本发明属于金属塑性成形用润滑技术领域，具体涉及一种高分子塑性成形用润滑剂及制备方法。
背景技术：
润滑剂作用于坯料表面，生成一层致密的润滑薄膜，避免坯料与模具金属间的直接接触。目前，冷塑加工，尤其是冷锻、冷挤压加工中采用最普遍的是磷化皂化表面成膜处理工艺。磷化皂化成膜工艺技术成熟稳定，却有处理废物成本高，环境污染大等较严重问题。
水基润滑剂成本低，来源广，无毒无臭，是一种绿色环保型的润滑剂，也将是未来润滑剂的发展方向。水基润滑剂一般由水、润滑主体及润滑助剂组成，水是水基润滑剂的主要成分，决定了水基润滑剂的基础作用。润滑主体则是水基润滑剂中起主要减摩抗磨性能的主要材料，润滑主体材料可以大幅度改善水基润滑剂的摩擦因数。为改善水基润滑剂的润滑性能，水基润滑剂中添加固体纳米颗粒，而固体纳米颗粒的存在还有着易聚团、分散性不好等一些问题。润滑助剂则是连接润滑主体材料和水的纽带，可以让润滑材料更容易弥散在水中，并让水基润滑剂变得更稳定，是水基润滑剂的重要组成部分。润滑助剂一般包括分散剂、增粘剂及防腐防锈剂等。
但是，水基润滑剂同样存在影响其质量及应用的问题，如水基润滑剂型润滑膜的表面张力及吸附力不足，导致应用工件尺寸精度不够、变形量不宜过大等局限；水基润滑剂型润滑膜与金属表面的粘附性差、润滑性不够稳定持久等问题。且现有水基润滑剂仅适用于单一温度工况的挤压程序，如仅适用于冷挤压，或仅适用于温挤压，或仅适用于热挤压，使用范围有限。塑性成形复合工艺过程中润滑剂需满足不同温度工况下条件较为苛刻的以下要求：润滑剂始终保持一定的表面张力，润滑剂的润滑主体拥有较高的力学性能和热血性能，且润滑剂形成润滑膜的物化性质不能发生剧烈变动。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种高分子塑性成形用润滑剂，具有良好的分散性和稳定性，在保持水基润滑剂良好特性的同时，一定程度上改善了润滑剂的粘附能力，对模具和坯料具有很好的保护作用，延长模具的使用寿命。
本发明高分子塑性成形用润滑剂不仅适用于冷挤压，还适用于温挤压，不团聚，不沉淀，降低润滑膜厚度的同时，仍保持良好的成膜性、吸附性和润滑性。
本发明还提供一种高分子塑性成形用润滑剂的制备方法，该方法将制备润滑剂的助剂组份溶解均匀后，再加入润滑主体的纳米颗粒组份，保证润滑主体良好的分散性和稳定性，提高水基润滑剂的使用性能。
本发明的技术方案为，一种高分子塑性成形用润滑剂，包含重量百分比的以下组份：0.1％～15％聚四氟乙烯乳液、0.1％～10％氮化硼、0.1％～10％N-甲基吡咯烷酮、0.1％～12％钼酸盐、0.1％～30％乙醇、0.1％～10％羧甲基纤维素盐、0.1％～5％氨基硅油、0.1％～10％硬脂酸盐、0.1％～10％三乙醇胺、余量水。
优选为重量百分比的以下组份：3％～7％聚四氟乙烯乳液、1.5％～4.5％氮化硼、4％～8％N-甲基吡咯烷酮、3％～11％钼酸盐、10％～15％乙醇、0.5％～1.5％羧甲基纤维素盐、0.5％～3.5％氨基硅油、3％～7％硬脂酸盐、3％～7％三乙醇胺、余量水。
更优选为重量百分比的以下组份：5％聚四氟乙烯乳液、3％氮化硼、6％N-甲基吡咯烷酮、7％钼酸盐、15％乙醇、1％羧甲基纤维素盐、2％氨基硅油、5％硬脂酸盐、5％三乙醇胺、余量水。
所述聚四氟乙烯乳液的浓度为25～35wt％，优选为30wt％。
所述氮化硼的粒径为3～5μm。
所述钼酸盐包括钼酸铵盐、钼酸碱金属盐或钼酸镁，钼酸铵盐为钼酸铵，钼酸碱金属盐包括钼酸钠或钼酸钾，优选为钼酸钠。
所述羧甲基纤维素盐为固态，包括羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾、羧甲基纤维素钙或者羧甲基纤维素铵，优选为羧甲基纤维素钠。
所述硬脂酸盐包括硬脂酸钠、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硬脂酸钾、硬脂酸镁或硬脂酸铁，优选为硬脂酸钠。
作为本发明的优选方案，包含重量百分比的以下组份：5％聚四氟乙烯乳液、3％氮化硼、6％N-甲基吡咯烷酮、7％钼酸钠、15％乙醇、1％羧甲基纤维素钠、2％氨基硅油、5％硬脂酸钠、5％三乙醇胺、余量水；聚四氟乙烯乳液的浓度为30wt％，氮化硼的粒径为3～5μm。
一种高分子塑性成形用润滑剂的制备方法，步骤包括：按配比先将N-甲基吡咯烷酮、乙醇、羧甲基纤维素盐、氨基硅油、三乙醇胺、硬脂酸盐和水溶解均匀后，再按配比加入聚四氟乙烯乳液、氮化硼和钼酸盐，搅拌后超声分散，制得高分子塑性成形用润滑剂；
或者按配体将聚四氟乙烯乳液、氮化硼、N-甲基吡咯烷酮、钼酸盐、乙醇、羧甲基纤维素盐、氨基硅油、硬脂酸盐、三乙醇胺和余量水混合，搅拌后超声分散，制得高分子塑性成形用润滑剂。
该方法将制备润滑剂的助剂组份溶解均匀后，再加入润滑主体的纳米颗粒组份，既保证了润滑剂的物理性能不受添加次序的影响(先将分散剂、增黏剂、乳化剂等助剂加入水中降低水的表面自由能，实现后加入润滑主体更好的分散，最后加入防锈剂)，又有利于润滑剂的批量生产与规格制定。避免润滑主体和润滑助剂一次加入水中对润滑剂的分散性和稳定性造成的不利影响。
高分子塑性成形用润滑剂体系中，各组份的重量百分比为：0.1％～15％聚四氟乙烯乳液、0.1％～10％氮化硼、0.1％～10％N-甲基吡咯烷酮、0.1％～12％钼酸盐、0.1％～30％乙醇、0.1％～10％羧甲基纤维素盐、0.1％～5％氨基硅油、0.1％～10％硬脂酸盐、0.1％～10％三乙醇胺、余量水。
各组份的重量百分比优选为：3％～7％聚四氟乙烯乳液、1.5％～4.5％氮化硼、4％～8％N-甲基吡咯烷酮、3％～11％钼酸盐、10％～15％乙醇、0.5％～1.5％羧甲基纤维素盐、0.5％～3.5％氨基硅油、3％～7％硬脂酸盐、3％～7％三乙醇胺、余量水。
各组份的重量百分比更优选为：5％聚四氟乙烯乳液、3％氮化硼、6％N-甲基吡咯烷酮、7％钼酸盐、15％乙醇、1％羧甲基纤维素盐、2％氨基硅油、5％硬脂酸盐、5％三乙醇胺、余量水。
所述钼酸盐包括钼酸铵盐、钼酸碱金属盐或钼酸镁，钼酸铵盐为钼酸铵，钼酸碱金属盐包括钼酸钠或钼酸钾，优选为钼酸钠。
所述羧甲基纤维素盐为固态，包括羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾、羧甲基纤维素钙或者羧甲基纤维素铵，优选为羧甲基纤维素钠。
所述硬脂酸盐包括硬脂酸钠、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硬脂酸钾、硬脂酸镁或硬脂酸铁，优选为硬脂酸钠。
所述聚四氟乙烯乳液的浓度为25～35wt％，优选为30wt％。
所述氮化硼的粒径为3～5μm。
重复进行2～6次搅拌后超声分散，优选重复进行4～5次。每次搅拌15～30min，优选30min；每次超声分散30～60min，优选60min。
作为本发明的优选方案，先将N-甲基吡咯烷酮、乙醇、羧甲基纤维素钠、氨基硅油、三乙醇胺、硬脂酸钠和水溶解均匀后，再加入聚四氟乙烯乳液、氮化硼和钼酸钠，重复进行4～5次搅拌后超声分散，每次搅拌30min，每次超声分散60min，制得高分子塑性成形用润滑剂；
各组份的重量百分比为：5％聚四氟乙烯乳液、3％氮化硼、6％N-甲基吡咯烷酮、7％钼酸钠盐、15％乙醇、1％羧甲基纤维素钠、2％氨基硅油、5％硬脂酸钠、5％三乙醇胺、余量水；
聚四氟乙烯乳液的浓度为30wt％；
氮化硼的粒径为3～5μm。
聚四氟乙烯目前被认为是润滑性最佳的高分子润滑材料之一，另外还具有化学稳定性及耐腐蚀性优良等特点，也是目前公认的耐腐蚀性最佳的高分子材料之一。聚四氟乙烯粉末不易溶于水，制备润滑剂过程中聚四氟乙烯粉末易出现聚团等现象，而聚四氟乙烯乳液保留了粉末优良的润滑性能且能够稳定地分散在水中，因此采用聚四氟乙烯乳液，可以更好地发挥润滑剂的润滑性能。
无机非金属材料氮化硼与石墨具有相似的片状结构，呈乳白色，有“白石墨”之称。氮化硼的热稳定性好，且不易与铁金属或合金发生反应，可广泛应用于钢铁制品的精密加工、研磨，金属成型的脱模剂和金属拉丝的水基润滑剂等。
现有技术通过在水基润滑剂中添加一些纳米颗粒，如氮化硼等，形成稳定的胶体溶剂，在分散助剂的作用下可以长时间分散不沉淀，有效地改善水基润滑剂的摩擦学性能。目前的纳米填充颗粒浓度一般超过15％即出现沉淀，浓度低于1.5％则引起润滑剂润滑性能不足。本发明所述高分子塑性成形用润滑剂根据现有缺陷研究纳米粒子的最大分散能力，发现5％聚四氟乙烯乳液与3％氮化硼浓度下，制备出的润滑剂无明显沉淀，可以稳定分散一周时间以上，且润滑性能得到改善。
钼酸钠是经过特别遴选的优秀润滑材料。钼酸盐在水基润滑剂中不仅可以有效的降低金属与金属之间的摩擦因数，具有良好的减摩抗磨性能，并且可以在金属表面形成一层致密的钝化膜。在当前的绿色环保润滑剂要求中，磷的含量是必须要严格控制的，因此钼酸盐是磷酸盐合格的替代品。
氨基硅油为水基润滑剂的抗硬水剂，它具有优异的吸附性、相容性及易乳化性。在配置水基润滑剂时，氨基硅油容易被表面活性剂乳化成稳定、透明的微乳液。添加适量的氨基硅油可以一定程度上改善润滑剂的性能。
本发明分散剂选用：N-甲基吡咯烷酮(无色液体，有氨味，本品毒性小。能与水混溶，溶于乙醚、丙酮等大多数有机溶剂)。N-甲基吡咯烷酮为优良溶剂，选择性强和稳定性好的极性溶剂。扩散剂在水基润滑剂中起到将各种物质均匀地扩散到水溶剂中的作用。
水基润滑剂涂覆于坯料表面与工、模具表面接触，通过减小金属间摩擦实现润滑目的。与现有技术相比，本发明高分子塑性成形用润滑剂以水作为水基润滑剂的基体，润滑主体材料为氮化硼和聚四氟乙烯乳液。本发明高分子塑性成形用润滑剂的工艺不仅保留了润滑表面粘附性好、摩擦系数低且稳定等特性和水基润滑剂的优点，满足现代工艺绿色的发展要求。并且对涂覆表面润滑涂层进行了改善，将增黏剂浓度控制在1％左右，增加涂层的表面张力与吸附力，并且降低固体颗粒含量，减少了润滑层的膜厚。经过台阶仪测定润滑膜的厚度约为2～5μm左右。润滑膜自身的表面张力可以控制润滑膜有一定的延展性，厚度的降低可以使金属在流动过程中大大减少膜渣和废屑的产生，从而降低了膜渣和废屑进入型腔中对模具和产品表面的二次磨损。
金属塑性成形用润滑剂的pH值一般呈弱碱性，因此，通常添加氨水调节润滑剂的pH值，但氨水异味较大且有污染。而本发明高分子塑性成形用润滑剂的大部分组份为弱碱性组份，其pH检测为8～9左右，无需额外添加氨水等pH调节剂，即可满足弱碱性要求。
本发明高分子塑性成形用润滑剂是一种水基型润滑剂，应用于坯料加热温度在100℃～400℃温度下的金属温冷复合成形，减小坯料与模具间摩擦。本发明高分子塑性成形用润滑剂在温挤压和冷挤压工序中均可使用，突破现有水基润滑剂仅适用于单一温度工况的局限，简化塑性成形过程中润滑剂添加使用工艺，节约成本，符合现代化工业绿色制造的发展要求，工业润滑剂领域应用前景广阔。且在冷挤压和温挤压过程中，因氮化硼与聚四氟乙烯比较好的耐热性，润滑膜基本保持在2～5μm左右。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
一种高分子塑性成形用润滑剂，包括以下质量分数的配方成分：
5wt％聚四氟乙烯乳液(聚四氟乙烯乳液浓度为30wt％)，3wt％粒径3～5μm氮化硼，6wt％N-甲基吡咯烷酮，7wt％钼酸钠，15wt％乙醇，1wt％羧甲基纤维素钠，5wt％三乙醇胺，2wt％氨基硅油，5wt％硬脂酸钠，水余量。
按照以下步骤制备高分子塑性成形用润滑剂：
S1：以重量份计，依次称取：6wt％N-甲基吡咯烷酮，15wt％乙醇，1wt％羧甲基纤维素钠，2wt％氨基硅油，51wt％去离子水，5wt％三乙醇胺，5wt％硬脂酸钠。
S2：将上述各组分依次加入烧杯中，并在常温下搅拌至充分溶解后，依次加入7wt％钼酸钠，5wt％聚四氟乙烯乳液，3wt％氮化硼。
S3：在常温下搅拌30min后，超声波仪分散60min，反复搅拌分散4～5次，即得高分子塑性成形用润滑剂。
将上述配制的高分子塑性成形用润滑剂涂覆于45号钢薄片中，利用UMT-3高温球盘摩擦仪进行摩擦性能测试，采用的对磨副为GCr15钢球，摩擦时间为30min，载荷设定为2.0kg，得到的平均摩擦系数为0.08。
实施例2
一种高分子塑性成形用润滑剂，包括以下质量分数(wt％)配方成分：
5wt％聚四氟乙烯乳液(聚四氟乙烯乳液浓度为30wt％)，3wt％粒径3～5μm氮化硼，6wt％N-甲基吡咯烷酮，7wt％钼酸钠，15wt％乙醇，1wt％羧甲基纤维素钠，5wt％三乙醇胺，2wt％氨基硅油，5wt％硬脂酸钠，水余量。
按照以下步骤制备高分子塑性成形用润滑剂：
以重量份计，依次称取：6wt％N-甲基吡咯烷酮，15wt％乙醇，1wt％羧甲基纤维素钠，2wt％氨基硅油，51wt％去离子水，5wt％三乙醇胺，7wt％钼酸钠，5wt％聚四氟乙烯乳液，3wt％氮化硼，5wt％硬脂酸钠，加入烧杯中，并在常温下搅拌30min，超声波仪分散60min，反复搅拌分散4～5次，即得高分子塑性成形用润滑剂。
将上述配制的高分子塑性成形用润滑剂涂覆于45号钢薄片中，利用UMT-3高温球盘摩擦仪进行摩擦性能测试，采用的对磨副为GCr15钢球，摩擦时间为30min，载荷设定为2.0kg，得到的平均摩擦系数为0.13。
对比实施例1与实施例2可知，本发明在高分子塑性成形用润滑剂制备过程中将固态成分与液态成分分开添加，既保证润滑剂的物理性能不受添加次序的影响，又有利于润滑剂的批量生产与规格化简易制备。
实施例3
一种高分子塑性成形用润滑剂，包括以下质量分数(wt％)配方成分：
3wt％聚四氟乙烯乳液(聚四氟乙烯乳液浓度为30wt％)，1.5wt％粒径3～5μm氮化硼，4wt％N-甲基吡咯烷酮，0.5wt％羧甲基纤维素钠，0.5wt％氨基硅油，3wt％硬脂酸钠，3wt％钼酸钠，3wt％三乙醇胺，10wt％乙醇，水余量。
按照以下步骤制备高分子塑性成形用润滑剂：
S1：以重量份计，依次称取：4wt％N-甲基吡咯烷酮，10wt％乙醇，0.5wt％氨基硅油，71.5wt％去离子水，3wt％三乙醇胺，05wt％羧甲基纤维素钠，3wt％硬脂酸钠。
S2：将上述各组分依次加入烧杯中，并在常温下搅拌至充分溶解后，依次加入3wt％钼酸盐，3wt％聚四氟乙烯乳液，1.5wt％氮化硼。
S3：在常温下搅拌30min，超声波仪分散60min，反复搅拌分散4～5次，即得高分子塑性成形用润滑剂。
将上述配制的高分子塑性成形用润滑剂涂覆于45号钢薄片中，利用UMT-3高温球盘摩擦仪进行摩擦性能测试，采用的对磨副为GCr15钢球，摩擦时间为30min，载荷设定为2.0kg，得到的平均摩擦系数为0.10。
实施例4
一种高分子塑性成形用润滑剂，包括以下质量分数(wt％)配方成分：
7wt％聚四氟乙烯乳液(聚四氟乙烯乳液浓度为30wt％)，4.5wt％粒径3～5μm氮化硼，8wt％N-甲基吡咯烷酮，15wt％乙醇，11wt％钼酸钠，7wt％三乙醇胺，3.5wt％氨基硅油，7wt％硬脂酸钠，1.5wt％羧甲基纤维素钠，水余量。
按照以下步骤制备高分子塑性成形用润滑剂：
S1：以重量份计，依次称取：8wt％N-甲基吡咯烷酮，15wt％乙醇，1.5wt％羧甲基纤维素钠，3.5wt％氨基硅油，35.5wt％去离子水，7wt％三乙醇胺，7wt％硬脂酸钠。
S2：将上述各组分依次加入烧杯中，并在常温下搅拌至充分溶解后，依次加入11wt％钼酸盐，7wt％聚四氟乙烯乳液，4.5wt％氮化硼。
S3：在常温下搅拌30min，超声波仪分散60min，反复搅拌分散4～5次，即得高分子塑性成形用润滑剂。
将上述配制的高分子塑性成形用润滑剂涂覆于45号钢薄片中，利用UMT-3高温球盘摩擦仪进行摩擦性能测试，采用的对磨副为GCr15钢球，摩擦时间为30min，载荷设定为2.0kg，得到的平均摩擦系数为0.15。
本发明不限于上述实施例，本领域技术人员可根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种高分子塑性成形用润滑剂，其特征在于，包含重量百分比的以下组份：0.1％～15％聚四氟乙烯乳液、0.1％～10％氮化硼、0.1％～10％N-甲基吡咯烷酮、0.1％～12％钼酸盐、0.1％～30％乙醇、0.1％～10％羧甲基纤维素盐、0.1％～5％氨基硅油、0.1％～10％硬脂酸盐、0.1％～10％三乙醇胺、余量水。
2.根据权利要求1所述高分子塑性成形用润滑剂，其特征在于，包含重量百分比的以下组份：3％～7％聚四氟乙烯乳液、1.5％～4.5％氮化硼、4％～8％N-甲基吡咯烷酮、3％～11％钼酸盐、10％～15％乙醇、0.5％～1.5％羧甲基纤维素盐、0.5％～3.5％氨基硅油、3％～7％硬脂酸盐、3％～7％三乙醇胺、余量水。
3.根据权利要求1所述高分子塑性成形用润滑剂，其特征在于，由以下重量比组分组成：5％聚四氟乙烯乳液、3％氮化硼、6％N-甲基吡咯烷酮、7％钼酸盐、15％乙醇、1％羧甲基纤维素盐、2％氨基硅油、5％硬脂酸盐、5％三乙醇胺、余量水。
4.根据权利要求1～3任一项所述高分子塑性成形用润滑剂，其特征在于，所述聚四氟乙烯乳液的浓度为25～35wt％；氮化硼的粒径为3～5μm。
5.根据权利要求1～3任一项所述高分子塑性成形用润滑剂，其特征在于，所述钼酸盐包括钼酸铵盐、钼酸碱金属盐或钼酸镁；羧甲基纤维素盐包括羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾、羧甲基纤维素钙或者羧甲基纤维素铵；硬脂酸盐包括硬脂酸钠、硬脂酸钙、硬脂酸铝、硬脂酸钾、硬脂酸镁或硬脂酸铁。
6.权利要求1至5任一项所述高分子塑性成形用润滑剂的制备方法，其特征在于，步骤包括：按配比先将N-甲基吡咯烷酮、乙醇、羧甲基纤维素盐、氨基硅油、三乙醇胺、硬脂酸盐和水溶解均匀后，再按配比加入聚四氟乙烯乳液、氮化硼和钼酸盐，搅拌后超声分散，制得高分子塑性成形用润滑剂；
或者按配体将聚四氟乙烯乳液、氮化硼、N-甲基吡咯烷酮、钼酸盐、乙醇、羧甲基纤维素盐、氨基硅油、硬脂酸盐、三乙醇胺和余量水混合，搅拌后超声分散，制得高分子塑性成形用润滑剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，重复进行2～6次搅拌后超声分散；每次搅拌15～30min，每次超声分散30～60min。
技术总结
本发明属于金属塑性成形用润滑技术领域，具体涉及一种高分子塑性成形用润滑剂及制备方法，该高分子塑性成形用润滑剂包含重量百分比的以下组份：聚四氟乙烯乳液、氮化硼、N‑甲基吡咯烷酮、钼酸盐、乙醇、羧甲基纤维素盐、氨基硅油、硬脂酸盐、三乙醇胺、余量水。其制备步骤：先将N‑甲基吡咯烷酮、乙醇、羧甲基纤维素盐、氨基硅油、三乙醇胺、硬脂酸盐和水溶解均匀后，再加入聚四氟乙烯乳液、氮化硼和钼酸盐，搅拌后超声分散。该高分子塑性成形用润滑剂不仅保留了原始水基高分子润滑剂摩擦系数低、来源广、成本低、无毒、无臭等优点，还同时应用于温冷复合成形，完全符合现代工业绿色制造的发展要求。本发明制备工艺简单，适用于批量生产。
技术研发人员：龚红英;钱勇;赵小云;姜天亮;施为钟;周志伟;崔智帷
受保护的技术使用者：上海工程技术大学
技术研发日：.08.07
技术公布日：.10.08
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