钛合金加工温敏润滑剂及其制备方法

钛合金加工温敏润滑剂及其制备方法
一、技术领域
1.本发明涉及金属加工润滑剂领域，具体的说是一种钛合金加工温敏润滑剂及其制备方法。
二、

背景技术：

2.钛合金由于其比强度高、耐腐蚀性强、耐高低温性能好，被普遍认为是21世纪最有发展潜力的金属材料之一，已经在化工、航空航天、医疗器械等领域受到了广泛应用。然而，由于钛合金活性强、导热性差等原因，导致其加工难度大，刀具磨损严重，尤其是在连续加工过程，由于切削液温度升高，其中润滑剂的润滑性能快速下降，导致加工产品的精度与效率降低，因此，需要发展新型润滑剂以实现连续加工升温时增强其润滑性能。近年来，虽然也有一些关于钛合金加工用润滑剂的报道，但主要属于常规润滑剂的组合物，其中润滑剂组分的分散性与稳定性不足，特别是对于钛合金连续切削过程摩擦升温导致润滑性能显著下降问题均没有考虑，因此，有必要开发一种钛合金加工温敏润滑剂及其制备方法。
三、

技术实现要素：

3.本发明针对现有钛合金加工润滑剂的现状，目的就是要提供一种钛合金加工用具有温敏响应功能的润滑剂及其制备方法。
4.本发明通过以下技术方案来实现：
5.一种钛合金加工温敏润滑剂，其质量份组成为：聚n-异丙基丙烯酰胺微球94-99份，氧化石墨烯1-6份；其中聚n-异丙基丙烯酰胺微球均匀粘附在氧化石墨烯片表面，微球尺寸50-300nm；且氧化石墨烯为褶皱状单片层结构，其中片径大小在1-5μm，厚度0.5-1.2nm，氧元素含量为10-12wt％，表面基团为羧基、羟基与环氧基团，氧化石墨烯表面基团通过分子间氢键锚入聚n-异丙基丙烯酰胺微球三维空间网络结构。
6.所述的钛合金加工温敏润滑剂按以下方法制备，以下所述均为质量份：
7.(1)依次将15-20份n-异丙基丙烯酰胺、0.1-0.2份十二烷基硫酸钠、0.3-0.5份n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺加入装有1000-1200份去离子水的反应器中，搅拌40-50min，搅拌过程中持续通入高纯氮气去除体系中的氧气，搅拌混匀且脱氧完成后将体系升温至65-75℃，然后将5-8份浓度0.07-0.09mol/l的过硫酸铵溶液缓慢滴加到上述混合溶液中，在65-75℃反应4-6h，得到乳白溶液，将乳白溶液倒入截留分子量3500d的透析袋中，并置入去离子水中透析，在搅拌条件下，每隔8-10h更换一次去离子水透析7d，离心，得到微球；
8.(2)取5-10份微球加入500份去离子水中，搅拌分散后，向其中加入浓度为1-3mg/ml的氧化石墨烯溶液0.01-0.2份制成悬浮液，将悬浮液在室温搅拌10-20min后，升温至35-40℃超声分散15-20min，然后将降至室温后，重复室温搅拌-升温超声分散步骤9-14次，即得。
9.其中，n-异丙基丙烯酰胺与十二烷基硫酸钠质量比为：90-100:1。
10.与现有技术相比，本发明的优势体现在：
11.1)本发明的润滑剂具有独特微结构，其中氧化石墨烯表面基团通过分子间氢键锚入聚n-异丙基丙烯酰胺微球三维空间网络结构，使得微球在氧化石墨烯表面分散均匀、粘附牢固，润滑剂总体结构稳定，在水中分散性好，稳定时长达30d以上，解决了氧化石墨烯的分散性难题。
12.2)本发明的润滑剂润滑效果好，具有温敏润滑功能，在温度较高时，通过微球收缩，增强对摩擦微区的渗透与润滑，充分发挥聚n-异丙基丙烯酰胺微球与氧化石墨烯的协同润滑效果，在水中润滑摩擦系数不升反降，可低于0.2，显著提高钛合金表面加工精度与效率，解决了钛合金连续加工过程摩擦升温后润滑性能变差难题，并显著提高了刀具抗磨损性能。
13.3)本发明的制备方法条件温和，通过多次室温搅拌-升温超声分散技术，利用微球表面分子的疏水/亲水性的转换调控，实现了氧化石墨烯表面基团通过非共价作用力在聚n-异丙基丙烯酰胺微球三维空间网络结构有效锚定，使得微球在氧化石墨烯表面分散均匀、粘附牢固，为形成独特温敏润滑剂微结构与温敏润滑效果提供了关键技术保障。
四、附图说明
14.图1为本发明实施例1润滑剂透射电镜照片；
15.图2为本发明实施例1润滑剂粒径动态光散射图：(a)新制备，(b)存放30d；
16.图3为本发明实施例1润滑剂以及本发明方法第一步得到的微球红外光谱图；
17.图4为本发明实施例1润滑剂以及氧化石墨烯的平均摩擦系数随温度变化关系；
18.图5为本发明实施例1润滑剂以及氧化石墨烯润滑时下试样盘磨损量随温度变化关系；
19.图6为本发明实施例1润滑剂润滑时下试样盘和上试样球的表面磨损形貌图。
五、具体实施例
20.以下实施例中所述的氧化石墨烯为褶皱状单片层结构，其中片径大小在1-5μm，厚度0.5-1.2nm，氧元素含量为10-12wt％，表面基团为羧基、羟基与环氧基团；以下所述份数均为质量份。
21.实施例1
22.(1)依次将19份n-异丙基丙烯酰胺、0.2份十二烷基硫酸钠、0.33份n,n
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亚甲基双丙烯酰胺加入装有1200份去离子水的反应器中，搅拌45min，搅拌过程中持续通入高纯氮气去除体系中的氧气，搅拌混匀且脱氧完成后将体系升温至70℃，然后将5份浓度0.078mol/l的过硫酸铵溶液缓慢滴加到上述混合溶液中，在70℃反应4.5h，得到乳白溶液，将乳白溶液倒入截留分子量3500d的透析袋中，并置入去离子水中透析，在搅拌条件下，每隔10h更换一次去离子水透析7d，离心，得到微球；
23.(2)取5份微球加入500份去离子水中，搅拌分散后，向其中加入浓度为2mg/ml的氧化石墨烯溶液0.15份制成悬浮液，将悬浮液在室温搅拌10min后，升温至38℃超声分散20min，然后将降至室温后，重复室温搅拌-升温超声分散步骤11次，即得。
24.实施例2
25.(1)依次将15份n-异丙基丙烯酰胺、0.15份十二烷基硫酸钠、0.3份n,n
’‑
亚甲基双
丙烯酰胺加入装有1000份去离子水的反应器中，搅拌40min，搅拌过程中持续通入高纯氮气去除体系中的氧气，搅拌混匀且脱氧完成后将体系升温至70℃，然后将5份浓度0.07mol/l的过硫酸铵溶液缓慢滴加到上述混合溶液中，在70℃反应4h，得到乳白溶液，将乳白溶液倒入截留分子量3500d的透析袋中，并置入去离子水中透析，在搅拌条件下，每隔8h更换一次去离子水透析7d，离心，得到微球；
26.(2)取5份微球加入500份去离子水中，搅拌分散后，向其中加入浓度为1mg/ml的氧化石墨烯溶液0.01份制成悬浮液，将悬浮液在室温搅拌10min后，升温至35℃超声分散15min，然后将降至室温后，重复室温搅拌-升温超声分散步骤9次，即得。
27.以实施例1制备的润滑剂为例，对其进行了润滑性能测试，将其以1wt％浓度分散到水中作为润滑剂，摩擦副以ti6al4v钛合金盘为下试样，yg8硬质合金球为上试样，在往复式摩擦试验机上模拟钛合金切削加工过程的摩擦行为：摩擦载荷15n，平均摩擦速度100mm/s，单次滑动行程5mm，摩擦时间30min，其结果如附图1-6所示，为体现润滑效果，以常规氧化石墨烯水溶液润滑剂为对照组。
28.从图1透射电镜照片可以看出，该润滑剂尺寸大约100nm左右，均匀分散在褶皱状氧化石墨烯表面，表明本发明的润滑剂分散性好。
29.从图2润滑剂粒径动态光散射图可以看出，存放30d后，润滑剂流体力学尺寸没有明显变化，表明润滑剂稳定性好，测试结果与电镜照片差异是由于测试方法不同造成的。
30.从图3的红外光谱图可以看出，本发明方法第一步得到的聚n-异丙基丙烯酰胺微球在～1713cm-1
处羧羰基(c＝o)伸缩振动吸收峰，～3290cm-1
处n-h伸缩振动吸收峰，～1647cm-1
处酰胺基团的吸收峰，～1543cm-1
处c-h弯曲振动吸收峰，～2932和～2972cm-1
处c-h伸缩振动吸收峰等在经过第二步制备成本发明的润滑剂后，这些典型特征峰没有发生显著变化，表明其化学结构没有被破坏，但是从强度看略有减弱，是由于氧化石墨烯表面基团通过分子间氢键锚定了微球三维空间网络所致，该结果验证了本发明润滑剂的微结构。
31.从图4中平均摩擦系数随温度的变化关系可以看出，随温度升高，氧化石墨烯的摩擦系数略有升高趋势，而本发明的润滑剂则出现摩擦系数降低趋势。这表明传统润滑剂氧化石墨烯在升温后不利于在钛合金与硬质合金摩擦界面吸附，导致润滑变差；而本发明的润滑剂有显著的温敏性，通过微球收缩与良好的分散携带氧化石墨烯进入摩擦微区，起到润滑增强效果，升温后摩擦系数接近0.15，对于克服钛合金连续加工升温导致的润滑不足难题，有显著润滑改善效果。
32.从图5中试验盘磨损量随温度的变化关系可以看出，随温度升高，氧化石墨烯润滑时钛合金盘的磨损量略有增加，而本发明润滑剂润滑时，钛合金盘的磨损量在40℃后显著降低，进一步验证本发明的润滑剂具有温敏性，并且在较高温度下润滑效果不减反增，有利于提高钛合金表面加工精度与效率。
33.从图6中本发明的润滑剂润滑下试样盘和上试样球的表面磨损形貌图可以看出，钛合金盘的磨痕宽度与硬质合金钢球的磨斑直径均在在40℃后显著降低，这表明本发明的润滑剂在钛合金加工时，能显著提升硬质合金刀具连续加工升温后的刀具抗磨损性能。

技术特征：

1.一种钛合金加工温敏润滑剂，其特征在于，质量份组成为：聚n-异丙基丙烯酰胺微球94-99份，氧化石墨烯1-6份；其中，聚n-异丙基丙烯酰胺微球均匀粘附在氧化石墨烯片表面，微球尺寸50-300nm；且氧化石墨烯为褶皱状单片层结构，其中片径大小1-5μm，厚度0.5-1.2nm，氧元素含量为10-12wt％，表面基团为羧基、羟基与环氧基团，氧化石墨烯表面基团通过分子间氢键锚入聚n-异丙基丙烯酰胺微球三维空间网络结构。2.一种权利要求1所述的钛合金加工温敏润滑剂的制备方法，其特征在于，按以下步骤制备，以下所述均为质量份：(1)依次将15-20份n-异丙基丙烯酰胺、0.1-0.2份十二烷基硫酸钠、0.3-0.5份n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺加入装有1000-1200份去离子水的反应器中，搅拌40-50min，搅拌过程中持续通入高纯氮气去除体系中的氧气，搅拌混匀且脱氧完成后将体系升温至65-75℃，然后将5-8份浓度0.07-0.09mol/l的过硫酸铵溶液缓慢滴加到上述混合溶液中，在65-75℃反应4-6h，得到乳白溶液，将乳白溶液倒入截留分子量3500d的透析袋中，并置入去离子水中透析，在搅拌条件下，每隔8-10h更换一次去离子水透析7d，离心，得到微球；(2)取5-10份微球加入500份去离子水中，搅拌分散后，向其中加入浓度为1-3mg/ml的氧化石墨烯溶液0.01-0.2份制成悬浮液，将悬浮液在室温搅拌10-20min后，升温至35-40℃超声分散15-20min，然后将降至室温后，重复室温搅拌-升温超声分散步骤9-14次，即得；其中，n-异丙基丙烯酰胺与十二烷基硫酸钠质量比为：90-100:1。

技术总结

本发明公开了一种钛合金加工温敏润滑剂及其制备方法，润滑剂由94-99wt％聚N-异丙基丙烯酰胺微球以及1-6wt％氧化石墨烯以独特微结构组成，其中，聚N-异丙基丙烯酰胺微球均匀粘附在氧化石墨烯片表面，微球尺寸50-300nm，且氧化石墨烯为褶皱状单片层结构，其中片径大小1-5μm，厚度0.5-1.2nm，氧含量为10-12wt％，表面基团为羧基、羟基与环氧基团。本发明的润滑剂具有分散性与稳定性好、减摩润滑效果好，对于钛合金连续加工升温后的润滑效果不降反升，润滑剂制备方法简便、可控，在钛合金加工润滑等领域具有良好应用前景。滑等领域具有良好应用前景。滑等领域具有良好应用前景。