【正文】 　摘 要：本研究针对传统切削液的潜在危害之难题，提出采用石墨烯衍生物作为润滑防锈材料，应用于无污染的的微量润滑MQL切削技术，研究氧化石墨烯衍生物的最佳制备方法及MQL润滑油最佳制备方案，并以此取代传统切削液应用于机械制造业机加工过程。
　　关键词：微量润滑；石墨烯衍生物；无污染；绿色加工
　　1. 前言
　　在金属切削加工过程中，通常都要使用切削液。切削液在切削加工中主要起冷却、润滑、排屑和防锈的作用，有助于提高刀具耐用度，保证工件已加工表面质量等。但是切削液的大量使用也造成了很多负面影响，不仅导致生产成本大大增加，还给环境和人体健康带来了巨大的潜在危害。
　　微量润滑，英文为Minimal Quantity Lubrication（MQL）是一种金属加工的润滑方式，既半干式切削，是指将压缩气体（空气、氮气、二氧化碳）与极微量的润滑油混合气化后，形成微米级的液滴，喷射到加工区进行有效润滑的一种切削加工方法，用量一般仅为0.03～0.2L/h（传统湿法切削的用量为20～100L/min），可有效减小刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦，防止粘结，延长刀具寿命，提高加工表面质量。MQL的应用优势明显，适用范围广阔，国内外关于MQL的研究包含了几乎所有的切削工艺，如钻削、洗削、车削和磨削等。
　　本研究采用氧化石墨烯进行衍生化合成，研究微量润滑（MQL）技术中润滑添加剂氧化石墨烯三乙醇胺硼酸酯（A），防锈添加剂氧化石墨烯二乙醇胺（B）的最佳合成工艺，以上两个原料添加到天然植物油——蓖麻油制备MQL产品的最佳配伍性研究及应用工艺探究。
　　2. 研究内容
　　氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，大家普遍接受的结构模型是在氧化石墨烯单片上随机分布着羟基和环氧基，而在单片的边缘则引入了羧基和羰基。
　　三乙醇胺是重要的缓蚀剂，在润滑油和切削液中起缓蚀作用。
　　硼酸酯广泛应用于金属加工业领域，在高载荷引起边界润滑条件下减少摩擦和磨损。
　　本项目研究选用了氧化石墨烯、三乙醇胺、硼酸作为进行润滑添加剂氧化石墨烯三乙醇胺硼酸酯的合成原料。
　　2.1. 润滑助剂：氧化石墨烯三乙醇胺硼酸酯（A）的合成研究
　　2.1.1 实验试剂与仪器
　　2.1.1.1 试验试剂
　　氧化石墨烯（工业级） 、三乙醇胺（分析纯） 、硼酸（分析纯） 、苯（分析纯）
　　2.1.1.2 实验仪器
　　恒温烘箱（ FNO1 - 型） 、JB -2型恒温磁力搅拌器（ 最高电压 250V） 、分析天平、红外光谱仪（ 型号A- VATAR360TF- IR）） 、四球摩擦试验机（型号 MRS - lOW，最大试验力 l0kN） 、三颈烧瓶、冷凝装置、45#钢，一级铸铁片等。
　　2.1.2 合成方法
　　2.1.2.1 氧化石墨烯三乙醇胺的合成 
　　在500m L三颈烧瓶中， 先加入适量氧化石墨烯和适量的三乙醇胺 （摩尔比1：1.5）， 逐渐升温，60℃开始搅拌，随后逐渐升温，在120℃下反应4小时停止加热， 室温下自然冷却，得棕黑色中间体。
　　2.1.2.2 氧化石墨烯三乙醇胺硼酸酯（A）的合成
　　在500m L三颈烧瓶中，先将称好的硼酸溶于适量苯中，随后加入自制好的氧化石墨烯三乙醇胺（质量比为硼酸：氧化石墨烯三乙醇胺=1：5），加温60℃开动搅拌， 随后逐渐加热升温，升温至130℃，在此温度下反应5小时 ，室温下自然冷却，将上层苯液析出，得棕黑色氧化石墨烯三乙醇胺硼酸酯产物。
　　2.1.3 红外光谱分析研究













图1

　　图1为氧化石墨烯三乙醇胺硼酸酯红外光谱。其中3400.37cm-1 处的吸收为羟基中O-H伸缩振动特征吸收峰，2832.67cm-1是C-H的伸缩振动吸收峰，1647.83cm-1处的吸收为酰胺中的碳氧双键伸缩振动吸收峰，1479.83cm-1是-CH2-的C-H的弯曲振动吸收峰，1272.04cm-1是B（3）-O的不对称振动吸收峰，1084.24cm-1是硼酸酯C-O-B的不对称振动吸收峰，897.72cm-1是B（3）-O的对称振动吸收峰，产物中C-O-B键的形成说明三乙醇胺已经连接到硼原子上。
　　2.1.4 润滑性研究
　　最大无卡咬负荷PB（N）的测定方法按国标GB/T 3142方式进行测定。
　　2.1.4.1 实验仪器
　　四球摩擦试验机（MRS-10W，济南蓝波试验设备有限公司）；显微镜（可以测量三个固定钢球上产生的磨斑，精度为0.01mm）；钢球（符合GB 308）Ⅱ级轴承钢球，直径12.7mm，材料GCr15；石油醚；洗涤酒精。
　　2.1.4.2 实验结果
　　实验测得氧化石墨烯三乙醇胺硼酸酯的PB值为804N，表明该润滑助剂有良好的润滑效果。
　　2.2. 防锈助剂：氧化石墨烯二乙醇胺（B）的合成研究 
　　2.2.1 合成方法
　　在500m L三颈烧瓶中，先加入适量氧化石墨烯，适量的二乙醇胺 （摩尔比为氧化石墨烯：二乙醇胺=1：1.5），逐渐升温，60℃开始搅拌，随后逐渐升温，在120℃下反应4小时停止加热，室温下自然冷却，得棕黑色中间体。
　　2.2.2 红外光谱分析研究













图2

　　图2为氧化石墨烯二乙醇胺的红外光谱图。其中3410.29m-1 处的吸收为羟基中O-H伸缩振动特征吸收峰，2904.65cm-1是C-H的伸缩振动吸收峰，1635.46cm-1处的吸收为酰胺中的碳氧双键伸缩振动吸收峰，1425.71cm-1是-CH2-的C-H的弯曲振动吸收峰。
　　2.2.3 氧化石墨烯二乙醇胺防锈性能研究
　　防锈性按照国标GB/T6144-2010中5.7.5单片防锈性试验进行测试。
　　试验结果判定依据如表1所示：






表1

　　A级判定为合格。
　　本项目试验结果见下图：









图3

　　图3中所示5滴试液为未生锈，其它黑点红点均为生锈部分，可见氧化石墨烯二乙醇胺的防锈测试达到A级，产品检测结果符合GB/T6144-2010切削液标准中的防锈性能指标，具有很好的防锈效果。
　　3. MQL润滑油产品的制备研究
　　3.1 正交试验
　　本项目以氧化石墨烯三乙醇胺硼酸酯（A）、氧化石墨烯二乙醇胺（B）、蓖麻油三个因素进行筛选试验按三因素三水平正交试验方案 （如表2所示）：

因素—水平正交试验表（质量分数W%）










表2

　　根据润滑性能、防锈性能等实验结果测得实验表中最优化为第8组，PB值最高（598N），且防锈性能最好（A级，五点无锈），因此本产品以8%的氧化石墨烯三乙醇胺硼酸酯和5%的氧化石墨烯二乙醇胺以及87%的蓖麻油作为微量润滑（MQL）最佳配方。
　　3.2 微量润滑（MQL）产品制备工艺
　　在500m L三颈烧瓶中，先加入适量蓖麻油，搅拌升温至60℃，投入氧化石墨烯三乙醇胺硼酸酯（A）和氧化石墨烯二乙醇胺（B），继续搅拌升温至100℃，反应2小时停止加热，室温下自然冷却，出料，得棕黑色微量润滑（MQL）产品。
　　微量润滑（MQL）产品按国标GB/T 6144-2010及GB/T 3142进行检测，性能检测结果如表3所示：


















表3

　　4. 将本产品应用于MQL微量润滑
　　4.1 MQL微量润滑系统的简易流程










图4

　　如图4所示，压缩空气（0.3-0.6MPa）和润滑油经由微量润滑系统控制混合，经由喷嘴雾化后喷出，对刀具和刀头之间的加工区进行润滑。这种切削方式极大地减少了切削用量，耗气量50L/min，耗油量仅为20-40ml/h。由于本产品有着优异的润滑性，确保在微量的情况下有效减小刀具与工具之间的摩擦，提高加工表面精度。同时雾化后的润滑油会附着在工件表面，本产品具有的防锈性能使得加工工件省去后续的防锈工艺。
　　4.2 产品应用效果
　　MQL润滑油与普通切削液加工精度对比











表4
　　实验数据表明，本产品应用在MQL微量润滑系统上在铝合金和铸铁的加工上，在加工精度上都明显高于传统的切削液。
　　5. 结束语
　　产品应用于某汽车发动机配件公司的铣、车、镗、钻等机械加工工艺，过程中无任何污染和排放，实现生态环保机加工的理念，是机械制造过程实现零排放的创新性举措。
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　　基金项目：本研究属于南宁市科学研究与技术开发计划项目：装备机械行业废水再生剂研制及废水循环使用工艺研究 。项目类别：重点研发计划；项目合同编号：20181014-4。