一种水基切削液的制作方法

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1.本发明属于金属切削加工和润滑领域，具体涉及一种水基切削液。

背景技术：

2.金属切削加工液（切削液）用于金属及其合金的切、削、磨等加工过程，起冷却和润滑刀具的作用。切削液按其主要组分可分为油基切削液和水基切削液两大类。油基切削液主要由矿物油、油性剂和添加剂组成，具有优良的润滑性和防锈性，但其冷却性能较大，不易清洗和稀释，对环境污染大且在某些有火灾、爆炸危险和需要快速散热的领域，油基切削液因其闪点低、易燃、导热系数小等缺陷而被限制使用。水基切削液主要由醇胺或醇酯和去离子水混合，并加入各种添加剂，如润湿剂、润滑剂、稳定剂、耐极压剂、抛光剂等，具有良好的导热性和冷却性，但其润滑性较差、组分复杂、添加剂对环境污染严重且因组分较多造成成本升高。切削加工过程中为了快速的将切削液中的有效成分迁移至加工处，切削液中需要添加特定的表面活性剂用以提高切削液的渗透性能。表面活性剂的加入往往会降低体系的表面张力，继而在切削加工过程中产生大量的气泡问题，从而损害加工质量，因此还需要在配方中添加消泡剂与抑泡剂。由于金属表面容易生锈，尤其是新加工生成的表面，在空气中暴露很快就会产生锈斑。切削液中还需要添加一定比例的防锈剂，用以防止加工的金属件表面的锈蚀。由于切削液需要多次反复长时间使用，这就要求切削液具有长期的稳定性。油基切削液为油性体系，自身的防腐性能良好。水性切削液由于主体成分为水，容易腐败变质，需要在配方中添加杀菌剂组份。目前普遍使用的杀菌剂为异噻唑啉酮类有机杀菌剂。
3.可见，切削液配方中需要添加多种功能助剂，存在生产工艺复杂，生产成本高等缺陷。开发一种多功能表面活性剂，其具有优异的渗透性的同时兼具防锈、抑泡等性能，同时发挥协同作用将极大提升水基切削液的性能。

技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种水基切削液，通过合成一种多功能表面活性剂实现表面张力快速调控促进切削液渗透作用的同时利用切削过程产生的热量在加工表面同步生成硬质膜层，即在降低切削阻力的同时还具有优异的防锈性能。
5.为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一方面，本发明提供一种渗透性能与防锈性能优异的水基切削液，包含有润滑剂、保湿剂、杀菌剂、消泡剂、去离子水和通式a所示的多功能表面活性剂，通式a为:
其中：n为5～15之间。
6.所述多功能表面活性剂具有快速降低表面张力的能力，其3 wt%质量浓度的水溶液采用鼓泡法动态表面张力测试中0.5 s以内得到稳定的表面张力值。
7.所述多功能表面活性剂3 wt%质量浓度的水溶液采用铂金板法测试的静态表面张力值为23.0-27.0 mn/m。
8.进一步的，所述多功能表面活性剂由如下通式所示物质b与物质c通过酯化反应合成，在水基切削液中的质量百分比为10.0～20.0%之间。
9.所述物质b与物质c的酯化反应，催化剂为甲基磺酸、苯磺酸、浓硫酸、氯铂酸中的一种；反应温度为90～110 ℃之间；带水剂为甲苯、二甲苯中的一种。
10.所述润滑剂为异构醇聚氧乙烯醚，在水基切削液中的质量百分比为5.0～10.0%之间。
11.所述保湿剂为乙二醇、丙二醇、甘油、聚甘油中的一种或两种及以上的混合物，在水基切削液中的质量百分比为10.0～20.0%之间。
12.所述杀菌剂为苯丙异噻唑啉酮或甲基异噻唑啉酮中的一种或两种的混合物，在水基切削液中的质量百分比为0.5～2.0%之间。所述消泡剂为聚醚改性有机硅消泡剂，在水基切削液中的质量百分比为0.1～0.3%之间。
13.所述去离子水，在水基切削液中的质量百分比为47.7～74.4%之间。
14.另一方面本发明提供上述水基切削液的制备方法，包含以下步骤：（1）多功能表面活性剂制备取一带有搅拌与温度计的1000 ml容积四口烧瓶作为反应烧瓶放置在油浴锅上，缓慢加入物质b、物质c、催化剂和占反应组分30～40 wt%的带水剂，连接分水器，分水器上端连接冷凝管；开启搅拌，将反应烧瓶内物料升温至90～110 ℃加热反应；通过反应过程中分出水分的质量判断反应终点，当分水器中收集的水分的质量大于理论量的96%时停止反应；取下分水器，换用水平冷凝管，水平冷凝管一端连接反应烧瓶，另一端连接一500 ml容
积的三口烧瓶作为带水剂的收集瓶；500 ml容积三口烧瓶其中一个口连接真空泵，另一口封闭；保持反应烧瓶内物料温度90～110℃，开始减压蒸馏30～45 min，再将反应烧瓶内物料温度升高至125～135 ℃，继续减压蒸馏30～45 min除去物料中的带水剂；减压蒸馏结束，将反应烧瓶中的物料降温至50～60 ℃，加适量的 30 wt% naoh溶液和理论100%酯化反应生成产物等质量的去离子水，搅拌15～20 min；停止搅拌后，自然冷却至室温，收集反应烧瓶中的产物，产物即为通式a的多功能表面活性剂，。
15.（2）水基切削液制备将上述制备多功能表面活性剂、润滑剂、保湿剂、杀菌剂、消泡剂加入去离子水中，搅拌均匀即得所述水基切削液。
16.与现有技术相比，本发明的水基切削液用于金属或合金等的加工具有如下优点：一方面，本发明水基切削液中的多功能表面活性剂具有高的表面活性，与商业表面活性剂相比，能够更快速的降低体系表面张力，在切削加工过程中迅速带动体系内的润滑组分迁移至加工表面，降低切削阻力。同时，本发明水基切削液中的多功能表面活性剂具有适宜的静态表面张力值，不会因静态表面张力值太低而导致加工过程中产生的气泡无法快速的消泡，因而可以少量添加消泡剂既可以取得好的消泡效果。
17.另一方面，多功能表面活性剂结构中的n原子和s原子与金属原子之间存在化学吸附作用，使得刚暴露出来的金属表面迅速被多功能表面活性剂占据，利用切削过程中产生的大量热量促进分子中的n原子和s原子与金属原子反应生成硬质膜层，具有优异的防锈性能。
附图说明
18.图1为本发明实施例1制备的多功能表面活性剂mf-1、商业表面活性剂1与商业表面活性剂2的3 wt%质量浓度的水溶液采用鼓泡法动态表面张力测试中表面张力随鼓泡时间变化的曲线图。
具体实施方式
19.下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。
20.实施例中的“份”均指“重量份”。
21.实施例1本实施例水基切削液的制备，包含以下步骤：（1）多功能表面活性剂制备取一带有搅拌与温度计的1000 ml容积四口烧瓶作为反应烧瓶放置在油浴锅上，缓慢加入223.18 g物质b（n=5）、110.50 g物质c、100.10 g甲苯和0.43 g催化剂甲基磺酸；连接分水器，分水器上端连接冷凝管；开启搅拌，将反应烧瓶内物料升温至100 ℃加热；当分水器中收集的水分的质量大于8.64 g时停止反应，此时酯化反应率大于96%；将分水器取下，换用水平冷凝管，水平冷凝管一端连接反应烧瓶，另一端连接另一500 ml容积的三口烧瓶作为带水剂的收集瓶；500 ml容积三口烧瓶其中一个口连接真空泵，另一口封闭；保持反应烧瓶内物料温度100 ℃，减压蒸馏30 min，再将反应烧瓶内物料
升温至130 ℃，继续减压蒸馏30 min；减压蒸馏结束，将反应烧瓶中的物料降温至50 ℃，加入0.56 g 30 wt% naoh溶液，再加入324.68 g水，搅拌15min；停止搅拌，自然冷却至室温，收集反应烧瓶中的产物，产物即为多功能表面活性剂，标记为mf-1；（2）水基切削液制备将 10.0份上述制备多功能表面活性剂mf-1、5.0份异构十一醇聚氧乙烯醚（eo=13）、10.0份乙二醇、0.5份苯丙异噻唑啉酮、0.1份聚醚改性有机硅消泡剂加入74.4份去离子水中，搅拌均匀即得所述水基切削液。
22.实施例1制备的多功能表面活性剂mf-1的3 wt%质量浓度的水溶液采用鼓泡法动态表面张力测试中0.5 s以内得到稳定的表面张力值；采用铂金板法测试的静态表面张力值为25.8 mn/m。
23.实施例2本实施例水基切削液的制备，包含以下步骤：（1）多功能表面活性剂制备取一带有搅拌与温度计的1000 ml容积四口烧瓶作为反应烧瓶放置在油浴锅上，缓慢加入333.18 g物质b（n=10）、110.50 g物质c、133.10 g甲苯和0.58 g催化剂甲基磺酸；连接分水器，分水器上端连接冷凝管；开启搅拌，将反应烧瓶内物料升温至100 ℃加热；当分水器中收集的水分的质量大于8.64 g时停止反应，此时酯化反应率大于96%；将分水器取下，换用水平冷凝管，水平冷凝管一端连接反应烧瓶，另一端连接另一500 ml容积的三口烧瓶作为带水剂的收集瓶；500 ml容积三口烧瓶其中一个口连接真空泵，另一口封闭；保持反应烧瓶内物料温度100 ℃，减压蒸馏30 min，再将反应烧瓶内物料升温至130 ℃，继续减压蒸馏30 min；减压蒸馏结束，将反应烧瓶中的物料降温至50 ℃，加入0.75 g 30 wt% naoh溶液，再加入434.68 g水，搅拌15min。停止搅拌，自然冷却至室温，收集反应烧瓶中的产物。产物即为多功能表面活性剂，标记为mf-2；（2）水基切削液制备将 15.0份上述制备多功能表面活性剂mf-2、7.5份异构十三醇聚氧乙烯醚（eo=11)、15.0份丙二醇、1.5份苯丙异噻唑啉酮、0.2份聚醚改性有机硅消泡剂加入60.8份去离子水中，搅拌均匀即得所述水基切削液。
24.实施例2制备的多功能表面活性剂mf-2的3 wt%质量浓度的水溶液采用鼓泡法动态表面张力测试中0.5 s以内得到稳定的表面张力值；采用铂金板法测试的静态表面张力值为24.2 mn/m。
25.实施例3本实施例水基切削液的制备，包含以下步骤：（1）多功能表面活性剂制备取一带有搅拌与温度计的1000 ml容积四口烧瓶作为反应烧瓶放置在油浴锅上，缓慢加入265.91 g物质b（n=15）、66.30 g物质c、99.66 g甲苯和0.43 g催化剂甲基磺酸；连接分水器，分水器上端连接冷凝管；开启搅拌，将反应烧瓶内物料升温至100 ℃加热；当分水器中收集的水分的质量大于5.18 g时反应停止，此时酯化反应率大于96%；将分水器取下，换用水平冷凝管，水平冷凝管一端连接反应烧瓶，另一端连接另一500 ml容积的三口烧瓶作为带水剂的收集瓶；500 ml容积三口烧瓶其中一个口连接真空
泵，另一口封闭。保持反应烧瓶内物料温度100 ℃，减压蒸馏30 min，再将反应烧瓶内物料升温至130 ℃，继续减压蒸馏30 min；减压蒸馏结束，将反应烧瓶中的物料降温至50 ℃，加入0.56 g 30 wt% naoh溶液，再加入326.81 g水，搅拌15min；停止搅拌，自然冷却至室温，收集反应烧瓶中的产物，产物即为多功能表面活性剂，标记为mf-3；（2）水基切削液制备将 20.0份上述制备多功能表面活性剂mf-3、10.0份异构十三醇聚氧乙烯醚（eo=9)、20.0份甘油、2.0份甲基异噻唑啉酮、0.3份聚醚改性有机硅消泡剂加入47.7份去离子水中，搅拌均匀即得所述水基切削液。
26.实施例3制备的多功能表面活性剂mf-3的3 wt%质量浓度的水溶液采用鼓泡法动态表面张力测试中0.5 s以内得到稳定的表面张力值；采用铂金板法测试的静态表面张力值为26.9 mn/m。
27.本发明合成的多功能表面活性剂分子结构中的eo单元数n值为5～15之间。当n值小于5时产物在水中的溶解度较低，不利于切削过程中的润湿与渗透；当eo数大于15时，其快速降低表面张力的性能下降。
28.本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

技术特征：

1.一种水基切削液，包含有润滑剂、保湿剂、杀菌剂、消泡剂、去离子水和如下通式a所示多功能表面活性剂，其中，通式a为：其中：n为5～15之间。2.根据权利要求1所述水基切削液，其特征在于，所述多功能表面活性剂具有快速降低表面张力的能力，其3 wt%质量浓度的水溶液采用鼓泡法动态表面张力测试中0.5 s以内得到稳定的表面张力值。3.根据权利要求1所述水基切削液，其特征在于，所述多功能表面活性剂3 wt%质量浓度的水溶液采用铂金板法测试的静态表面张力值为23.0-27.0 mn/m。4.根据权利要求1所述水基切削液，其特征在于，所述多功能表面活性剂由如下通式所示物质b与物质c通过酯化反应合成，在水基切削液中的质量百分比为10.0～20.0%之间：。5.根据权利要求4所述水基切削液，其特征在于，所述物质b与物质c的酯化反应，催化剂为甲基磺酸、苯磺酸、浓硫酸、氯铂酸中的一种；反应温度为90～110 ℃之间；带水剂为甲苯、二甲苯中的一种。6.根据权利要求1所述水基切削液，其特征在于，所述润滑剂为异构醇聚氧乙烯醚，在水基切削液中的质量百分比为5.0～10.0%之间；所述保湿剂为乙二醇、丙二醇、甘油、聚甘油中的一种或两种及以上的混合物，在水基切削液中的质量百分比为10.0～20.0%之间；所述杀菌剂为苯丙异噻唑啉酮或甲基异噻唑啉酮中的一种或两种的混合物，在水基切削液中的质量百分比为0.5～2.0%之间；所述消泡剂为聚醚改性有机硅消泡剂，在水基切削液中的质量百分比为0.1～0.3%之间；所述去离子水在水基切削液中的质量百分比为47.7～74.4%之间。7.一种根据权利要求1至6所述水基切削液的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：（1）多功能表面活性剂制备取一带有搅拌与温度计的1000 ml容积四口烧瓶作为反应烧瓶放置在油浴锅上，缓慢加入223.18 g物质b（n=5）、110.50 g物质c、100.10 g甲苯和0.43 g催化剂甲基磺酸；连接
分水器，分水器上端连接冷凝管；开启搅拌，将反应烧瓶内物料升温至100 ℃加热；当分水器中收集的水分的质量大于8.64 g时停止反应，此时酯化反应率大于96%；将分水器取下，换用水平冷凝管，水平冷凝管一端连接反应烧瓶，另一端连接另一500 ml容积的三口烧瓶作为带水剂的收集瓶；500 ml容积三口烧瓶其中一个口连接真空泵，另一口封闭；保持反应烧瓶内物料温度100 ℃，减压蒸馏30 min，再将反应烧瓶内物料升温至130 ℃，继续减压蒸馏30 min；减压蒸馏结束，将反应烧瓶中的物料降温至50 ℃，加入0.56 g 30 wt% naoh溶液，再加入324.68 g水，搅拌15min；停止搅拌，自然冷却至室温，收集反应烧瓶中的产物，产物即为多功能表面活性剂，标记为mf-1；（2）水基切削液制备将 10.0份上述制备多功能表面活性剂mf-1、5.0份异构十一醇聚氧乙烯醚（eo=13）、10.0份乙二醇、0.5份苯丙异噻唑啉酮、0.1份聚醚改性有机硅消泡剂加入74.4份去离子水中，搅拌均匀即得所述水基切削液。8.一种根据权利要求1至6所述水基切削液的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：（1）多功能表面活性剂制备取一带有搅拌与温度计的1000 ml容积四口烧瓶作为反应烧瓶放置在油浴锅上，缓慢加入333.18 g物质b（n=10）、110.50 g物质c、133.10 g甲苯和0.58 g催化剂甲基磺酸；连接分水器，分水器上端连接冷凝管；开启搅拌，将反应烧瓶内物料升温至100 ℃加热；当分水器中收集的水分的质量大于8.64 g时停止反应，此时酯化反应率大于96%；将分水器取下，换用水平冷凝管，水平冷凝管一端连接反应烧瓶，另一端连接另一500 ml容积的三口烧瓶作为带水剂的收集瓶；500 ml容积三口烧瓶其中一个口连接真空泵，另一口封闭；保持反应烧瓶内物料温度100 ℃，减压蒸馏30 min，再将反应烧瓶内物料升温至130 ℃，继续减压蒸馏30 min；减压蒸馏结束，将反应烧瓶中的物料降温至50 ℃，加入0.75 g 30 wt% naoh溶液，再加入434.68 g水，搅拌15min。停止搅拌，自然冷却至室温，收集反应烧瓶中的产物，产物即为多功能表面活性剂，标记为mf-2；（2）水基切削液制备将 15.0份上述制备多功能表面活性剂mf-2、7.5份异构十三醇聚氧乙烯醚（eo=11)、15.0份丙二醇、1.5份苯丙异噻唑啉酮、0.2份聚醚改性有机硅消泡剂加入60.8份去离子水中，搅拌均匀即得所述水基切削液。9.一种根据权利要求1至6所述水基切削液的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：（1）多功能表面活性剂制备取一带有搅拌与温度计的1000 ml容积四口烧瓶作为反应烧瓶放置在油浴锅上，缓慢加入265.91 g物质b（n=15）、66.30 g物质c、99.66 g甲苯和0.43 g催化剂甲基磺酸；连接分水器，分水器上端连接冷凝管；开启搅拌，将反应烧瓶内物料升温至100 ℃加热；当分水器中收集的水分的质量大于5.18 g时反应停止，此时酯化反应率大于96%；将分水器取下，换用水平冷凝管，水平冷凝管一端连接反应烧瓶，另一端连接另一500 ml容积的三口烧瓶作为带水剂的收集瓶；500 ml容积三口烧瓶其中一个口连接真空泵，另一口封闭。保持反应烧瓶内物料温度100 ℃，减压蒸馏30 min，再将反应烧瓶内物料升温至130 ℃，继续减压蒸馏30 min；减压蒸馏结束，将反应烧瓶中的物料降温至50 ℃，加入0.56 g 30 wt% naoh溶液，再加入326.81 g水，搅拌15min；停止搅拌，自然冷却至室温，收集反应
烧瓶中的产物，产物即为多功能表面活性剂，标记为mf-3；（2）水基切削液制备将 20.0份上述制备多功能表面活性剂mf-3、10.0份异构十三醇聚氧乙烯醚（eo=9)、20.0份甘油、2.0份甲基异噻唑啉酮、0.3份聚醚改性有机硅消泡剂加入47.7份去离子水中，搅拌均匀即得所述水基切削液。

技术总结

本发明提供了一种水基切削液，包含有润滑剂、保湿剂、杀菌剂、消泡剂、去离子水和一种多功能表面活性剂。本发明水基切削液中的多功能表面活性剂具有高的表面活性，与商业表面活性剂相比，能够更快速的降低体系表面张力，在切削加工过程中迅速带动体系内的润滑组分迁移至加工表面，降低切削阻力。同时，具有适宜的静态表面张力值，不会因静态表面张力值太低而导致加工过程中产生的气泡无法快速的消泡，因而可以少量添加消泡剂既可以取得好的消泡效果。此外，多功能表面活性剂结构中的N原子和S原子与金属原子之间存在化学吸附作用，使得刚暴露出来的金属表面迅速被多功能表面活性剂占据，利用切削过程中产生的大量热量促进N原子和S原子与金属原子反应生成硬质膜层，具有优异的防锈性能。防锈性能。