绿色环保水基石墨烯量子点切削液的制备方法

技术领域

本发明涉及一种绿色环保水基石墨烯量子点切削液，尤其涉及一种绿色环保水基石墨烯量子点切削液的制备方法。

背景技术

切削液是一种用在金属切、削、磨加工过程中，用来冷却和润滑刀具和加工件的工业用液体。目前，商业化的切削液主要分为油基切削液和水基切削液。油基切削液最大的优点是润滑性和防锈性优异，但是冷却性极差，而且容易产生油雾、油烟，甚至引起火灾，对人体和环境会造成很大的伤害。因此，绿色环保的水基切削液是未来的主要发展趋势。

水基切削液是由多种超强功能助剂经科学复合配置而成，具有优异的冷却性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释特点，成为未来切削液的主要发展方向。但是，水基切削液的润滑性能远不如油基切削液，当前用于水基切削液的润滑添加剂主要为一些含S、P、Cl等元素的有机化合物，会污染外界环境和工作环境，严重限制了水基切削液的商业化进程。

石墨烯是一种绿色环保的战略性新材料，其独具的二维结构片层间范德华力较弱，易于滑动而表现出很好的减摩作用；另一方面暴露在晶体表面的碳原子对金属表面产生很强的吸附作用，形成的牢固的薄膜可有效阻隔摩擦副的直接接触，降低磨损。这些优异的物理化学性质也使得其可以作为水润滑添加剂材料之一。

发明内容

本发明旨在解决的缺陷包括：

1、针对目前石墨烯量子点制备工艺复杂、成本高的难题，利用简单易行的均质工艺制备50~200nm的2~5层的石墨烯量子点；

2、针对不同应用领域（高速钢刀具、硬质合金、陶瓷、金刚石等）和不同加工方式（粗加工、精加工）对切削液的润滑性能和冷却性能要求不同，通过不同石墨烯量子点的添加量实现调节不同的润滑性能和冷却性能，满足不同加工的定制化需求；

为了实现简单易行，大大的节约了人力和物力成本，提高生产效率，适合工业化的大规模化推广，提供一种绿色环保水基石墨烯量子点切削液的制备方法。

为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种绿色环保水基石墨烯量子点切削液的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步、制备氧化石墨分散液

通过改性的Hummers法制备氧化石墨分散液，具体制备方法参见专利号为ZL201110372309.X，发明名称为“一种氧化还原制备石墨烯的方法”；

第二步、制备2~5层石墨烯量子点

将第一步获得的氧化石墨分散液加入一定量的去离子水，调节固液比例在0.1g/L~50g/L之间，利用均质机在20~150MPa下，均质5~10次，获得尺寸为50~200nm的2~5层石墨烯量子点；

第三步、制备水基石墨烯量子点切削液

a、称取0.1~2份2~5层石墨烯量子点分散在80~90份去离子水中，

b、依次添加0.1~2份聚乙二醇、0.01~5份柠檬酸脂、1~10份表面活性剂、1~3份的硼酸盐、1~3份的二元羧酸盐、1~3份三乙醇胺、1~3份苯甲酸钠、2~5份乙二胺四乙酸；

c、在以上体系在一定的频率下，超声10~60min；

d、最后在一定的转速下，搅拌10~60min，获得绿色环保的水基石墨烯量子点切削液。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述第三步中的表面活性剂为烷基多苷、葡萄酰胺、脂肪酸甲酯中的一种。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述第三步中的硼酸盐为硼酸钠、硼酸钾、硼酸镁、硼酸钙、硼酸锌、硼酸铝、硼酸铁中的一种

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述第三步中的二元羧酸盐为二元羧酸钠、二元羧酸钾、二元羧酸镁、二元羧酸钙、二元羧酸锌中的一种

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述第三步中的超声频率为20~40kHz。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述第三步中的搅拌速率为1000~3000rpm/min。

本发明的有益效果是：这种绿色环保水基石墨烯量子点切削液的制备方法利用简单易行的均质工艺，通过均质压力和均质次数的调节，精确的控制石墨烯量子点的尺寸和层数；其次，通过石墨烯量子点与表面活性剂、消泡剂、防锈剂进行科学配置，利用纳米级别的石墨烯量子点在刀具和工件之间形成润滑膜，使切削液的性能得到很大幅度提升，有效减少刀具和工件表面的磨损，降低工件切削过程中的工作温度；最后，通过添加不同量的石墨烯量子点，调控不同的润滑性能和冷却性能，满足不同应用领域（高速钢刀具、硬质合金、陶瓷、金刚石等）和不同加工方式（粗加工、精加工）的定制化需求。本发明的切削液具有润滑效果好、散热效果优、绿色环保、后处理简单、可重复使用、价格低廉和操作简单等突出的优势，市场前景巨大，同时工艺简单、成本低廉，易于工业大规模生产。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是制备的石墨烯量子点AFM图；

图2是制备的水基石墨烯切削浓缩液；

图3是制备的水基石墨烯切削稀释液。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

第一步、制备氧化石墨：

取200g（100目）天然鳞片石墨与9.3L质量浓度为98%硫酸混合均匀后，加入340g硝酸钾，在7℃的水浴中快速加入1600g高锰酸钾，混合均匀，加入高锰酸钾的过程保持体系温度0-20℃。然后将体系温度升高到50℃，反应1.5h，然后加入15L水，同时将体系升温至90℃反应13min，再加入800ml双氧水（30wt%）还原过量的高锰酸钾终止反应，得到氧化石墨分散液，质量浓度为12.5g/L。

第二步、制备2~5层石墨烯量子点：

将第一步中得到的氧化石墨分散液稀释至0.1g/L，在20MPa下，均质10次，得到石墨烯量子点分散液。利用AFM表征制备的石墨烯量子点，如图1所示，氧化石墨烯的尺寸小于100 nm，厚度为2nm，说明成功制备了2层石墨烯量子点。

第三步、制备水基石墨烯量子点切削液：

称取1份石墨烯量子点分散在80份去离子水中，依次添加0.1份聚乙二醇、0.1份柠檬酸脂、1份的硼酸钠、1份的二元羧酸钾、1份三乙醇胺、0.1份葡萄酰胺、1份苯甲酸钠、2份乙二胺四乙酸。将获得的混合液在20kHz下超声60min，然后在1000rpm/min转速下，强力搅拌60min，获得绿色环保的水基石墨烯量子点切削液。图2为制备的水基石墨烯量子点切削液浓缩液，图3为制备的浓缩液稀释20倍后的稀释液。

实施例2：

第一步、制备氧化石墨：

取200g（100目）天然鳞片石墨与9.3L质量浓度为98%硫酸混合均匀后，加入340g硝酸钾，在7℃的水浴中快速加入1600g高锰酸钾，混合均匀，加入高锰酸钾的过程保持体系温度0-20℃。然后将体系温度升高到50℃，反应1.5h，然后加入15L水，同时将体系升温至90℃反应13min，再加入800ml双氧水（30wt%）还原过量的高锰酸钾终止反应，得到氧化石墨分散液，质量浓度为12.5g/L。

第二步、制备2~5层石墨烯量子点：

将第一步中得到的氧化石墨分散液浓缩至50g/L，在150MPa下，均质10次，获得石墨烯量子点分散液。

第三步、制备水基石墨烯量子点切削液：

称取2份石墨烯量子点分散在90份去离子水中，依次添加2份聚乙二醇、5份柠檬酸脂、10份表面活性剂、3份的硼酸盐、3份的二元羧酸盐、3份三乙醇胺、1份葡萄酰胺、3份苯甲酸钠、5份乙二胺四乙酸。将获得的混合液在40kHz下超声10min，然后在2000rpm/min转速下，强力搅拌40min，获得绿色环保的水基石墨烯量子点切削液。

实施例3：

第一步、制备氧化石墨：

取200g（100目）天然鳞片石墨与9.3L质量浓度为98%硫酸混合均匀后，加入340g硝酸钾，在7℃的水浴中快速加入1600g高锰酸钾，混合均匀，加入高锰酸钾的过程保持体系温度0-20℃。然后将体系温度升高到50℃，反应1.5h，然后加入15L水，同时将体系升温至90℃反应13min，再加入800ml双氧水（30wt%）还原过量的高锰酸钾终止反应，得到氧化石墨分散液，质量浓度为12.5g/L。

第二步、制备2~5层石墨烯量子点：

将第一步中得到的氧化石墨分散液浓缩至20g/L，在60MPa下，均质4次，获得石墨烯量子点分散液。

第三步、制备水基石墨烯量子点切削液：

称取0.1份石墨烯量子点分散在80份去离子水中，依次添加0.1份聚乙二醇、0.01份柠檬酸脂、1份烷基多苷、1份的硼酸盐、1份的二元羧酸盐、1份三乙醇胺、1份苯甲酸钠、2份乙二胺四乙酸。将获得的混合液在40kHz下超声20min，然后在3000rpm/min转速下，强力搅拌10min，获得绿色环保的水基石墨烯量子点切削液。

实施例4：

第一步、制备氧化石墨：

取200g（100目）天然鳞片石墨与9.3L质量浓度为98%硫酸混合均匀后，加入340g硝酸钾，在7℃的水浴中快速加入1600g高锰酸钾，混合均匀，加入高锰酸钾的过程保持体系温度0-20℃。然后将体系温度升高到50℃，反应1.5h，然后加入15L水，同时将体系升温至90℃反应13min，再加入800ml双氧水（30wt%）还原过量的高锰酸钾终止反应，得到氧化石墨分散液，质量浓度为12.5g/L。

第二步、制备2~5层石墨烯量子点：

将第一步中得到的氧化石墨分散液稀释至10g/L，在30MPa下，均质5次，获得石墨烯量子点分散液。

第三步、制备水基石墨烯量子点切削液：

称取0.5份石墨烯量子点分散在80份去离子水中，依次添加0.2份聚乙二醇、1份柠檬酸脂、2份脂肪酸甲酯、2份的硼酸盐、1份的二元羧酸盐、1份三乙醇胺、1份苯甲酸钠、2份乙二胺四乙酸。将获得的混合液在20kHz下超声30min，然后在3000rpm/min转速下，强力搅拌10min，获得绿色环保的水基石墨烯量子点切削液。

实施例5：

第一步、制备氧化石墨：

取200g（100目）天然鳞片石墨与9.3L质量浓度为98%硫酸混合均匀后，加入340g硝酸钾，在7℃的水浴中快速加入1600g高锰酸钾，混合均匀，加入高锰酸钾的过程保持体系温度0-20℃。然后将体系温度升高到50℃，反应1.5h，然后加入15L水，同时将体系升温至90℃反应13min，再加入800ml双氧水（30wt%）还原过量的高锰酸钾终止反应，得到氧化石墨分散液，质量浓度为12.5g/L。

第二步、制备2~5层石墨烯量子点：

将第一步中得到的氧化石墨分散液浓缩至30g/L，在50MPa下，均质5次，获得石墨烯量子点分散液。

第三步、制备水基石墨烯量子点切削液：

称取1份石墨烯量子点分散在90份去离子水中，依次添加1份聚乙二醇、2份柠檬酸脂、3份脂肪酸甲酯、2份的硼酸盐、2份的二元羧酸盐、2份三乙醇胺、1份苯甲酸钠、3份乙二胺四乙酸。将获得的混合液在20kHz下超声60min，然后在2000rpm/min转速下，强力搅拌40min，获得绿色环保的水基石墨烯量子点切削液。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。