基于植物的MoS材料的绿色且可扩展设计 2-OA Pickering纳米流体在可持续金属加工中的摩擦降低与散热双重作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Green and Scalable Design of Plant-Based MoS 2-OA Pickering Nanofluids for Simultaneous Friction Reduction and Heat Dissipation in Sustainable Metalworking

针对传统矿物油切削液的环境和健康问题，本研究构建了以棉籽油为基油、MoS2-OA纳米片稳定的绿色Pickering乳液体系，通过响应面法优化参数，实现了低摩擦、优异热传导及高稳定性，突破植物油直接应用的局限，为可持续制造提供新方案。

　　

魏王|夏德平|王欣|林华琳|刘景洲|黄帅|周明安|戴斌|韩生

石河子大学化学与化学工程学院，中国石河子832003

摘要

由于对环境和健康的影响，传统的矿物油基切削液越来越不适合可持续制造。为了解决这些问题，本文提出了一种绿色且可扩展的高性能纳米切削液策略，通过构建基于植物的Pickering乳液来实现。该系统创新性地使用棉籽油作为基础油，并在油水界面处通过油胺（OA）改性的MoS₂纳米片（MoS₂-OA）进行稳定。通过响应面方法（RSM）对配方进行了合理设计和优化，以协同提高乳液的稳定性、润滑性和散热性能。结果表明，这种Pickering乳液具有显著降低摩擦和磨损的特性，同时提高了热导率，性能优于商业切削液。机理分析表明，MoS₂-OA纳米片形成了一个多功能界面膜，既起到了低摩擦的“润滑膜”作用，又起到了高效散热的“热桥”作用。因此，通过利用非食用植物油和功能性纳米材料的协同潜力，建立了一种开发可持续金属加工液的新范式。

引言

随着中国“双碳”战略（旨在2030年前达到碳排放峰值并在2060年前实现碳中和的国家政策框架）的推进，绿色切削液的研究受到了广泛关注[1]、[2]。然而，矿物油基切削液在工业中仍被广泛使用，其长期使用对人类和生态系统构成毒性风险[3]。据统计，全球每年有约120万吨含碳冷却液排放到自然系统中[4]，加剧了环境污染并导致水资源浪费[5]。相比之下，植物油因其优异的润滑性、热稳定性和生物降解性而成为绿色切削液的理想选择[6]。更重要的是，植物油中的含氧功能团对金属表面有独特的亲和力，能够形成稳定的润滑膜，进一步降低摩擦和磨损[7]。作为重要的棉花生产区，中国新疆地区每年生产多达700万吨棉籽，为生产棉籽油提供了丰富的原料基础[8]。作为一种可再生且非食用的植物油资源，棉籽油在工业应用中显示出显著的优势，可以有效替代传统的矿物油（溶剂精炼油、加氢裂化油和聚烯烃）[9]。图S1定量比较了常见非食用植物油的脂肪酸组成。棉籽油的脂肪酸分布较为理想，饱和脂肪酸含量相对较高（26%），仅低于印楝油（36%），因此其氧化稳定性和耐热性得到提升[6]、[10]。基于此，本研究选择价格低廉的新疆棉籽油作为基础油。

研究人员尝试通过用棉籽油替代矿物油来提高切削液的安全性。Bai等人[11]比较了五种植物油和合成切削液在微润滑（MQL）铣削中的性能，发现植物基油可以显著降低切削力并改善工件表面质量，其中棉籽油和棕榈油的表面粗糙度和微观形态最好，分析表明，富含饱和脂肪酸的棕榈油和棉籽油更适合用作MQL的基础油。Balakumar等人[12]研究了传统乳化矿物油切削液和由环保非食用未精炼油（蓖麻油、棉籽油、印楝油）制备的乳化切削液在近干切削（NDM）中对AISI 1045钢部件表面质量的影响，发现环保切削液在近干条件下的加工表面质量优于传统切削液。

然而，植物油作为独立切削液的实际应用受到一些固有限制的制约。这些限制包括其不饱和脂肪酸易受自由基攻击[13]、抗氧化能力较差[14]以及高温下的耐热性低。这些特性常常导致分解和耐用性降低，从而限制了它们的工业应用。

为了突破现有缺点，研究人员正在探索使用添加剂技术来优化植物油的各项性能[15]。在这方面，由固体颗粒在油水界面稳定的Pickering乳液成为一个有前景的平台。例如，Xue等人[16]制备了一种基于氧化石墨烯（GO）的水基Pickering乳液作为水基切削液（WCF），结果表明，所制备的WCF均匀稳定，在降低摩擦、减少扭矩和增强极压性能方面表现最佳。同样，Xu等人[17]利用氮掺杂碳量子点/金属有机框架纳米复合材料来稳定Pickering乳液，有效降低了摩擦系数和磨损率。虽然这些研究突显了固体稳定乳液的潜力，但在绿色且可扩展的油包水Pickering纳米流体的设计方面仍存在显著的研究空白，这种流体需要将非食用植物油与多功能纳米材料结合，以同时解决润滑、散热和乳液稳定性的关键挑战。

本研究旨在通过设计一种基于合理构建的植物基Pickering乳液的新型高性能纳米切削液来解决上述研究空白。该系统创新性地使用不可食用的棉籽油作为基础油，并在油-水界面处通过油胺（OA）改性的MoS₂纳米片（MoS₂-OA）进行稳定。本工作的三个主要创新点如下：

(1) 利用不可食用的棉籽油和MoS₂-OA开发了一种完全绿色且可扩展的纳米切削液系统；

(2) 应用响应面方法（RSM）系统优化配方参数，从而协同提高乳液的稳定性、润滑性和冷却性能；

(3) 进行了全面的机理研究，揭示了MoS₂-OA纳米片作为降低摩擦的润滑膜和增强散热的热导桥的双重功能。

通过结合RSM进行配方优化和摩擦学机理分析，本研究不仅为高性能环保切削液的设计提供了理论基础，还促进了工业润滑技术向更高效率和可持续性的发展。

材料

材料

棉籽油（试剂级）购自中国新疆金雪驰科技有限公司，主要规格如下：饱和脂肪酸含量<30%，40°C时的运动粘度约为35 mPa·s。二水合钼酸钠（分析试剂）、硫脲（试剂级）和氢氧化钠（分析试剂）购自上海阿拉丁生物化学科技有限公司（上海）。油胺（OA，试剂级）由上海提供

MoS₂和MoS₂-OA纳米片的表征

为了观察MoS₂和MoS₂-OA纳米片的微观形态，使用了SEM和TEM进行表征。从图2a和图2b可以看出，MoS₂和MoS₂-OA纳米片具有层状堆叠结构，这种自堆叠现象是由层间的范德华力引起的[20]。MoS₂、MoS₂-OA和标准卡片（PDF#37-1492）的XRD图谱如图2c所示。其中，MoS₂的主峰出现在约2θ =

结论

本研究的结果为该领域的研究人员提供了宝贵的见解和参考框架。首先，成功构建的三元绿色Pickering乳液系统（棉籽油、水和MoS₂-OA）为开发高性能和可持续的金属加工液建立了一个可扩展的设计范式。实验结果表明，优化后的Pickering乳液（纳米片浓度为0.20 wt%，接触角为79.19°，棉籽油含量为5.04%

作者贡献声明

夏德平：概念构思。王欣：软件开发、数据分析。魏王：初稿撰写、验证、数据管理。黄帅：资源获取。周明安：验证、数据管理。林华琳：指导。刘景洲：可视化处理。戴斌：撰写、审稿与编辑、指导。韩生：撰写、审稿与编辑、指导、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了上海市教育委员会科研创新项目（项目编号2023ZKZD54）、上海市技术标准项目（项目编号23DZ2201100）、上海市航空航天科技创新基金（项目编号SAST2023-064）、教育部联合基金（项目编号8091B02052304）、上海市工业协同创新项目（项目编号XTCX-KJ-2022-70）以及自然科学基金的支持