＊石文杰 穆志軍 白玉香 呂祎彤

（西北民族大學(xué)化工學(xué)院 甘肅 730000）

改性微納米TiO2用于改進(jìn)水基切削液潤(rùn)滑性能的研究

＊石文杰 穆志軍 白玉香 呂祎彤

（西北民族大學(xué)化工學(xué)院 甘肅 730000）

采用溶膠-凝膠法（Sol-Gel法）水解鈦酸四正丁酯制得微納米TiO2，并利用硅烷偶聯(lián)劑KH550對(duì)微納米TiO2進(jìn)行表面改性。將制得的微納米TiO2-KH550添加到水基金屬切削液中，經(jīng)沉降實(shí)驗(yàn)和紅外實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)制得的微納米TiO2-KH550同時(shí)具有良好的親水性及分散穩(wěn)定性；其潤(rùn)滑性能較國(guó)內(nèi)其他普通的水基金屬切削液有了較為明顯的提高，PB值可達(dá)到721N。

潤(rùn)滑；微納米TiO2；表面修飾；金屬切削液

隨著全球范圍內(nèi)能源危機(jī)和環(huán)境污染日趨嚴(yán)峻，對(duì)金屬加工行業(yè)也提出了實(shí)行節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)的要求。油基金屬切削液在使用過程中存在著易腐敗變質(zhì)、油泥難處理等諸多問題，而且難以滿足日漸苛刻的生產(chǎn)條件，而水基切削液由于具有導(dǎo)熱系數(shù)大,冷卻、潤(rùn)滑和防銹性能好等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注、發(fā)展迅速，在機(jī)械加工工業(yè)中已被廣泛采用，但也存在著潤(rùn)滑性能不足、防腐性能差等問題。然而隨著微納米潤(rùn)滑技術(shù)的提出及發(fā)展為解決油基潤(rùn)滑劑存在的問題和水基切削液的缺點(diǎn)提供了新的思路。微納米微球作為具有“滾動(dòng)”特性的新型潤(rùn)滑劑得到了廣泛的研究，通過對(duì)微納米材料的表面修飾，使之在基體材料中納米級(jí)分散制備應(yīng)用納米復(fù)合材料改善水基金屬切削液的潤(rùn)滑性能，經(jīng)過修飾的微納米固體添加劑應(yīng)用于水基金屬切削液具有明顯的理論創(chuàng)新和廣泛的應(yīng)用前景。

本文采用Sol-Gel法制得微納米TiO2再利用偶聯(lián)劑對(duì)微納米TiO2進(jìn)行了表面改性采用傅里葉（FT-IR）以及沉降試驗(yàn)對(duì)改性效果進(jìn)行了分析表征，測(cè)定了微納米在水基體系中的分散穩(wěn)定性。按照一定工藝流程制備了效果優(yōu)良的新型水基微納米金屬液，并依照GB/T6144-2010《合成切削液》對(duì)其抑泡性、腐蝕性、防銹性以及潤(rùn)滑性進(jìn)行了檢測(cè)，主要為潤(rùn)滑性能檢測(cè)。

1.實(shí)驗(yàn)

(1)材料與儀器

①主要原料與試劑

試劑 純度 生產(chǎn)廠家鈦酸四正丁酯 分析純 上海試劑三廠聚乙二醇 分析純 隴西凱華化工有限責(zé)責(zé)公司

KH550（含量≥98%） 分析純 濟(jì)南國(guó)邦化工有限公司無水乙醇 色譜純 西安藍(lán)宇化工原料有限公司三乙醇胺 分析純 永新化工廠

②主要實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

儀器名稱 型號(hào) 生產(chǎn)廠家電子天平 JA2003N 上海精密科學(xué)儀器有限公司磁力加熱攪拌儀 N78-雙控 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司四球立式摩擦磨損MM-W1A 濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)有試驗(yàn)機(jī) 限公司傅里葉紅外光譜儀 IR-6700 美國(guó)尼高立電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 DHG-9070A 上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司

(2)微納米TiO2粒子的制備

取15ml鈦酸四正丁酯緩慢加入到90ml無水乙醇中，加入10wt%的聚乙二醇作為分散劑，超聲10min后再磁力攪拌15min，使其形成均勻的淡黃色溶液。再將10ml蒸餾水、2ml冰醋酸，加入到35ml無水乙醇中，再滴入40滴濃硝酸，調(diào)節(jié)pH到 1-2，磁力攪拌15min，得到透明的溶液。將先前制好的淡黃色溶液裝入滴定管中，以約3ml/min的速度滴入透明溶液中，完全滴完后，再磁力攪拌30min，再滴入約10ml的氨水，調(diào)節(jié)pH到8-10后，形成Ti(OH)4溶膠，再磁力攪拌5min，使其反應(yīng)均勻。將形成的溶膠轉(zhuǎn)入高壓釜內(nèi)，升溫（＜270℃），造成高溫、高壓的環(huán)境，使難溶或不容的物質(zhì)溶解并且重結(jié)晶，恒溫一段時(shí)間，卸壓后，經(jīng)洗滌、干燥即可得到納米級(jí)的TiO2粉體。

(3)微納米TiO2粒子表面改性

稱取5．0gTiO2粉末，將其置于干燥箱內(nèi)，將溫度設(shè)為100℃，并且烘30min，再將40ml無水乙醇加入到干燥燒瓶中，并將TiO2粉末加入到該干燥燒瓶中，并且對(duì)藥品不斷進(jìn)行攪拌。再稱取5．0g KH550放入燒杯中，向燒杯中加入15ml乙醇進(jìn)行預(yù)水解。之后在快速機(jī)械攪拌下將KH550水解液緩慢滴入上述裝有無水乙醇的燒瓶中，回流冷凝，將該燒瓶置于水浴中升溫，攪拌反應(yīng)4h。在這一反應(yīng)過程中體系始終呈現(xiàn)白色穩(wěn)定的乳液狀，而且體系溫度始終穩(wěn)定在80℃。反應(yīng)結(jié)束后通過高速離心的方法去除多余的KH550，最后進(jìn)行干燥研磨得到接枝物納米TiO2-KH550。

(4)微納米TiO2儀器與分析表征

利用傅里葉變換紅外光譜儀（IR-6700型）表征微納米TiO2表面紅外光譜的變化，KBr壓片制樣，測(cè)波數(shù)范圍為400～4000cm-1；改性后納米TiO2粒子形貌采用場(chǎng)發(fā)射高分辨透射電子顯微鏡觀察其形貌。

(5)水基金屬切削液的制備

取極壓潤(rùn)滑劑（聚乙二醇、聚醚等）4．50%、防銹劑（三乙醇胺、硼酸鹽）0．35%、消泡劑（聚硅氧烷衍生物乳液）0．05%、殺菌劑少許，溶于去離子水（質(zhì)量占95%）中，加熱至40℃并攪拌至各種添加劑溶解即可，調(diào)節(jié)體系值為9，再向配制全合成切削液加入不同濃度表面改性的微納米進(jìn)行分散。

(6)微納米TiO2于切削液中分散性測(cè)試

稱取適量的加入未接枝的和接枝的微納米TiO2的切削液分別置于20ml刻度管中，充分震蕩后觀察微納米TiO2粒子沉降情況，比較上層溶劑變澄清所需要的時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)，粒子的分散性越好。用紫外可見分光光度計(jì)（Unico UV－2102PC型）測(cè)定上層清液的透光率，透光率越小，說明懸浮的粒子越多，其分散性越好。并通過高速離心機(jī)離心沉降，測(cè)定隨著離心時(shí)間的增加透光率的變化。

(7)微納米TiO2金屬切削液潤(rùn)滑測(cè)試

通過四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)未添加微納米TiO2-KH550以及添加不同濃度微納米TiO2-KH550金屬切削液的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了綜合研究和測(cè)試。

2.結(jié)果與討論

(1)KH550的作用機(jī)理

微納米TiO2粒子表面存在大量羥基基團(tuán)，而這些羥基接枝聚合提供了理論的可能。通常認(rèn)為，硅烷偶聯(lián)劑與無機(jī)粒子作用包括共價(jià)鍵、氫鍵、和物理吸附作用。微納米TiO2粒子接枝KH550的實(shí)驗(yàn)過程根據(jù)Arkles提出的反應(yīng)模式可以解釋，具體反應(yīng)機(jī)理如下圖：

第一步：KH-550的水解反應(yīng)

圖1 微納米TiO2粒子表面接枝KH550的反應(yīng)示意圖

(2)微納米TiO2-KH550的紅外光譜（FT-IR）分析

為了對(duì)微納米TiO2及其改性產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，本實(shí)驗(yàn)對(duì)接枝物進(jìn)行FI-IR測(cè)試，紅外譜譜圖見圖2。

圖2 KH550、微納米TiO2及其改性產(chǎn)物的紅外光譜圖

紅外光譜圖證實(shí)了改性的微納米TiO2已經(jīng)被接枝，存在有機(jī)基團(tuán)。由圖2可知，3774cm-1處為TiO2表面的-OH吸收峰，由圖中第二條和第三條吸收峰的線可知在489cm-1處的峰為Ti-O-Ti鍵的特征吸收峰。由KH550的吸收峰的線與改性微納米TiO2吸收峰的線對(duì)比可知，經(jīng)KH550的作用后，譜圖中出現(xiàn)了明顯的有機(jī)基團(tuán)的吸收峰，在3217cm-1和3426cm-1分別對(duì)應(yīng)亞甲基和甲基的C-H鍵的伸縮振動(dòng)峰，而TiO2卻沒有吸收峰在這個(gè)位置，還有在1284cm-1處胺基N-H鍵的彎曲振動(dòng)吸收峰。綜上，可以說明KH550已經(jīng)成功接枝在微納米TiO2上。

(3)微納米TiO2-KH550的分散穩(wěn)定性

取一定量的水基金屬切削液來考察未接枝的微納米TiO2和微納米TiO2-KH550在其中的分散性。經(jīng)超聲充分分散，取出靜置，觀察發(fā)現(xiàn)在金屬切削液中，未經(jīng)處理的微納米TiO2懸濁液在自由沉降5h后變得澄清，測(cè)得其澄清液的透光率接近1。10h后，經(jīng)處理的微納米TiO2懸濁液仍然保持混濁，UV透光率幾乎為零，可以看出成功鍵合的微納米TiO2分散體系的穩(wěn)定性要優(yōu)于未改性的微納米TiO2分散體系。然后再換用離心沉降的方法，以4000r/min的速度離心，圖3為微納米TiO2-KH550在水基金屬切削液的透光率隨離心時(shí)間變化曲線。

The Study about the modification of micro-nano TiO2is used for improving the lubricating property of water-based cutting fluids

Shi Wenjie, Mu Zhijun, Bai Yuxiang, Lv Yitong
(Northwest university for nationalities institute of chemical industry, Gansu, 730000)

Micro-nano TiO2is made by hydrolyze tetra-n-butyl titanate through Sol-Gel chromatography and use silane coupling agent KH550 to make surface modification.The micro-nano TiO2-KH550 which has made is added to water-based mental cutting fluid.Sedimentation experiment and Infrared experiment results show that micro-nano TiO2-KH550 have both well hydrophilia and dispersion stability; compared with any other ordinary water-based mental cutting fluid in the country, it’s lubricating property has the obvious enhancement,the value of PB can arrive 721N.

lubrication；micro-nano TiO2；surface finish；mental cutting liquid

圖3 接枝改性后微納米TiO2在金屬切削液中的透光率曲線

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