引用论文
Zhang, X., Li, C., Zhou, Z. et al. Vegetable Oil-Based Nanolubricants in Machining: From Physicochemical Properties to Application. Chin. J. Mech. Eng. 36, 76 (2023). https://doi.org/10.1186/s10033-023-00895-5
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研究背景及目的
切削油液在加工中对保证零件表面质量和加工精度具有至关重要的作用。基于环保和健康的需求，植物油成为替代矿物油基切削液的必然选择。然而植物油自身氧化稳定性和极压抗磨性能的不足使其无法满足加工的需求，植物油的物理化学特征和改进方法的应用机制尚不清楚。为了填补这一空白，帮助科学家深入了解植物油基切削液润滑机制及相关特性改性方法，协助制定工艺规范，并捕捉该环保切削液未来的发展趋势，综述了植物油基切削液改性的进展与应用，以希望为制造业双碳转型提供技术支撑和理论参考。
Figure 1 Article Structure
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试验方法
首先阐述了植物油粘度、表面张力、分子结构对冷却和润滑性能的影响。其次，从植物油的分子结构出发，阐述了植物油的自氧化和高温氧化机理。并进一步揭示了化学改性和抗氧化添加剂的应用机理和性能。其中，环氧化得到的PMO的氧化起始温度达到175 ℃。此外，研究了常规极压添加剂和纳米颗粒添加剂的应用机理和极压性能。为解决纳米生物润滑剂抗氧化性能和极压性能不足的问题提供理论支撑。最后展望了植物油在化学改性和添加纳米颗粒方面的未来前景。
Figure 2 Formation process of adsorption layer of EP additive on workpiece surface
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结果
（1）在75-95kg高载荷下，添加2.5%氢过氧化物相比于纯植物油可减少磨损约40%。但在极端压力（126kg）下，相比于矿物油，植物油的摩擦系数增长约20%-107%。
（2）菜籽油季戊四醇酯氧化起始温度高达236℃，高油酸棕榈油TMP酯倾点为-33℃。甲基羟基油酸丙酸酯的氧化起始温度为175℃。在十六烷中添加5%浓度的环氧化豆油，COF降低约75.6%。豆油异构丙酯倾点可达-50℃。
（3）温度约300℃时，BMA1的重量损失仅为5%，而BMA3清除自由基的能力可超过90%以上。抗氧化剂也可用作多功能添加剂。例如，添加PTP的植物油磨痕直径降低约18%-22.91%，添加BMA3的植物油摩擦力降低约25%，添加PRE的植物油粘度增加约136%-179.3%。
（4）纳米添加剂的优势可通过切削力、切削温度、刀具寿命和表面质量来体现，添加纳米粒子的植物油切削力、切削温度、刀具磨损和表面质量分别降低约19.2-33.8%，21%，20-36% ，25-30%。
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结论
（1）分析了植物油自氧化机理，高温下植物油脂肪酸结构的破坏以及过氧化物含量的增加是导致其磨损增加的主要原因。尽管过氧化物具备一定的极压性能，在75-95kg高载荷下，添加2.5%氢过氧化物相比于纯植物油可减少磨损约40%。但在极端压力（126kg）下，相比于矿物油，植物油的摩擦系数增长约20%-107%。植物油基润滑剂的氧化稳定性和极压特性仍无法满足加工需求。
（2）研究了植物油抗氧化性能提升机理。酯交换是提高植物油氧化稳定性的有效方式，同时降低了倾点。例如，菜籽油季戊四醇酯氧化起始温度高达236℃，高油酸棕榈油TMP酯倾点为-33℃。酯交换反应对植物油种类具有依赖性，具有高百分比单不饱和脂肪酸的植物油（如菜籽油）是开发高温润滑剂的最佳选择。而环氧化开环反应通过异构化增加侧链，在提高植物油抗氧化性能、降低倾点的同时，提高植物油的抗磨性能。且随着侧链长度的增加氧化稳定性随之降低。例如，甲基羟基油酸丙酸酯的氧化起始温度为175℃。在十六烷中添加5%浓度的环氧化豆油，COF降低约75.6%。豆油异构丙酯倾点可达-50℃。环氧化开环改性可作为植物油基润滑剂多方面开发的有效手段。
（3）抗氧化剂与不同植物油的适配性不同。例如，蓖麻油中极性基团（-OH）的存在，大多数抗氧化剂与蓖麻油更具亲和力。具有高分子量和长烷基链的抗氧化剂具有更高的热稳定性，且抗氧化能力与其官能团抗氧化活性有关。应用分子结合的协同作用是开发高温抗氧化剂的有效手段。例如，温度约300℃时，BMA1的重量损失仅为5%，而BMA3清除自由基的能力可超过90%以上。抗氧化剂也可用作多功能添加剂。例如，添加PTP的植物油磨痕直径降低约18%-22.91%，添加BMA3的植物油摩擦力降低约25%，添加PRE的植物油粘度增加约136%-179.3%。
（4）研究了植物油极压性能的提升机理，相比于硫、磷和氯系极压添加剂对环境的危害，纳米粒子添加剂由于环保的特性，可作为传统极压添加剂的有效替代品。与纯油相比，纳米添加剂的优势可通过切削力、切削温度、刀具寿命和表面质量来体现，添加纳米粒子的植物油切削力、切削温度、刀具磨损和表面质量分别降低约19.2-33.8%，21%，20-36% ，25-30%。
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前景与应用
（1）不同植物油间抗氧化性能和理化特性存在差异。各国学者针对单一植物油性能的提升方法研究较多。但不同植物油之间理化特性的互补作用同样是改善植物油抗氧化和极压性能的方法。然而不同理化特性植物油性能提高的配比关系尚不明确。
（2）植物油改性和添加抗氧化剂都可提升植物油氧化稳定性。两者的协同机理是进一步提高植物油氧化稳定性的有效方法。
（3）纳米流体可明显提高植物油基切削液的润滑和冷却效果，然而其理化特性和多种加工工况工艺参数的多场映射规律尚不明确。
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李长河，博士、二级教授、博士生导师，俄罗斯工程院外籍院士、山东省泰山学者特聘专家（考核优秀续聘）、山东优秀发明家、中国高被引学者、全球高被引科学家、山东省优秀研究生指导教师、山东省教学名师、青岛市劳动模范。
主要从事智能与高端装备、准干式制造等方面的研究工作。连续承担国家自然科学基金面上项目 4 项，国家重点研发计划课题 3 项，国家机床重大专项课题 1 项，山东省重大科技创新工程项目1项、山东省重点研发计划4项、山东省自然科学基金4项、青岛市科技计划项目5项。4 次登顶期刊年度被引作者第 1 名，9 篇论文登顶期刊年度被引量第 1 名；2022年国内学者学术影响力排行榜第25 名（机械工程领域全国仅 70 人），在国内外同领域具有较高学术地位和知名度。
发表 SCI/EI 收录论文 247 篇，其中 SCI/JCR(1-2)区77篇，并有49篇ESI高被引论文，18篇热点论文，总被引8697余次，h-index：64。出版专著 5 部，主编教材9 部。以“纳米流体微量润滑”为主题词在谷歌学术检索，总篇数中50%来自本项目团队。获得美国、韩国、澳大利亚等发明专利授权69项，PCT 国际专利 52 项，国家发明专利授权 117项，软件著作权 56项。
获得中国专利优秀奖3项、山东省技术发明 1 等奖、山东省高等教育教学成果奖1等奖4项，山东省自然科学奖2等奖，山东省技术发明2等奖、教育部高等学校科学研究优秀成果 2 等奖，山东省专利1等奖 3 项；此外，还获得中国商业联合会科学技术 1 等奖2项、中国产学研合作创新成果 1 等奖、中国循环经济协会科技奖1等奖，中国机械工业科学技术 2 等奖，中国石油和化学工业联合会技术发明 2 等奖，山东高等学校优秀科研成果 1 等奖4 项，青岛市技术发明 2 等奖等科研教学奖励20余项。
作者介绍
张效天（本文第一作者），1997，青岛理工大学硕士研究生，研究方向为智能与洁净精密制造。
作者或团队研究方向
青岛理工大学智能与洁净精密制造创新中心的科研团队主要针对于准干式绿色加工制造，在基于防团簇防沉淀机理纳米流体制备、砂轮/工件楔形约束空间纳米粒子微液滴参数化可控输运、纳米粒子微液滴气雾射流冷却磨削温度场预测模模型与主动控制、纳米流体热物性换热参数及磨削性能的检测等关键技术取得了突破性进展。
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