水基切削液组合物及其制备方法

摘要

本发明涉及水基切削液组合物及其制备方法，主要解决现有技术中切削液抗硬水稳定性的问题。本发明通过采用以重量份数计包括a)0.5～20份的乳化剂；b)3～20份的防锈剂；c)0.5～20份的磷酸酯胺盐；d)40～96份的基础油；所述磷酸酯胺盐，其分子结构式为：

说明书

技术领域

本发明涉及一种水基切削液组合物及其制备方法。

背景技术

在金属切削加工过程中，刀具的前刀面与切屑、刀具的后刀面与工件之间发生剧烈摩 擦，产生大量的摩擦热和变形热，容易导致刀具磨损、工件表面质量下降。为了减小切削 阻力，降低切削温度并及时将热量传递出去，需要在刀具和工件之间注入冷却介质即切削 液。切削液的合理选用，将有利于延长刀具的使用寿命、提高工件的表面光洁度，从而达 到提高生产效率和工件质量、降低生产成本的目的。

在金属切削加工过程中，切削液主要发挥着润滑和冷却作用，同时兼顾防锈、清洗和 抗微生物性能等。在现场使用时，切削液通常需要用90％以上的水进行稀释。如果配液用 水水质硬度较大，容易导致稀释液可见性变差，严重时会使乳化稳定性变差而产生油水分 离。尤其切削液抗硬水能力较差时，硬水中的钙镁离子会与体系的功能添加剂发生反应， 使其析出、凝结并沉淀，导致切削液的润滑、防锈等性能迅速下降。因此，抗硬水稳定性 是切削液产品的一个重要指标。尤其在中国的北方地区，水质硬度普遍较大，要求应用的 切削液具有良好的抗硬水能力，有效避免油皂的产生。

国内外关于水基切削液组合物有众多的报道和专利文献。专利CN101104831A“微乳 化型不锈钢切削液”公开的切削液由烷基酚聚氧乙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚非离子表面活 性剂、氯化石蜡、油酸、三乙醇胺等添加剂和基础油、水组成，专用于不锈钢的切削液加 工。专利CN101255375A“汽车离合器压盘立车专用切削液及其生产方法”公开了一种水 基切削液及其生产方法，采用苯甲酸钠、三乙醇胺、植酸、碳酸钠、聚乙二醇、丙三醇和 异噻唑啉酮等添加剂与余量去离子水调合而成。专利JP2007186537“cutting fluid”公开了 一种加工铸铁而不变色的高性能水基切削液，由饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸、二元羧酸、 脂肪酸金属盐等组成。上述专利文献均没有提到以磷酸酯胺盐作为切削液的重要组分，制 备抗硬水稳定性的水基切削液。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中切削液抗硬水稳定性的问题，提供一种 新的水基切削液组合物。该组合物在具有良好的润滑性、乳化性和防锈性的同时，还具有 更好的抗硬水稳定性。本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相 对应的水基切削液组合物的制备方法。

为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种水基切削液组合物，以 重量份数计包括以下组份：

a)0.5～20份的乳化剂；

b)3～20份的防锈剂；

c)0.5～20份的磷酸酯胺盐；

d)40～96份的基础油；

所述磷酸酯胺盐，其分子结构式为：

其中X为S或O，R为C₈～C₁₀₀的长链烯基，R1为醇胺或氨基醇，n＝1～100。

上述技术方案中，以重量份数计，乳化剂的用量优选范围为1～15份，更优选范围为 5～15份；防锈剂的用量优选范围为5～15份，更优选范围为5～10份；磷酸酯胺盐的用量 优选范围为1～15份，更优选范围为2～10份；基础油的用量优选范围为55～93份，更优 选范围为65～88份。磷酸酯胺盐中，R的优选方案为选自C₂₀～C₉₀的长链烯基，更优选方 案为选自C₆₀～C₈₀的长链烯基；n的优选范围为3～50，更优选范围为5～20；所述醇胺优 选方案为选自三乙醇胺、二乙醇胺、单乙醇胺、三异丙醇胺、二异丙醇胺或单异丙醇胺， 所述氨基醇优选方案为选自氨基丙醇、苯丙氨醇或亮氨醇。本发明组合物中，所述乳化剂 优选方案为C₁₀～C₂₀脂肪醇聚氧乙烯醚和选自GT-1200s、GT-1500s、GT-1900s、GT-1580vs 或GT-1910s中的至少一种；所述防锈剂优选方案为选自硼酸酯、硼酸盐、醇胺、脂肪酸 醇胺或脂肪酸酰胺中的至少一种；所述基础油优选方案为选自环烷基基础油、石蜡基基础 油或合成基础油中的至少一种。以重量份数计，所述水基切削液组合物优选方案为还包括 e)1～15份的油性剂，其中油性剂选自棕榈酸酸、硬酯酸、油酸、亚油酸、二聚亚油酸、 蓖麻醇酸、妥尔油酸或亚麻酸中的至少一种。所述水基切削液组合物优选方案为还包括f) 0.1～10份的耦合剂，其中耦合剂选自C₈～C₁₈脂肪醇中的至少一种。所述水基切削液组合物 优选方案为还包括g)0.1～4份的杀菌剂，其中杀菌剂选自三嗪、吗啉、吡啶钠-硫醇氧化 物、苯氧乙醇或异噻唑啉酮中的至少一种。所述水基切削液组合物优选方案为还包括h) 0.01～0.1份的消泡剂，其中消泡剂选自聚醚类抗泡剂、泡敌或乳化硅油中的至少一种。

为解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案如下：一种水基切削液组合物的制 备方法，包括以下步骤：将基础油泵入调合釜，加热至30℃～50℃时加入所需量的乳化剂、 防锈剂、磷酸酯胺盐、油性剂、杀菌剂、耦合剂和消泡剂，继续搅拌0.5～10小时即得所 述水基切削液组合物。

本发明中的磷酸酯胺盐是通过如下的化学反应制备的：

本发明中的磷酸酯铵盐的制备方法如下：

a)将C₈～C₁₀₀的长链烯基丁二酸酐和聚乙二醇PEG加入反应器中，边搅拌边加热，温 度控制在20～80℃，待搅拌均匀后再加热至100～200℃，维持反应2～48小时，得到混 合物A；其中长链烯基丁二酸酐和聚乙二醇PEG的摩尔比为1∶(0.1～5)；聚乙二醇的分 子量优选范围为100～4000，更优选范围为100～2000；

b)待混合物A冷却后加入五氧化二磷或五硫化二磷，加热至80～120℃，搅拌反应2～ 5小时，得到混合物B；其中五氧化二磷或五硫化二磷与长链烯基丁二酸酐的摩尔比为 (0.5～1.5)∶1；

c)向混合物B中加入醇胺或氨基醇，80～120℃条件下搅拌1～5小时，冷却后即得 所述磷酸酯胺盐；其中醇胺或氨基醇与长链烯基丁二酸酐的摩尔比为(1～3)∶1。

本发明的磷酸酯胺盐可通过红外分析光谱表征，扫描范围为4000～400cm^-1。在波数 为3710～3060cm^-1处为-OH的特征吸收峰，在波数为1650cm^-1处有为羰基特征吸收峰，在 波数为2950～2890cm^-1处为脂肪烷基的C-H吸收峰，在波数为924cm^-1处为的磷酸酯的P-O 键特征吸收峰，在波数为1093cm^-1处为C-O-C醚键的特征吸收峰。

本发明的水基切削液组合物由于含有磷酸酯胺盐，与乳化剂、防锈剂一同充分发挥了 各组分之间的协同作用，具有突出的抗硬水稳定性，能够满足水质硬度较大的工况；同时， 还具有良好的润滑性、乳化性和防锈性。该组合物能够显著减少硬水条件下的油皂量，说 明其具有突出的抗硬水稳定性；同时，能够显著提高切削液的乳液稳定性，说明其具有较 好的乳化能力；锈蚀程度减轻，说明其具有良好的防锈能力；能够较大程度提高切削液的 最大无卡咬负荷PB值、降低切削液的磨斑直径，说明其具有良好的润滑性能，取得了较好 的技术效果。

下面通过实施例对本发明作进一步阐述。

说明书附图

图1为本发明中的磷酸酯胺盐的红外分析光谱。

其中，波数为3710～3060cm^-1处为-OH的特征吸收峰，在波数为1650cm^-1处有为羰基 特征吸收峰，在波数为2950～2890cm^-1处为脂肪烷基的C-H吸收峰，在波数为924cm^-1处 为的磷酸酯的P-O键特征吸收峰，在波数为1093cm^-1处为C-O-C醚键的特征吸收峰。

具体实施方式

【实施例1】

将1摩尔C₇₁长链烯基丁二酸酐和1摩尔聚乙二醇(PEG400)加入反应容器中，装上 回流冷凝管，边搅拌边加热，温度控制在35℃，待搅拌均匀后再加热至100℃，维持反应 20小时。待上述反应混合物冷却后加入0.5摩尔五氧化二磷，加热至80℃，搅拌反应2小 时后向容器中加入1摩尔三乙醇胺，80℃条件下搅拌反应2小时，冷却后得最终产物如下：

其中，R1为三乙醇胺。对合成的产物进行红外光谱分析(扫描范围4000～400cm^-1)，具 有图1所示的特征峰。

【实施例2】

将1摩尔C₇₁长链烯基丁二酸酐和0.5摩尔聚乙二醇(PEG400)加入反应容器中，装 上回流冷凝管，边搅拌边加热，温度控制在35℃，待搅拌均匀后再加热至100℃，维持反 应20小时。待上述反应混合物冷却后加入0.5摩尔五硫化二磷，加热至80℃，搅拌反应2 小时后向容器中加入2摩尔三乙醇胺，80℃条件下搅拌反应2小时，冷却后得最终产物如 下：

其中，R1为三乙醇胺。

【实施例3】

将1摩尔十二烯基丁二酸酐和2摩尔聚乙二醇(PEG200)加入反应容器中，装上回流 冷凝管，边搅拌边加热，温度控制在35℃，待搅拌均匀后再加热至100℃，维持反应20 小时。待上述反应混合物冷却后加入0.5摩尔五氧化二磷，加热至80℃，搅拌反应2小时 后向容器中加入1摩尔三乙醇胺，80℃条件下搅拌反应2小时，冷却后得最终产物如下：

其中，R1为三乙醇胺。对合成的产物进行红外光谱分析(扫描范围4000～400cm^-1)，具 有图1所示的特征峰。

【实施例4】

将1摩尔的C₁₈长链烯基丁二酸酐和1摩尔聚乙二醇(PEG1000)加入反应容器中， 装上回流冷凝管，边搅拌边加热，温度控制在35℃，待搅拌均匀后再加热至100℃，维持 反应20小时。待上述反应混合物冷却后加入0.5摩尔五氧化二磷，加热至80℃，搅拌反 应2小时后向容器中加入1摩尔三乙醇胺，80℃条件下搅拌反应2小时，冷却后得最终产 物如下：

其中，R1为三乙醇胺。对合成的产物进行红外光谱分析(扫描范围4000～400cm^-1)，具 有图1所示的特征峰。

【实施例5】

将1摩尔C₇₁长链烯基丁二酸酐和1摩尔聚乙二醇(PEG2000)加入反应容器中，装 上回流冷凝管，边搅拌边加热，温度控制在35℃，待搅拌均匀后再加热至100℃，维持反 应20小时。待上述反应混合物冷却后加入0.5摩尔五氧化二磷，加热至80℃，搅拌反应2 小时后向容器中加入1摩尔单乙醇胺，80℃条件下搅拌反应2小时，冷却后得最终产物如 下：

其中，R1为单乙醇胺。对合成的产物进行红外光谱分析(扫描范围4000～400cm^-1)，具 有图1所示的特征峰。

【实施例6】

将1摩尔C₇₁长链烯基丁二酸酐和0.5摩尔聚乙二醇(PEG4000)加入反应容器中， 装上回流冷凝管，边搅拌边加热，温度控制在35℃，待搅拌均匀后再加热至100℃，维持 反应20小时。待上述反应混合物冷却后加入0.5摩尔五硫化二磷，加热至80℃，搅拌反 应2小时后向容器中加入1摩尔的2-氨基-2-甲基-1-丙醇，80℃条件下搅拌反应2小时，冷 却后得最终产物如下：

其中，R1为2-氨基-2-甲基-1-丙醇。

【实施例7】

将1摩尔C₇₁长链烯基丁二酸酐和2摩尔聚乙二醇(PEG400)加入反应容器中，装上 回流冷凝管，边搅拌边加热，温度控制在35℃，待搅拌均匀后再加热至150℃，维持反应 20小时。待上述反应混合物冷却后加入0.5摩尔五氧化二磷，加热至80℃，搅拌反应2小 时后向容器中加入1摩尔苯丙氨醇，80℃条件下搅拌反应2小时，冷却后得最终产物如下：

其中，R1为苯丙氨醇。对合成的产物进行红外光谱分析(扫描范围4000～400cm^-1)，具 有图1所示的特征峰。

【实施例8】

将1摩尔C₇₁长链烯基丁二酸酐和0.1摩尔聚乙二醇(PEG400)加入反应容器中，装 上回流冷凝管，边搅拌边加热，温度控制在35℃，待搅拌均匀后再加热至100℃，维持反 应20小时。待上述反应混合物冷却后加入0.5摩尔五氧化二磷，加热至80℃，搅拌反应2 小时后向容器中加入3摩尔单异丙醇胺，80℃条件下搅拌反应2小时，冷却后得最终产物 如下：

其中，R1为单异丙醇胺。对合成的产物进行红外光谱分析(扫描范围4000～400cm^-1)， 具有图1所示的特征峰。

【实施例9】

将1摩尔C₇₁长链烯基丁二酸酐和5摩尔聚乙二醇(PEG400)加入反应容器中，装上 回流冷凝管，边搅拌边加热，温度控制在35℃，待搅拌均匀后再加热至100℃，维持反应 20小时。待上述反应混合物冷却后加入1摩尔五氧化二磷，加热至80℃，搅拌反应2小 时后向容器中加入1摩尔二异丙醇胺，80℃条件下搅拌反应2小时，冷却后得最终产物如 下：

其中，R1为二异丙醇胺。对合成的产物进行红外光谱分析(扫描范围4000～400cm^-1)， 具有图1所示的特征峰。

【实施例10～23】

将基础油泵入调合釜，开动搅拌器和加热开关，待油品加热至40℃时依次加入所需量 的各组份，继续保温搅拌2小时即得到均匀透明液体。水基切削液组合物中各组份及其含 量见表1，其中磷酸酯胺盐由【实施例1～9】合成。表1中，

Genapol 0 020，脂肪酸聚氧乙烯醚，Clariant公司 Emulgen M，脂肪酸聚氧乙烯醚，Clariant公司

MOA-3，聚氧乙烯脂肪醇醚，浙江黄马化工公司     MOA-5，聚氧乙烯脂肪醇醚，浙江黄马化工公司

MOA-7，聚氧乙烯脂肪醇醚，浙江黄马化工公司     平平加-3，脂肪醇聚氧乙烯醚，天津助剂厂

平平加-7，脂肪醇聚氧乙烯醚，天津助剂厂        平平加-9，脂肪醇聚氧乙烯醚，天津助剂厂

GT-1200s，复合乳化剂，Lubrizol公司            GT-1500s，复合乳化剂，Lubrizol公司

GT-1580vs，复合乳化剂，Lubrizol公司           GT-1900s，复合乳化剂，Lubrizol公司

GT-1910s，复合乳化剂，Lubrizol公司            AMP-95，2-氨基-2-甲基-1-丙醇，DOW公司

L-AN32，全损耗系统用油，高桥炼油厂            L-AN5，全损耗系统用油，高桥炼油厂

L-AN15，全损耗系统用油，高桥炼油厂          HVI Ib 75，润滑油基础油，高桥炼油厂

T9，环烷基基础油，尼纳斯                    T22，环烷基基础油，尼纳斯

三羟甲基丙烷油酸酯，合成基础油              乳化硅油，上海树脂厂

泡敌，丙三醇聚氧丙烯氧乙烯醚，滨州化工厂    Anti foam HW，非硅抗泡剂，polartech公司

【实施例24】

将【实施例10～23】的切削液组合物分别用自来水和硬度为300ppm、600ppm、1200ppm 的水稀释，考察产品的抗硬水稳定性、防锈性和润滑性指标。测试结果见表2。

【对比例1】

与【实施例10】组成相同，只是不含磷酸酯胺盐，考察其抗硬水稳定性、防锈性和润 滑性指标。结果如表2所示。

【对比例2】

在【实施例14】所示的配方中，以自乳化酯(商品名Priolube 3955)替代磷酸酯胺盐。 考察其抗硬水稳定性、防锈性和润滑性指标。结果如表2所示。3955能够较大程度改善切 削液的抗硬水稳定性，但是最大无卡咬负荷P_B提高有限。

【对比例3】

在【实施例15】所示的配方中，以极压剂磷酸三甲苯酯替代磷酸酯胺盐。考察其抗硬 水稳定性、防锈性和润滑性指标。结果如表2所示。二烷基二硫代磷酸锌能够有效提高切 削液的最大无卡咬负荷P_B值，但是抗硬水稳定性没有改善。

表2

注：除抗硬水稳定性外，其余均用自来水稀释后进行试验。