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脂肪酸在金属加工液中的应用
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1 作乳化剂
脂肪酸皂是金属加工液中最常用的阴离子乳化剂, 它主要是由一种或几种混合长链脂肪酸(主要是C12 - 18) 与碱反应而得, 所用碱为氢氧化钠、氢氧化钾或苯、二、三乙醇胺。它与其它非离子表面活性剂复合可配制出乳化范围很广的稳定乳液,同时由于这些脂肪酸皂的极性,使得它还具有良好的润滑作用及对铸铁表面的抗腐蚀性能,最典型的如油酸三乙醇胺皂。
另外, 脂肪酸酯也常作为乳化剂用, 如长链脂肪酸(主要是月桂酸、硬脂酸及油酸) 的失水山梨醇酯。据报道[2] , 将失水山梨醇与有机酸在碱催化时于215 ℃下反应, 所得的酯产品颜色较浅, 这就是人们普遍使用的司苯类乳化剂, 司苯类乳化剂的HLB 值较低。将它与环氧乙烷加成便成为吐温类乳化剂。其HLB 值可用环氧乙烷的加合数来调整。司苯与吐温是极常用的乳化剂配对。在金属加工乳液配方中, PEG400 PEG600 也经常使用, 它们是C12 - 18脂肪酸在一定条件下与环氧乙烷的加成物, 可形成单酯或双酯, HLB 值可按乳液要求通过调整环氧乙烷的加合数来变化, 从而获得稳定的乳液。
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作润滑剂
天然油脂作为润滑剂用已有很长历史, 如现在仍在大量使用的棕桐油是钢铁辗轧极佳的润滑剂。合成的马来酸二月桂基酯可大大改善铝的加工性能[3] ; 油酸季戊四醇酯也是铝加工的润滑剂, 特别是热轧成型时的润滑剂[4] ; 油酸二甘酯应用于切削液或金属拉伸液中也显示出良好的润滑性能。
但随着切削速度的提高及在加工极硬金属时, 一般脂肪酸酯基润滑剂就很难满足加工要求, 此时需要用含氯或硫的化合物, 这些氯化或硫化脂肪酸在高温时与金属产生化学反应, 在金属表面形成一层极牢固的润滑膜, 防止刀具的烧结。常见的如氯化油脂, 硫化油酸, 硫化棉子油, 硫化牛油酸甲酯等。为了环保及节能, 人们又开始寻找高效的水溶性润滑剂。有越来越多的学者在尝试将油基极压剂通过引入一定的水溶性基团如酰胺基或_ CH2CH2O bn 来合成高效的水溶性极压剂[5 ,6] 。如将硫化棉子油改为水溶性的硫化油酸聚乙二醇酯, 又如将ZDTP 改性为(RO) 2P(S) SR’COOH 衍生物, 经中和后即可形成新型水溶性极压剂。它的反应可分为两步。
首先用一元醇与P2S5 反应生成(RO) 2P( S) SH,然后利用它的巯基的活性与不饱和酸的双链加成或与卤代酸进行清除反应而得。当一元羧酸R’COOH 改为丙二酸型的R’CH(COOH) 2 , 其润滑性更好[7] 。不过, 脂肪酸酰胺是最通常提供化学阻挡层而用来增强配制品的润滑性和乳化性的, 如典型的水溶性烷醇酰胺就是13mol 二乙醇胺与1mol 油酸在140170 ℃下的反应产物。它是一混合物。要想得到纯度高的超级酰胺(含量> 80 %) , 可用等摩尔的脂肪酸甲酯与二乙醇胺在甲醇钠的催化下反应。
在开发金属加工用的新产品中, 也越来越普遍使用长链聚酰胺与环氧乙烷聚合物的各种耦合体。据报道, 多元有机羧酸与聚醚二胺所形成的二酰胺衍生物具有良好的稳定性和润滑能力, 特别适用于金属加工液[8] 。又如聚烷撑二醇同二聚酸的马来酸加合物缩合, 可制备水溶性聚酯, 它是金属加工液和液压液中有用的润滑剂[9]
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作防锈剂
- 亚硝酸盐体系曾是金属加工液中大量使用的且被认为具有极好阻蚀性的防锈体系, 但越来越多人认为它们会形成致癌物质。所以开发替代产品就成为每一位配方师要努力的工作。而短链脂肪酸, 特别是C8 - 12的短链酸制成的水溶性胺皂, 具有极佳的阻锈性, 而且它们泡沫少。同时还具有一定的极压抗磨性能。典型的如月桂酸。癸二酸的三乙醇胺盐, 当酸∶胺≤12 , 其防锈效果要好于亚硝酸钠, 而毒副作用小[10] 。我们也试合成出癸二酸单十八烯基酯三乙醇胺盐, 它在切削液中显示出比癸二酸三乙醇胺盐具有更好的防锈性能和极佳的抗磨性能。
一般认为, 多元羧酸因为具有多个强极性链而在金属表面有较强吸附, 从而有可能获得较佳的防锈阻挡层。笔者曾用油酸和马来酸酐的加成物[11] 的三乙
醇胺盐与油酸三乙醇胺盐作了一对比试验, 发现前者比油酸三乙醇胺盐具有更好的防锈性, 可直接用于切削液中。
另外, 象二聚酸(C18 不饱和脂肪酸的聚合物)胺盐也是铁的有效防蚀剂, 同时还可提供一定的润滑作用。
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使用脂肪酸材料应注意的问题
从目前国内脂肪酸的供应来看, 湖南、四川、福建、江苏等地主要是菜子油酸及棉子油酸等植物油酸和动物油酸。在金属加工液中多采用植物油酸。事实上, 这些所谓的工业植物油酸准确地说应称为混合植物脂肪酸。因为它们大多是C16 - 22的饱和及不饱和酸的混合物, 而不一定是以C18单烯酸为主的。虽然在加工液中, 混合脂肪酸有时可能有意想不到的效果,但是使用较纯的脂肪酸无论对于研究其配方的具体有效成份及保持产品质量的稳定性来说都有着至关重要的作用。如何有效地分离提纯这些脂肪酸将是这些脂肪酸生产厂商所必须面对的问题, 也是各研究开发人员准确合理地选用脂肪酸原材料供应时所要考虑的。