基本信息
- 项目名称：
- 水基分散纳米石墨亲水改性及切削液制备研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 着眼于纳米石墨的亲水改性，旨在组方一种含有纳米石墨添加剂的水基切削液，以发挥纳米石墨的超润滑特性，弥补目前水基切削液冷却效果好，但润滑效果不佳的缺陷。试验先对纳米石墨进行亲水改性，然后将改性成功的纳米石墨液作为切削液添加剂加入到市售切削液中，对改性效果及切削液润滑性能进行了系列表征，效果良好。
- 详细介绍：
- 纳米石墨是一种近年来研究较多的无机非金属纳米材料, 它一方面具有普通石墨优良的自润滑性和化学稳定性,另一方面还具有纳米材料的体积效应、表面界面效应、量子尺寸效应等，因而在润滑领域具有广泛的应用前景，尤其是在超高温及边界润滑等条件苛刻的情况下，具有明显优势。但石墨的非亲水性极大地限制了其应用于水基润滑添加剂中的研究与开发。切削液是金属加工润滑剂中需求量最大的品种，广泛应用于机械制造领域。按产品形态划分，切削液可分为油基与水基两大类。水基切削液具有优良的冷却、清洗和防锈性能,且成本较低,无污染,符合可持续发展的社会要求。因此水基切削液越来越受到人们重视，但存在润滑性能差的不足，限制了水基切削液的广泛应用。 本文作者着眼于纳米石墨的亲水改性，采用自由基乳液聚合方法利用丙烯酸甲酯对纳米石墨进行水基分散试验，对工艺条件进行了优化，并将改性后的纳米石墨分散液作为添加剂加入水基切削液中，从而提高水基切削液的润滑效果，弥补目前水基切削液冷却效果好、润滑效果不佳的缺陷。对改性后的纳米石墨乳液进行了紫外、电子扫描电镜等表征，对切削液进行了四球机、表面张力等表征，效果良好。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 着眼于纳米石墨的亲水改性，旨在组方一种含有纳米石墨添加剂的水基切削液，以发挥纳米石墨的超润滑特性，弥补目前水基切削液冷却效果好，但润滑效果不佳的缺陷。实验利用乳液聚合方法通过丙烯酸甲酯以及一些表面活性剂对纳米石墨进行包覆改性，实现其水基稳定分散，并通过与切削液组分复配，组方新型水基切削液。
科学性、先进性及独特之处
- 1．石墨的非亲水性极大地限制了其应用于水基润滑添加剂中的研究与开发，实验利用乳液聚合的改性方式，使纳米石墨实现其水基稳定分散，极具新颖性且效果良好； 2．发挥石墨的超润滑特性，用于制备水基切削液，解决目前水基切削液冷却效果好而润滑效果不佳的不足，具有创新性； 3．进行紫外测定吸光度、电镜分析微观形貌、四球摩擦实验考查摩擦系数及表面张力测定等表征手段，获得相关技术指标。
应用价值和现实意义
- 1. 实现纳米石墨的水基分散，极大的扩大了石墨的应用范围，有利于充分发挥石墨高润滑、超稳定的特性； 2. 将改性后的纳米石墨分散液作为添加剂加入到水基切削液中，提高了其润滑效果，为水基切削液的改良提供了指导。
学术论文摘要
- 本文着眼于纳米石墨的亲水改性及组方新型水基切削液，采用自由基乳液聚合方法合成了纳米石墨/聚丙烯酸甲酯复合乳液，并将该复合乳液作为添加剂加入到经稀释后的市售水基切削液中，以提高水基切削液的润滑性能。运用紫外及可见光分光光度计和扫描电子显微镜（SEM）等手段对乳液进行了表征，结果表明：运用丙烯酸甲酯对纳米石墨进行聚合包覆的改性方法初步实现了纳米石墨在水基液中的稳定分散，并确定最佳聚合条件为：5 h，70℃。采用四球摩擦磨损试验机和表面张力仪对复合乳液及复合切削液的润滑性能进行了评估，结果表明：改性后的纳米石墨液表面张力减小、润湿性增强，同时添加纳米石墨的切削液的摩擦系数降低、磨斑直径变小、PB值增大，水基切削液的润滑性能获得明显改善。
获奖情况
- 1. 相关文章《纳米石墨/聚丙烯酸甲酯复合乳液的合成工艺研究》，已被《化工新型材料》杂志录用，并将于2011年第7期刊登； 2. 相关文章《纳米石墨在液态介质中分散行为的研究进展》，已于2010年1月发表在《化工时刊》第24卷第1期； 3. 相关专利《一种纳米石墨水基切削液添加剂及其制备方法》，已于2011年3月28日申请发明专利，申请号为201110075068.2
鉴定结果
- 在清华大学摩擦学国家重点实验室进行了四球机及表面张力试验，获得相关数据并得到一份清华大学认可的试验报告单。
参考文献
- [1]黄友艳,伍明华.纳米石墨的制备、应用和表面修饰研究进展[J].化工时刊, 2006,20(8):48～53. [2](日)一濑升,尾崎义治.赵修建,张联盟译.超微颗粒导论[M].武汉:武汉工业大学出版社,1991:5～18. [3]Tarasov S,KolubaevA,Belyaev S. Study of friction reduction by nanocopper additives to motor oil[J].Wear,2002,252:63～69. [4]官文超,刘益锋,黄明星.纳米石墨/聚丙烯酸乙酯复合乳液的合成及其润滑性能研究[J].润滑与密封,2005(3):9～10. [5]张二水.切削液的技术进步及发展趋势[J].石油商技,2009,27(1):28～33. [6]赵小艳,何清玉.合成水基切削液的研制[J].合成润滑材料,2010,37(1):6～8. [7]陈强,王宗廷,刘煜等.纳米石墨在液态介质中分散行为的研究进展[J].化工时刊, 2010,24(1):62～65.
同类课题研究水平概述
- 1、纳米石墨亲水改性的研究进展 水是常用的分散介质,要充分发挥纳米石墨的功用离不开水。而石墨为非极性的固体物质,具有天然疏水性。围绕这一主题人们进行了不懈的探索。 张慧娟等以水、乙醇以及乙醇-水溶液等极性液体为分散介质,研究了pH值、分散介质、分散剂对纳米石墨分散性能的影响。结果表明,在pH值为10～11时,体系的Zeta电位绝对值最大,此时体系最稳定。陈云等采用沉降法研究了微细鳞片石墨在水介质中的分散行为。研究结果表明:传统表面活性剂对微细鳞片石墨分散效果不佳,加入分散剂使颗粒表面Zeta电位绝对值变大,提高了悬浮液的稳定性。 综上可知,用于纳米石墨亲水改性的比较好的分散剂有羟甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠等,但以上方法存在一个共同问题就是不能保证石墨在水基中的长期稳定分散，表面活性剂不能稳定发挥作用，没有从根本上改变石墨的表面性质，实现其水基稳定分散。 2、切削液的研究现状 切削液是指用于金属切削加工的冷却润滑液。其作为机械加工重要的配套材料, 是大多数加工中不可缺少的生产要素之一, 主要通过冷却、润滑、清洗和防锈等作用, 改善工件表面质量, 提高加工精度, 延长刀具寿命, 提高工件表面的防蚀能力。切削液是金属加工润滑剂中需求量最大的品种，广泛应用于机械制造领域。按产品形态划分，切削液可分为油基与水基两大类。水基金属切削液于上世纪40 年代问世, 由于其具有油基液难以比拟的冷却特性及低廉的成本而得到了迅速发展。 水基金属切削液在发达国家已经走过了从乳化液向合成液、再向微乳化液发展的过程。微乳化液已得到了前所未有的发展和应用。在我国, 切削液目前仍以乳化液为主, 机械行业在上世纪80 年代出现了研制生产和应用合成液的热潮, 从90 年代才比较普遍地注重微乳化液的研制和应用。因起步较晚, 微乳化液性能没有国外的优异。近年来, 随着人们环保及职业安全意识的增强, 各国出台了一系列法规、条例对化学液的使用进行规范和限制, 迫使绿色切削液成为水基金属切削液发展的必然趋势。 目前，水基切削液存在冷却效果好、润滑效果不佳的缺陷，因此，如何提高水基切削液的润滑能力成为水基切削液发展的瓶颈。本作品就是基于这一点，利用石墨的超润滑特性对水基切削液进行改善，围绕提高水基切削液润滑效果做出了探索。
