利用响应面方法优化硬水中基于植物油的切削液性能

《Journal of Molecular Liquids》：Optimization of vegetable oil-based cutting fluid performance in hard water by response surface methodology

本研究通过响应面法优化了以大豆油为基础的绿色切削液配方，在硬水（450 mg/L）和pH=9条件下，采用Span 20和Tween 80复合表面活性剂，确定了最佳配方（HLB=11.79，表面活性剂0.50 wt%，大豆油10.06 wt%），其摩擦性能（磨损 scar直径0.506 mm）和乳化稳定性（颗粒尺寸573.8 nm）显著优于商用矿物油基切削液，且具有更低摩擦系数、更高热导率及优异低温流动性和润湿性，为可持续制造提供了环保高效切削液技术支撑。

　　本研究针对传统矿物油基切削液在环境和资源方面存在的污染与浪费问题，探索了一种基于植物油的环保型切削液配方。通过响应面法（RSM）对切削液在硬水环境下的性能进行了优化，硬水环境设定为硬度450 mg/L，pH值为9。研究中采用大豆油作为基础油，并结合Span 20与Tween 80组成的复合表面活性剂，以期在保证切削液性能的同时，实现对环境的友好性。研究结果表明，优化后的切削液配方在验证实验中表现出优异的乳化稳定性和摩擦性能，其乳化液粒径为573.8纳米，微观观察下平均粒径为2.48微米，摩擦疤痕直径（WSD）为0.506毫米。与商业切削液相比，该乳化液具有更低的摩擦系数（扭矩降低25.7%）和更高的热传导性能。微观表征（如差示扫描量热分析、流变分析）显示，该乳化液在低温流动性与润湿性方面优于纯水，接触角更小。本研究为开发适用于硬水环境的环保高效切削液提供了理论和技术基础，支持绿色制造的可持续发展目标。

切削液在现代制造业中扮演着至关重要的角色，它不仅用于冷却和润滑加工工具与工件，还能够防止金属表面氧化和锈蚀，从而提高加工效率和产品质量。然而，传统矿物油基切削液因其含有大量不可降解的有机化合物，对环境造成了严重污染。据统计，每年约有120万公吨的碳基冷却液被排放到自然生态系统中，不仅导致水体污染，还浪费了宝贵的水资源。因此，开发一种既具备良好性能又对环境友好的替代品成为当前研究的重点。

植物油因其良好的润滑性、热稳定性以及生物降解性，被认为是矿物油基切削液的潜在替代品。植物油中含有的氧官能团能够与金属表面形成较强的相互作用，从而提供优异的润滑效果。在本研究中，选择了广泛且成本较低的大豆油作为基础油，这不仅符合环保要求，还便于大规模生产和应用。然而，植物油在硬水环境下的使用仍面临诸多挑战，如乳化稳定性差、摩擦性能不足等，这些因素可能影响其在实际工业中的应用效果。

水的硬度是影响切削液性能的重要因素之一。水的硬度指的是水中钙、镁及其他金属离子的总含量，通常以每升水中碳酸钙的毫克数表示。不同硬度的水会对切削液的乳化稳定性、防锈性、润滑性和消泡性产生显著影响。例如，高硬度水中的钙、镁离子可能与切削液中的成分发生反应，导致乳化液的不稳定和性能下降。因此，研究切削液在硬水环境下的表现，对于其在实际应用中的推广具有重要意义。

在本研究中，选择硬水环境（硬度450 mg/L，pH值为9）作为实验条件，这一设定符合中国卫生饮用水标准。根据中国水资源的分布情况，南方地区如长江流域和珠江流域的水硬度相对较低，而北方地区如黄河流域和海河流域的水硬度较高。因此，研究切削液在高硬度水中的表现，有助于提升其在广泛地区的适用性。

表面活性剂在切削液的配方中起到了关键作用。它们能够降低油水界面张力，促进乳化液的形成，并提高其稳定性。在本研究中，采用Span 20和Tween 80作为复合表面活性剂，这两者分别属于非离子型和阴离子型表面活性剂。Span 20具有较强的疏水性，能够有效吸附在油水界面，从而降低界面张力；而Tween 80则具有较强的亲水性，有助于提高乳化液的稳定性。通过调整这两种表面活性剂的比例，可以优化复合表面活性剂的亲水-疏水平衡（HLB）值，进而改善切削液的整体性能。

HLB值是衡量表面活性剂亲水-疏水平衡的重要参数，它直接影响乳化液的稳定性。HLB值越高，表面活性剂的亲水性越强，反之则越弱。在本研究中，通过调整Span 20和Tween 80的比例，得到了HLB值为11.79的复合表面活性剂。这一HLB值在实验中被证明能够有效提升切削液的乳化稳定性，同时改善其摩擦性能。实验结果显示，优化后的切削液在硬水环境下的乳化液粒径为573.8纳米，微观观察下平均粒径为2.48微米，表明其乳化液具有较高的均匀性和稳定性。此外，摩擦疤痕直径（WSD）为0.506毫米，说明该切削液在减少摩擦和磨损方面表现出色。

在实际应用中，切削液的性能不仅取决于其配方，还受到多种外部因素的影响，如pH值、温度、搅拌速度等。因此，本研究在硬水环境（pH=9）下进行实验，以模拟实际工业条件。通过响应面法，研究团队构建了一个预测模型，该模型能够准确预测切削液在不同条件下的性能表现。实验结果表明，该模型的预测值与实际测量值高度一致，验证了其可靠性。

此外，本研究还对切削液的微观特性进行了分析，包括差示扫描量热分析（DSC）和流变分析。这些分析结果表明，优化后的切削液在低温下的流动性优于纯水，且其润湿性更好，接触角更小。这些特性对于提高切削液在复杂加工条件下的适应性具有重要意义。同时，该乳化液还表现出良好的氧化稳定性、腐蚀稳定性和摩擦学性能，使其在实际应用中更具优势。

在作者贡献方面，每位研究人员都发挥了重要作用。Wei Wang负责原始稿件的撰写、数据分析和数据管理；Mingan Zhou负责实验方法的设计和概念化；Zhiqiao Wu参与了实验调查和概念化；Hualin Lin负责软件开发和实验方法的优化；Bin Dai负责稿件的修改、验证和资源协调；Yuan Xue负责实验数据的可视化和分析；Sheng Han则负责资金获取和项目管理。这些贡献确保了研究的顺利进行和高质量的成果产出。

本研究的成果不仅为开发适用于硬水环境的环保型切削液提供了理论和技术支持，还为绿色制造的可持续发展目标做出了贡献。通过优化切削液的配方，研究团队成功提高了其在硬水条件下的性能，使其在实际工业应用中更具竞争力。同时，研究结果也为其他类似研究提供了参考，推动了环保型切削液的进一步发展和应用。