毕业设计（论文）-地沟油基切屑液的分析与应用价值的研究.doc

中国石油大学（北京）现代远程教育中国石油大学（北京）现代远程教育 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 地沟油基切屑液的分析与应用价值的研究 姓 名： 学 号： 050442 性 别： 男 专 业: 化学工程与工艺 批 次： 2012 年春 学习中心：江苏盐城学习中心 指导教师： 王姗姗 2014 年 4 月 30 日 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） i 地沟油基切屑液的分析与应用价值的研究 摘摘 要要 切削液在金属加工过程中具有润滑、冷却、防锈和清洗等作用。地 沟油的前身是天然油脂，是动物油脂和植物油脂的混合物，因而其具有 动植物油脂的主要特性，是替代植物油用作切削液中的基础油不可多得 的廉价优质的原料。因此，将地沟油引入到金属切削液中具有极其重要 的环境保护意义和社会效益，同时变废油脂为工业原料本身也具有较高 的经济效益。 本文选用地沟油为金属切削液中的基础油，吐温-80 和斯盘-80 为表 面活性剂，硼酸二乙醇胺酯为防锈剂，配制出一种乳化型水基切削液。 采用 GB/T6144-85 试验方法评定切削液的理化性能。 关键词关键词：切削液 防锈 地沟油 环保 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） ii 目目 录录 第一章 前 言.1 1.1 切削液的作用 .1 1.1.1 冷却作用 .1 1.1.2 润滑作用.1 1.1.3 清洗作用.1 1.1.4 防锈作用.2 1.2 地沟油背景及应用研究现状.2 1.2.1 植物油基切削液研究现状.2 1.2.2 地沟油背景及应用研究现状.2 第二章 要研究内容及关键技术.3 2.1 选择合适的表面活性剂.3 2.2 选取具有优良防锈效果的防锈剂.3 2.3 选择合适的乳化工艺.4 第三章 研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析.4 3.1 研究方法.4 3.1.1 选择合适的表面活性剂.4 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） iii 3.1.2 选择合适的防锈剂.6 3.2 技术路线.6 3.2.1 切削液的配制加料顺序的选择.6 3.2.2. 切削液的配制步骤 .7 3.2.3 切削液质量指标及可行性分析.9 3.2.3 可行性分析.10 第四章 结论.11 参考文献.12 致 谢.13 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 1 第一章第一章 前前 言言 1.11.1 切削液的作用切削液的作用 1.1.11.1.1 冷却作用冷却作用 金属切削加工中会产生大量的热，如切削中高速钢刀具的温度可达 200500，碳化钨刀具温度可达 427650，因此要求金属加工液 要有良好的冷却性能1。切削液的冷却作用是依靠切削液的对流换热和 气化把切削热从工作区带走，从而降低刀具和工件的温度，减缓刀具的 热磨损和机械磨损，提高工件的加工质量。水的比热容是油的 2 倍左右， 热导率是油的 36 倍，因此水的冷却性能要优于油的冷却性能。水包 油型（O/W)的切削油的导热系数要比油包水型（W/O)的十倍。另外，稀 释倍率对其导热系数也有很大影响。 1.1.21.1.2 润滑作用润滑作用 在金属切削过程中，被切削的金属会发生塑性和弹性变形，刀具和 加工工件的表面、刀具和切屑之间会产生较大的摩擦，摩擦进而转化为 切削热，如果不及时将热量带走，就会造成切屑焊附在刀具上现象，严 重的影响了刀具的寿命和加工工件的表面质量9。通过合理地使用切削 液，能够在刀具和工件之间形成一层有效的润滑膜，进而改善切削加工 过程刀具和工件之间的润滑情况，降低切削热，继而提高切削效率和经 济效益2。由于切削液具有渗透能力，通过物理吸附或者化学吸附在金 属表面形成一层物理或化学吸附膜，从而极大地降低了切削力和切削热， 有效地抑制了积屑瘤的生成，减少了刀具的磨损和烧结，提高了刀具的 耐用度和加工工件的表面质量6。 1.1.31.1.3 清洗作用清洗作用 金属切削加工中会产生切屑，如不及时将其从切削区间排出，在高 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 2 温下则会粘附在刀具上甚至是焊融在刀刃上，形成积瘤屑，使得加工工 件表面的粗糙度增加，使得切削质量变低，生产效率降低。因此，切削 液必须具有很好的清洗作用，能够将切削中产生的切屑及时的排走，避 免对加工工件的质量产生大的影响。 1.1.41.1.4 防锈作用防锈作用 在金属切削加工过程中，随着刀具不断运转，新鲜的工件表面不断 被加工出来，由于没有任何介质保护，新的表面易与环境介质腐蚀性介 质接触，出现金属表面被腐蚀的现象，同样腐蚀现象也会发生在机床与 切削液接触的部位。油基切削液能够在金属表面形成油膜，阻碍了环境 腐蚀介质与工件的接触，因此防锈能力比较优良11。 1.21.2 地沟油背景及应用研究现状地沟油背景及应用研究现状 1.2.11.2.1 植物油基切削液研究现状植物油基切削液研究现状 作为国际著名跨国集团，瑞士巴索公司最先开展植物油替代矿物油 作为金属加工液的基础油的研发工作，他们通过对菜籽油进行化学改性， 使其保持原有菜籽油各种优良特性的情况下，提高了菜籽油的抗氧化能 力和抗水解能力。植物油替代矿物油作为金属加工液的基础油，延长刀 具的使用寿命，改善工作环境，提高生产率。随着人们对绿色环保切削 液的研究深入，不断以植物油作为基础油的金属切削液被研制和应用于 金属加工中。随着石油资源的不断消耗，其价格也不断增长，以及人们 环境保护意识的增强和立法的约束，植物油所具有的优势将在今后金属 加工中继续体现出来34。我国每年金属加工液市场的需求量约为 4.0105 吨，其中成型油(液)约占总需求量的 36，切削油(液) 约 占总需求量的 38，防锈油约占 13%，热处理油约占总需求量 8%3 。 1.2.21.2.2 地沟油背景及应用研究现状地沟油背景及应用研究现状 地沟油是人们对使用过后废弃的油脂的统称，主要来源是从餐饮行 业收集含油泔水；另外，劣质禽畜肉、内脏、皮革加工提炼后产出的油， 以及反复用于煎炸食品，不可再继续食用的煎炸老油也可能被用以生产 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 3 地沟油。而最为严重是地沟油大部分都是流向了食用油市场，继而又回 到了人们的餐桌上。地沟油里含有多种对人体有害的物质，如酚类、酮 类、多环芳烃和黄曲霉素等致癌物质13。 地沟油中的主要成分仍是甘油三酯，只是脂肪酸类物质的比例发生 了改变，因此地沟油具有植物油一些根本的特性。地沟油应用研究最多 的是用作生物柴油的生产原料。通过地沟油的水解反应，可以分离出油 脂化工的基础原料-脂肪酸14。地沟油还可以通过和碱进行皂化反应， 制得可用作洗涤的脂肪酸皂15。 第二章第二章 要研究内容及关键技术要研究内容及关键技术 2.12.1 选择合适的表面活性剂选择合适的表面活性剂 制备乳状液的最重要的一种物质就是表面活性剂，又称为乳化剂， 它能够非常显著地减小溶液的表面张力。本文选用的切削液基础油是地 沟油，要想将其稳定分散在水中，就必须添加一定量的乳化剂，才能形 成乳液。乳液可以分为两种类型：水包油型和油包水型。 常用的乳化剂有三种类型：阳离子型、阴离子型和非离子型。阳离 子型乳化剂易腐败变质，基本上不使用其作为乳化型切削液的乳化剂； 阴离子型乳化剂可以吸附于被分散的粒子的界面上，使其带有相同的电 荷，由于存在静电排斥作用而能使得乳液稳定存在；非离子型乳化剂同 样可以使得液滴在分散相中稳定存在，能够保证了乳液的稳定性16。 在实际试验中，我们通常采用将不同类型的乳化剂在一起复配成复合型 乳化剂，如将油溶性表面活性剂和水溶性表面活性剂混合使用。油溶性 表面活性剂的存在会增强在膜中吸附分子间的侧向相互作用，使膜更加 结实、更凝聚。 2.22.2 选取具有优良防锈效果的防锈剂选取具有优良防锈效果的防锈剂 在金属切削加工过程中，工件的新鲜表面没有任何保护，易与环境 介质和切削液组分因分解或氧化变质而产生的腐蚀性介质接触，出现金 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 4 属腐蚀，机床与切削液接触的部位也会产生腐蚀，所以就要求切削液必 须具备优秀的防锈能力17。切削液中常见的防锈添加剂有两类：油溶 型防锈剂和水溶型防锈剂。 2.32.3 选择合适的乳化工艺选择合适的乳化工艺 选择和测试不同类型的表面活性剂及复配出混合型表面活性剂，考 察它们对地沟油的乳化能力及所制备的乳化液的稳定性能，进而制得乳 化稳定性能良好的乳化液。通过考察和分析配制乳液的清洗性、表面张 力、消泡性，最后确定合适的乳化剂配方，并测定和分析乳化剂浓度对 各性能的影响确定其添加量。 第三章第三章 研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 3.13.1 研究方法研究方法 3.1.13.1.1 选择合适的表面活性剂选择合适的表面活性剂 表面活性剂（即乳化剂）是水基切削液的重要组成之一，其能显著 降低切削液界面张力，使的切削液的扩散、渗透能力增强，提高切削液 润滑能力。如何选择合适的表面活性剂是研制工作的关键之一。常用的 选择表面活性剂方法为 HLB 值法。 3.1.1.13.1.1.1 单一乳化剂的选择单一乳化剂的选择 室温下，将基础油与乳化剂按照质量比为 7:3、6:4、5:5、4:6、3:7 加入到 25mL 小烧杯中，在磁力搅拌的条件下混合均匀，制成浓缩液， 取出 5g 基础油与乳化剂的混合浓缩液于 100mL 的具塞量筒中，加入 95mL 去离子水，将其配制成 5的稀释液，然后将稀释液在量筒中反复 摇匀，最后观察期分层情况，确定各种乳化剂乳化基础油的能力。 表 3-1 乳化测试所选取的表面活性剂 试剂名称商品名类型HLB 值 斯盘-80 Span-80 非离子型 4.8 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 5 吐温-80 Tween-80 非离子型 15.7 石油磺酸钠 T702 阴离子型 10.8 选取的三种表面活性剂对于基础油有一定的乳化能力，但是出现了 析油或析皂的现象。 总体而言，单独使用上述任何一种表面活性剂作为基础油乳化剂时， 得不到乳化均匀稳定的乳化液，而在实际应用中，也很少使用单一的表 面活性剂，因此，要将以上的表面活性剂进行复配，通过协同作用，提 高其对基础油的乳化能力7-8。 3.1.1.23.1.1.2 复配乳化剂的选择复配乳化剂的选择 将吐温-80 和斯盘-80 按照质量比 1:99:1 混合成复合乳化剂。室 温下，将基础油与不同配比的复合乳化剂按照质量比为 7:3、6:4、5:5、4:6、3:7 加入到 25mL 小烧杯中，在磁力搅拌的条件 下混合均匀，制成浓缩液，取出 5g 基础油与复合乳化剂的混合浓缩液 于 100mL 的具塞量筒中，加入 95mL 去离子水，将其配制成 5的稀释 液，然后将稀释液在量筒中反复摇匀，最后观察期分层情况，确定各种 复合乳化剂乳化基础油的能力。复合乳化剂配比比例见表 2-3。 表 3-2 复合乳化剂配比比例 通过将吐温-80 和斯盘-80 按照不同质量比混合后，其混合乳化剂 对基础油的乳化能力大大提高，没有出现析油现象。在 HLB=11.8 时， 其乳化液的稳定性不如 HLB=9.7 和 8.6 下乳化液的稳定性。原因在于基 础油的 HLB 值约为 7.5，因此要将基础油乳化成稳定的乳液，就要求所 选乳化剂的 HLB 值不低于 7.5，当混合乳化剂的 HLB 为 8.6 和 9.7 时， 即 Tween80：Span80=4:6 和 5:5。考虑到后续切削液的配制还需要添加 其他的添加剂，因此选择 HLB 值为 9.7 的混合乳化剂，即 Tween80：Span80=1:1。实验得到，基础油与乳化剂的质量比=4:6 时， 样品 号 123456789 T-80:S-80 1 :9 2 :8 3 :7 4 :6 5 :5 6 :4 7 :3 8 :2 9 :1 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 6 其 5的乳化液 20mL 的析皂体积小于 0.5mL。因此，选取基础油与乳化 剂的质量比=4:6，混合乳化剂中吐温-80 与斯盘-80 质量比为 1:1。 3.1.23.1.2 选择合适的防锈剂选择合适的防锈剂 (1)实验材料预处理：将铸铁屑用自来水洗，除去表面的油污，再 用乙醇洗，最后丙酮洗。将处理好的铸铁屑放置于 1052的干燥 箱内干燥 10min。 (2)实验步骤：称取铸铁屑 2g0.02g，均匀铺 70mm 划有 30mm30mm 区间的滤纸上，将滤纸放置于直径为 70mm 的培养皿中，吸 取一定量(2mL)的待测试液，使得铁屑被待测试液润湿，盖上培养皿， 放置 2h。试验结束后，用自来水将滤纸上面的铁屑冲洗掉，并将滤纸 吹干，观察滤纸上的锈蚀面积。滤纸上的锈蚀面积代表着待测试液的防 锈效果。 测试的防锈剂：磺化蓖麻油、三乙醇胺、硼酸三乙醇胺酯、癸二酸 三乙醇铵盐以及切削液样品。每个单体防锈剂的测试浓度为： 0.1、0.3、0.5、1.0。切削液样品配制成： 0.5、1.0、3、5。 （3）实验结果：样品切削液溶液的防锈效果随着浓度增大，防锈 性能变得更好。当浓度为 1时，防锈效果已经很好，浓度为 5时， 基本上已经是无锈了，符合国家标准。 3.23.2 技术路线技术路线 3.2.13.2.1 切削液的配制加料顺序的选择切削液的配制加料顺序的选择 (1)乳化剂溶于水中的方法 这种方法是将乳化剂直接溶解于水中，然后在激烈搅拌作用下慢慢 地把油加入水中，制成油/水型乳化体。如果要制成水/油型乳化体，那 么就继续加人油相，直到转相变为水/油型乳化体为止。 (2)乳化剂溶于油中的方法 将乳化剂溶于油中，将水相加入油脂混合物中，开始时形成为水/ 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 7 油型乳化体，当加入多量的水后，粘度突然下降，转相变型为油/水型 乳化体。 (3)乳化剂分别溶解的方法 这种方法是将水溶性乳化剂溶于水中，油溶性乳化剂溶于油中，再 把水相加人油相中，开始形成水/油型乳化体，当加人多量的水后，粘 度突然下降，转相变型为油/水型乳化体。如果做成 W/O 型乳化体，先 将油相加入水相生成 O/W 型乳化体，再经转相生成 W/O 型乳化体。 将上述制得的乳液常温下放置 24h 后观察体系的稳定性。 试验结果显示：方法(1)制得的乳液体系不稳定，24h 后有析油现 象出现；方法(2)制得的乳液比较均匀，放置 24h 后没有出现析油或析 皂现象；方法(3)制得的乳液性状比较均匀，放置 24h 后出现轻微的析 皂现象。 本实验选择方法(2)作为制备切削液的加料顺序。 3.2.2.3.2.2. 切削液的配制步骤切削液的配制步骤 (1)油相的制备：将基础油、乳化剂按照一定的质量比加入烧杯中， 加热搅拌，将油溶性的添加剂加入到油相中，不断搅拌下加热到 602，使油相各组分溶解充分和均匀。 (2)水相的制备：将去离子水加入烧杯中，加热至沸腾，然后冷却 至 7080。不断搅拌下，将水溶性添加剂加入到水相中，混合均匀。 硼酸酯添加剂另外配制成水溶液。 (3)乳化和冷却：在激烈搅拌下，将少量水相（温度为 7080） 加入油相混合物中，保持温度为 602，此时会形成油包水型乳液， 随着水相的不断加入，体系慢慢转相变为水包油型乳液。保持搅拌 30min 至 60min。然后，降温至 502，加入杀菌剂和消泡剂，继续 搅拌调和 30min。乳化结束后，将乳液迅速冷却至室温，制得颗粒比较 细的乳状液。配置流程如图 4-1 所示： 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 8 7080 602 保温 6070 降温至 502 602 静置 调和 调和 溶解 耦合 剂 水溶 性添 加剂 油溶性 添加剂 乳化剂 基础油 油相 水相 溶解 杀菌剂消 泡剂 调和 去离 子水 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 9 图 3-1 切削液的配制工艺 3.2.33.2.3 切削液质量指标及可行性分析切削液质量指标及可行性分析 3.2.3.13.2.3.1 乳化液的乳化液的 pHpH 值值 称取试样 5g，称准至 0.1g，于具塞量筒中。然后加水至 100mL 标 线处，盖紧后摇匀 1min。用 pH 410 广泛度纸一条，浸入 5上述的 乳化液中半秒后取出与标准色板比较，即得 pH 值。试验结果显示，该 乳化切削液的 pH 值为 8.59.5，符合标准技术要求。 3.2.3.23.2.3.2 乳化液安定性试验乳化液安定性试验 称取试样 5g，称准至 0.1g，于具塞量筒中。然后加水至 100mL 标 线处，盖紧后摇匀 1min。用 pH 410 广泛度纸一条，浸入 5上述的 乳化液中半秒后取出与标准色板比较，即得 pH 值。试验结果显示，该 乳化切削液的 pH 值为 8.59.5，符合标准技术要求。 用移液管吸取上述配制的 5的乳化液 50mL 于 50mL 滴定管中，放 置 24h 后观察皂或油层的析出体积。析出皂或油层的百分率（X）按下 式计算。 100 V V =X 0 1 (3-1) 式中: V1皂或油层体积，mL；V0乳化液总体积； 注:皂是在乳化液上面的一层白色脂状物 油如上层的析出物为棕黄色之透明状液体即为油层。 试验结果显示，该切削液 5的稀释液析皂率小于 0.5，无析油 现象。 3.2.3.33.2.3.3 乳化液的防锈性试验方法乳化液的防锈性试验方法 用吸液管吸取试液，按梅花格式滴 5 滴在试片磨光面上，每滴直径 约为 4 5mm。然后将试片置于干燥器隔板上(注意不要堵孔)，加盖容 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 10 积为 100150 mL 的玻璃罩，然后合上干燥器盖，置于 352的恒温 箱中，连续试验 24 h 取出进行观察。试验结果表明，单片防锈可达 24h 光亮无锈。 3.2.33.2.3 可行性分析可行性分析 目前国内使用的水基切削液以乳化液为主。此类产品使用的基础油 绝大部分为矿物油，在使用过程中对人体健康带来危害，对周围环境造 成严重污染，因此迫切需要绿色环保型的基础油取而代之。植物油由于 具有优良的粘温特性、极性吸附、高生物降解性以及资源可再生性，是 金属切削液中基础油的首选。但是植物油价格昂贵，限制了其在金属切 削液中的广泛使用。地沟油是动植物油脂使用后不可再食用的废弃油脂， 其主要成分也是是动物油脂和植物油脂的混合物，因而其具有动植物油 脂的主要特性，是替代植物油用作切削液中的基础油不可多得的廉价优 质的原料。因此，将地沟油引入到金属切削液中具有极其重要的环境保 护意义和社会效益，同时变废油脂为工业原料本身也具有较高的经济效 益。 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 11 第四章第四章 结论结论 本文以金属切削过程中使用的切削液为基本出发点，选用地沟油为 切削液的基础油，开发了地沟油的一种新用途，具有实际应用意义，有 效保障人们身体健康，改善城市环境，同时创造一定的经济收益。 主要的工作和结果如下： 本文配制出了一种以地沟油为基础油乳化型切削液，其切削原液主 要组成为：地沟油、表面活性剂、助表面活性剂、防锈剂和水。其各组 成部分含量为：地沟油 20、表面活性剂 30、助表面活性剂 6、 防锈剂 10-20和水 10-20。工作时，需将其稀释成 5-10。 所配制的切削液原液的性能试验均是参考切削液国家标准 SH/T 0365-92 上的技术要求来进行配制切削液的指标测试。性能试验结果表 明所配制的乳化型切削液基本符合各项指标。 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 12 参考文献参考文献 1 刘力强. 切削区温度分布研究. 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