馬國梁，榮捷，陳鮮偉

(中國石油潤滑油公司，北京 100028)

水溶性高分子化合物在金屬加工潤滑劑中的應(yīng)用

馬國梁，榮捷，陳鮮偉

(中國石油潤滑油公司，北京 100028)

闡述了水溶性高分子化合物的種類以及金屬加工潤滑劑所用水溶性高分子化合物的典型品種，并分別介紹了其在金屬加工過程中用做潤滑劑、表面活性劑及消泡劑的水溶性高分子化合物的性能特點(diǎn)，指出利用水溶性高分子化合物本身具有的雙親性及親水基團(tuán)具有的化學(xué)反應(yīng)活性，可以強(qiáng)化和發(fā)展該類化合物的更多功能。

水溶性高分子；金屬加工；添加劑；性能特點(diǎn)

0 引言

金屬加工液廣泛用于金屬切削和塑性加工，起到冷卻和潤滑作用，從而提高工作效率。水溶性高分子在金屬加工液中應(yīng)用廣泛，其作用表現(xiàn)在提高金屬加工潤滑劑的潤滑性能、改變體系表面活性和摩擦系數(shù)，增加體系的防銹緩蝕和消泡能力等。

水溶性高分子化合物又稱為水溶性樹脂或水溶性聚合物，是一種強(qiáng)親水性的高分子材料，能溶解或溶脹于水中形成水溶液或分散體系。水溶性高分子可以分為三大類：天然水溶性高分子、半合成水溶性高分子和合成水溶性高分子[1]。合成水溶性高分子有聚合和縮合兩類。

水基金屬加工過程中用做添加劑的水溶性高分子化合物多是合成水溶性高分子，此類高分子化合物多具有優(yōu)秀的潤滑性能或其他金屬加工所需的性能特點(diǎn)，其潤滑性能能夠達(dá)到甚至超越一些油基潤滑液，同時通過分子設(shè)計(jì)等方式能夠優(yōu)化水溶性高分子的綜合性能，使其具備較強(qiáng)的極壓、防銹緩蝕、抗磨減摩等性能特點(diǎn)。

1 潤滑劑

優(yōu)良的金屬加工液能提供良好的潤滑以減少加工對象和加工工(模)具的磨損。金屬加工液與潤滑油的潤滑原理類同，即相對運(yùn)動的表面填充液體潤滑劑，減少摩擦磨損，使摩擦狀態(tài)從干摩擦過渡到邊界摩擦，理想情況下達(dá)到液體摩擦。金屬加工溫度一般較高，加工液中的水分子氣化逃逸，而其中的水溶性高分子化合物則保留在金屬表面起到潤滑、降低摩擦的作用。

1.1 水溶性聚醚

聚醚潤滑劑(分子量一般為2×104～4×104)本身具有高溫潤滑劑的多種使用性能并兼具良好的氧化安定性和剪切安定性，其中的水溶性聚醚是應(yīng)用較多的金屬加工潤滑劑。曾憲恕[2]、李茂生[3]等提到此類高分子化合物具有的逆溶性特點(diǎn)正是金屬加工液工作有效性的關(guān)鍵，即當(dāng)液體被帶入切削區(qū)或成形區(qū)的熱表面時, 液體溫度很快升至高于此類聚合物的濁點(diǎn),聚合物從液體中析出微小液滴浸潤金屬表面，像潤滑油一樣形成潤滑膜，在切削處或變形區(qū)起到優(yōu)良的潤滑作用。并且，聚醚水溶性高分子具有更好的冷卻性、穩(wěn)定性、抗菌性, 使用壽命較長。

1.2 水溶性改性聚醚

金屬加工中由于油基潤滑劑耐高溫和清洗能力較差，近年來很多學(xué)者將研究具有減少摩擦、控制磨損等某些特性的水溶性高分子化合物添加劑作為水基潤滑液技術(shù)研究的重要方向之一[4-6]。

何建國[7]利用四球試驗(yàn)機(jī)研究了蓖麻油聚氧乙烯醚水溶液的摩擦學(xué)性能，研究表明水溶性蓖麻油聚氧乙烯醚能夠作為減摩抗磨添加劑配制水基加工液，使加工液具有較好的減摩抗磨性能。其規(guī)律為：在較高的濃度范圍，升高蓖麻油聚氧乙烯醚溶液濃度能提高溶液的減摩性能，但不會無限制提高，在濃度達(dá)到一定程度時會因溶液內(nèi)剪切應(yīng)力較大而性能下降，宏觀表現(xiàn)為摩擦力增加、摩擦系數(shù)上升。

劉俊銘[8]在聚氧乙烯基醚水基潤滑液摩擦學(xué)特性研究中詳細(xì)分析了四種聚氧乙烯基醚在水溶液中的摩擦學(xué)性能，并從動力黏度、成膜性能、減摩抗磨性能幾個方面進(jìn)行了綜合分析，證明四種聚醚中蓖麻油聚氧乙烯醚EL-40在水溶液中的減摩抗磨性能較為優(yōu)秀、成膜能力較強(qiáng)，是一種性能優(yōu)秀、無毒無害的水基潤滑添加劑。

孫躍濤[9]在無規(guī)共聚醚水基潤滑液的摩擦學(xué)性能試驗(yàn)研究中，分析對比了幾種無規(guī)共聚醚的減摩抗磨性能、成膜性能、流變性能等，證明了月桂酸無規(guī)共聚醚水溶液具有良好的減摩抗磨效果，究其原因是LPE水溶液潤滑時形成了一種以化學(xué)吸附膜為主的邊界潤滑膜，由于成膜較為穩(wěn)定，所以呈現(xiàn)出良好的減摩抗磨效果。

管文超[10]利用含有-COOH、-NH2或(CH2CH2O)n等基團(tuán)的醇類與P2O5反應(yīng)得到單取代或雙取代的磷酸酯，然后與金屬氧化物或胺類反應(yīng)得到磷酸酯鹽，最后與一種含S、N的雜環(huán)化合物反應(yīng)得到一種新型的含硫、氮雜環(huán)的水溶性高分子化合物，用于水基金屬加工液中，具有較好的極壓性能, 同時有著良好的抗腐蝕能力。

2 表面活性劑

水溶性高分子表面活性劑是金屬加工中用量較大的一類添加劑，其具有潤濕、分散、乳化、增溶、起泡、消泡、洗漆、潤滑、滲透、抗靜電、防腐燭、殺菌等多方面的功能。金屬加工乳化/合成液的某些基本性能和表面活性劑的乳化能力有關(guān)。高分子表面活性劑具有很強(qiáng)的界面吸附能力，而且其在界面上的吸附不像低分子表面活性劑那樣易受物理因素的影響。因此它在低濃度時就可顯示出明顯的效果。同時，多數(shù)高分子表面活性劑具有生物相容性和環(huán)境友好性，符合現(xiàn)代金屬加工液的發(fā)展要求。

自從1954年美國Wyandotte公司報(bào)道了合成非離子型聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物高分子表面活性劑后，各種具有多種功能的合成高分子表面活性劑被相繼開發(fā)出來[11]。

曹曉榮[12]研究認(rèn)為脂肪醇/酸聚氧乙烯醚型非離子表面活性劑具有耐鹽、耐酸堿、抗靜電、毒性小以及易生物降解等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用做增溶劑、乳化劑、洗滌劑。他發(fā)現(xiàn)隨著濃度的增加烷基醇聚氧乙烯醚表面活性劑可在水溶液中形成球狀膠束、蠕蟲狀膠束簇、層狀相及反膠束，但該物質(zhì)分子量應(yīng)處于103水平，并不算嚴(yán)格意義上的高分子。隨后，他又利用乳液聚合法合成了一種陽離子型含大量酰胺基團(tuán)的高分子表面活性劑，表面張力測定發(fā)現(xiàn)該陽離子型表面活性劑具有較好的表面活性，黏度測定結(jié)果表明在水溶液中表現(xiàn)出明顯的電黏效應(yīng)，穩(wěn)態(tài)熒光結(jié)果說明聚合物在溶液中形成了疏水微區(qū)，隨著濃度的增加，分子在水中可形成球狀膠束、柱狀膠束和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致體系表觀黏度先降低后增加，并發(fā)現(xiàn)陰離子表面活性劑與陽離子高分子表面活性劑有明顯的相互作用。李明勇[13]合成了陽離子型以碳、氫、氧為主鏈，特定功能基團(tuán)季銨基位于側(cè)鏈的新型的聚醚季銨鹽高分子表面活性劑，由于主鏈含有醚鍵，側(cè)鏈含有季銨基團(tuán)，該聚合物具有良好的親水疏水性。對聚醚季銨鹽水溶液的研究表明，聚醚季銨鹽具有強(qiáng)的表面張力時間效應(yīng)，可以顯著降低水溶液的表面張力，聚醚季銨鹽的水溶性較好，乳化后分散性能的穩(wěn)定性比較高。吳明清、陳洪齡[14]合成了甲基二烯丙基氯化銨/1-十六烯共聚物高分子表面活性劑，產(chǎn)品易溶于水，具有較小的臨界膠束濃度，潤濕滲透性好，并對碳鋼均有一定的防腐性能。

3 消泡劑

在金屬加工過程中潤滑液產(chǎn)生的泡沫有很大的破壞性，它能產(chǎn)生虛假液面，使液體流動復(fù)雜化，降低加工液的冷卻、潤滑能力。改善加工液的抑泡或消泡能力的途徑之一就是加入具有抗/消泡能力的添加劑，這類添加劑主要是硅油和非硅型的聚醚類和高分子量酰胺等。

上世紀(jì)60年代，隨著聚醚工業(yè)的迅速發(fā)展，聚醚類消泡劑發(fā)展非常迅速。傳統(tǒng)的通用型聚醚由于分子鏈末端活性羥基的存在，不耐酸堿和高溫，用做表面活性劑時反而容易產(chǎn)生較多的泡沫。自20世紀(jì)70年代以來，世界各國相繼開發(fā)了一批功能性聚醚，其中較重要的就有封端聚醚[15]。聚醚型消泡劑是一種性能優(yōu)良的水溶性非離子表面活性劑，當(dāng)加工液升溫到聚醚的濁點(diǎn)，聚醚消泡劑就可以發(fā)揮消泡作用。

胡偉[16]將聚醚通過接枝的方法接到硅油鏈上，合成了一種聚醚改型聚硅氧烷消泡劑，對降低表面張力有較強(qiáng)的作用，消泡能力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好，并具有化學(xué)和生理惰性，對大多數(shù)起泡介質(zhì)能予以優(yōu)異的消泡性能。實(shí)驗(yàn)所用含氫硅油鏈段的相對分子質(zhì)量在幾千至幾萬之間。

4 結(jié)束語

水溶性高分子化合物本身具有的雙親性使其在金屬加工液配方體系中發(fā)揮著重要作用。其親水性基團(tuán)不僅使化合物具有水溶性，而且還具有化學(xué)反應(yīng)功能以及成膜、潤滑、分散、增黏、減摩、黏合、成膠、螯合等多種物理功能。利用親水基團(tuán)的化學(xué)反應(yīng)功能還可以使高分子化合物具有更多所希望的功能?？蒲泄ぷ髡邞?yīng)充分研究并利用此類化合物的性能特點(diǎn)，開發(fā)更多的環(huán)境友好、多功能化水溶性高分子化合物，使其在金屬加工中發(fā)揮更好的作用，提高國內(nèi)金屬加工水平和工作效率。

[1] 嚴(yán)瑞萱.水溶性高分子[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998.

[2]曾憲恕.聚醚潤滑劑(五)[J].合成潤滑材料,2000(4): 32-36.

[3] 李茂生.水溶性聚醚在金屬加工液中的應(yīng)用[J].合成潤滑材料,2003(4):8-10.

[4]王家序.水基切削液的研制及應(yīng)用[J].潤滑與密封,2002(1):60-61.

[5]吳超.環(huán)境友好型水基潤滑劑的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006, 28(4):32-36.

[6]于坤.不同連接體合成的水溶性可生物降解潤滑添加劑的摩擦學(xué)性能初探[J].潤滑油，2004,19(2):35-37.

[7]何建國.蓖麻油聚氧乙烯醚水溶液的摩擦學(xué)性能研究(碩士論文)[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[8] 劉俊銘.聚氧乙烯基醚水基潤滑液摩擦學(xué)特性研究[D].北京:北京交通大學(xué),2010.

[9] 孫躍濤.月桂酸無規(guī)共聚酸水溶液減摩抗磨性能試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011,47(23)：125-129.

[10] 管文超,王昌平.改善高水基流體承載能力的研究[J].湖北化工,1995(1):37-39.

[11] 張志慶.多枝狀嵌段聚醚高分子表面活性劑的合成、表征與應(yīng)用(博士論文)[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2005.

[12]曹曉榮.水溶性高分子表面活性劑聚集行為(博士學(xué)位論文)[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué),2007.

[13]李明勇.聚醚季胺高分子表面活性劑鹽的合成、表征及性能研究(碩士學(xué)位論文)[D].武漢：湖北大學(xué)，2012.

[14] 吳明清,陳洪齡.一種新型水溶性高分子表面活性劑PDH的合成及性能[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,35(6):60-64.

[15] PE Austin, DD Farris, JD Reely. Process for the Preparation of Organopolysiloxane Surfactants: US,4857583 [P].1989.

[16]胡偉.聚醚改性有機(jī)硅消泡劑的合成研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2008.

Application of Water-soluble Polymer Compound in Metal-working Lubricant

MA Guo-liang, RONG Jie, CHEN Xian-wei

(PertoChina Lubricant Company, Beijing 100028, China)

The paper described the typical varieties of the water-soluble polymer compounds and of which used in metal-working lubricant, and expressed some of their performance characteristics used as lubricant, surface active agent and defoaming agent in the metal working process. It was pointed out that more functions of this compound can be enhanced and developed by using the chemical reaction activity of the amphiphilic and hydrophilic groups of water-soluble polymers.

water-soluble polymer; metal working; additive; performance characteristics

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.01.005

1002-3119(2017)01-0026-03

TE624.82

A

2016-07-12。

馬國梁，助理工程師，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)化工學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)，曾從事合成基礎(chǔ)油的開發(fā)，現(xiàn)從事潤滑油技術(shù)研發(fā)管理工作。E-mail：maguoliang_rhy@petrochina.com.cn