降解百分数≧75%，由此表明离子液体的加入对提高微乳液金属切削液的生物降解性能具有很好的作用。

进一步，从表1中可以看出，本发明的一种含有离子液体的微乳化金属切削液的防锈性、防腐蚀性及抗磨性均优于国家标准。

进一步，从表1中的四球法测得的PB值结果表明，实施例1及实施例2所得的含有离子液体的微乳液金属切削液的PB值要比对照实施例1所得的不含离子液体的微乳液金属切削液的PB值大，并且实施例1、实施例2和对照实施例1都优于国标，且在室温下放置90天依然稳定不分层，因此具有非常优异的稳定性能。

综上所述，本发明的一种含有离子液体的微乳化金属切削液具有良好的润滑性、抗磨性、生物降解性和稳定性，因此其使用后，减小了后处理的成本，同时对环境和人类健康无毒无害，适用于高精度、高要求的金属工件的切削加工。

以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种含有离子液体的微乳化金属切削液，其特征在于按重量百分比计算，其原料组成及含量如下：

基础油                      20-25%

非离子表面活性剂            16-24%

阴离子表面活性剂            4-6%

防锈剂                      8-12%

离子液体                    3-4%

极压添加剂                  2-3% 

消泡剂                      1-2%

杀菌剂                      0.5-1%

余量为水；

其中所述的基础油为聚α烯烃；

所述的非离子表面活性剂为直链脂肪醇聚氧乙烯醚；

所述的阴离子表面活性剂为石油磺酸盐；

所述的防锈剂为三乙醇胺硼酸酯与妥尔油组成的混合物；

所述的极压添加剂为硫化异丁烯；

所述的消泡剂为油酸三乙醇胺；

所述的杀菌剂为异噻唑啉酮；

所述的离子液体通过包括如下步骤的方法制备：

按无水乙醇：N，N-二甲基十四烷基胺：1，4-二溴丁烷为1ml：0.4g：0.167g的比例，将无水乙醇、N，N-二甲基十四烷基胺和1，4-二溴丁烷混合后控制温度为85℃进行回流反应48h，得到反应液；

然后，按质量比计算，用乙酸乙酯：乙醇为2-3：1的比例而组成的乙酸乙酯-乙醇混合液对上述所得的反应液进行3-4次重结晶后，在55-65℃烘干，即得离子液体；

上述的一种含有离子液体的微乳化金属切削液通过包括如下步骤的方法制备而得：

（1）、将防锈剂倒入水中，搅拌均匀形成水系； 

（2）、将极压添加剂、消泡剂、杀菌剂依次加入基础油中，搅拌均匀形成油系； 

（3）、将步骤（1）所形成的水系和步骤（2）所形成的油系混合并搅拌均匀后，

再一边搅拌一边依次加入非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和离子液体，混合均匀后用pH调节剂调节pH值至7.5-9，即得含有离子液体的微乳化金属切削液；

所述的pH调节剂为碳酸钠。

2.如权利要求1所述的一种含有离子液体的微乳化金属切削液，其特征在于所 述的直链脂肪醇聚氧乙烯醚为江苏海安石油化工厂生产的MOA-10。

3.如权利要求2所述的一种含有离子液体的微乳化金属切削液，其特征在于所   述的石油磺酸盐为碳链长度平均为14～18的直链烷基磺酸钠。

4.如权利要求3所述的一种以聚α烯烃为基础油的微乳化金属切削液，其特征在于所述的非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂按质量比计算，非离子表面活性剂：阴离子表面活性剂为3.2：1。

5.如权利要求1、2、3或4任一权利要求所述的一种含有离子液体的微乳化金属切削液的制备方法，其特征在于具体包括如下步骤：

（1）、将防锈剂倒入水中，搅拌均匀形成水系； 

（2）、将极压添加剂、消泡剂、杀菌剂依次加入基础油中，搅拌均匀形成油系； 

（3）、将步骤（1）所形成的水系和步骤（2）所形成的油系混合并搅拌均匀后，

再一边搅拌一边依次加入非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和离子液体，混合均匀后用pH调节剂调节pH值至7.5-9，即得含有离子液体的微乳化金属切削液；

所述的pH调节剂为碳酸钠；

所述的离子液体通过包括如下步骤的方法制备：

按无水乙醇：N，N-二甲基十四烷基胺：1，4-二溴丁烷为1ml：0.4g：0.167g的比例，将无水乙醇、N，N-二甲基十四烷基胺和1，4-二溴丁烷混合后控制温度为85℃进行回流反应48h，得到反应液；

然后，用按质量比计算，即乙酸乙酯：乙醇为2-3：1的比例而组成的乙酸乙酯-乙醇混合液对上述所得的反应液进行3-4次重结晶后，在55-65℃烘干，即得离子液体。

6.如权利要求5所述的一种含有离子液体的微乳化金属切削液的制备方法，其特征在于步骤（3）中所述的pH调节剂为质量百分比浓度为10%的碳酸钠水溶液。

7.如权利要求1、2、3或4任一权利要求所述的一种含有离子液体的微乳化金属切削液用于金属切削加工，其使用时用去离子水或者蒸馏水将其稀释20倍后使用。

8.如权利要求1、2、3或4任一权利要求所述的一种含有离子液体的微乳化金   属切削液用于船舶或重工业的金属切削加工，其使用时用去离子水或者蒸馏水将其稀释20倍后使用。