一种钢桶卷边专用水基润滑冷却剂及其制备方法与流程

本发明属于水基润滑冷却剂，具体为一种钢桶卷边专用水基润滑冷却剂及其制备方法。

背景技术：

1、钢桶是工业包装领域应用广泛的金属容器。钢桶制造涉及板材裁切、卷圆、焊接、翻边、卷边封口、表面涂装等多道工序，其中卷边是决定钢桶密封性能与结构完整性的关键成形工序。卷边时，桶身翻边与桶底（盖）钩边相互扣合，卷边滚轮在高速旋转下对扣合部位连续辊压，使两者经历“弯曲—折叠—压实”的复合塑性变形，最终形成机械互锁的密封结构。在这一过程中，卷边滚轮工作面与工件材料之间、相互扣合的各金属层之间同时承受高压滑动摩擦和滚动辊压，接触区压力可达数百兆帕，局部瞬时温度可达200℃以上。上述工况决定了卷边工序对润滑与冷却介质的性能具有较高依赖。

2、近年来，随着精细化工、食品添加剂、涂料、医药中间体等行业对中小规格包装需求的持续增长，150l及以下容量钢桶的市场占比逐步上升。与200l标准桶相比，中小容量钢桶的卷边工艺呈现更为苛刻的技术特征：桶身板厚由0.8～1.2mm减薄至0.4～0.6mm，轻量化产品甚至低于0.35mm；卷边生产线速度达60～120只/min；中小桶多用于高附加值内容物包装，内壁需涂覆食品级或耐化学品涂层，卷边与内外涂装之间节拍紧凑，通常不具备离线清洗工位和长时间干燥周转条件。上述特征使中小桶卷边对润滑冷却剂的性能要求与200l大桶存在明显差异，适用于大桶的卷边润滑方案难以直接迁移至中小桶场景。

3、同时，以水基全合成体系替代传统油基和乳化液体系，可减少有机溶剂清洗工序，规避含油废水的环保处理负担，是中小容量薄壁钢桶绿色制造的可行技术路径。

4、然而，受中小薄壁钢桶卷边间隙窄、接触压力高、瞬时温升高以及免清洗涂装衔接的约束，现有通用水基加工液在施加、成形及与后续涂装过程中面临如下技术难题：

5、其一，低粘度配方难以兼顾喷涂与卷边润滑。150l及以下钢桶卷边成形后为多层钢板折叠互锁结构，各折叠层之间的缝隙极窄，润滑剂须具备低粘度高渗透性才能渗入层间界面形成覆盖。在施加阶段，卷边液以高压微量喷雾方式施加于滚轮与桶身接触区，液体粘度越低，雾化细雾比例越高，气雾扩散范围越大，细小雾滴在生产线气流扰动和滚轮旋转甩溅作用下漂移至桶身外壁、桶盖内表面等非卷边区域，干燥后形成斑点或盐纹，后续涂装时表现为位置不固定且成因隐蔽的针孔或缩孔缺陷。在成形阶段，低粘度介质在接触区的液膜厚度薄、抗剪切挤出能力弱，在较高接触压力和持续辊压摩擦下容易被挤出接触区，造成边界润滑状态恶化，表现为卷边起皱、开裂、毛刺和压合不均。

6、其二，卷边高温与镀锌层剥落增加工艺难度。卷边接触区瞬时温度高，即便采用水基介质，接触区仍可能出现蒸汽膜，阻断液膜与金属表面的热交换，削弱冷却效果。同时，对于镀锌钢桶，卷边时镀锌层在高压辊压剪切下易发生开裂剥落，剥落的锌粉在滚轮表面反复碾压后形成粘模，进一步破坏卷边表面质量。

7、其三，卷边处防锈与涂装难以兼顾。中小容量钢桶的卷边区域由桶身翻边与桶底（盖）钩边扣合而成，桶身和桶底（盖）的材质通常为冷轧黑钢板或镀锌钢板。卷边碾压会局部破坏黑钢板表面的原有防护层或镀锌钢板的镀锌层和钝化膜，暴露出无保护的新鲜铁基表面；镀锌板破损区因锌-铁电位差更易优先腐蚀而产生白锈。在涂装前的短期存放期间（24～72h），铁基裸露区易发生锈蚀。由于卷边液通常以一款通用产品同时供应镀锌桶和黑钢桶生产使用，同一配方需要对两种材质均具有防锈效果。但部分防锈组分对铁基表面存在优先吸附倾向，在锌层破损处覆盖不足，容易出现“防了铁、漏了锌”的选择性失效。为提高防锈效果，常规水基加工液通常添加无机盐类防锈组分，但这类组分在水分蒸发后易结晶析出，形成盐斑，与免清洗涂装要求相冲突。

8、基于此，如何研发一款能够改善上述技术问题的水基全合成卷边润滑冷却剂，对150l及以下薄壁钢桶的制造具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种钢桶卷边专用水基润滑冷却剂及其制备方法，旨在解决现有通用水基加工液在150l及以下薄壁钢桶高速卷边工况中，低粘度配方雾化漂移与液膜承载难以兼得、高温蒸汽膜削弱冷却、镀锌层剥落粘模以及防锈与免清洗涂装兼容难以兼顾等问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种钢桶卷边专用水基润滑冷却剂，包括如下重量份组分：

4、含氮硼酸酯4～8份、改性纳米氮化硼0.5～2份、改性聚氨酯缔合型增稠剂0.05～0.5份、聚醚10～17份、钼酸钠-三乙醇胺复合防锈剂2～4份、苯并异噻唑啉酮0.1～0.3份、硼酸0.1～0.3份、去离子水60～85份；

5、所述含氮硼酸酯由硼酸、二乙醇胺与聚乙二醇经缩合反应所得；

6、所述改性纳米氮化硼由纳米氮化硼经kh550与聚乙二醇硅烷的共水解物表面改性所得；所述聚乙二醇硅烷为3-(三甲氧基硅基)丙基聚乙二醇，分子量为500～1000；

7、所述改性聚氨酯缔合型增稠剂由异氰酸酯封端聚氨酯与聚乙二醇单甲醚经封端反应所得。

8、本发明提供一种钢桶卷边专用水基润滑冷却剂，能够缓解现有通用水基加工液在窄隙渗透与雾化可控难以兼得、高温冷却与极压润滑难以同步、防锈功能与涂装兼容难以协调的问题，具体组分作用如下：

9、含氮硼酸酯中，硼酸与二乙醇胺缩合形成的含b-n配位键的螯合环结构提供极压承载能力，在卷边接触区高压辊压摩擦条件下形成边界润滑膜，降低卷边起皱、开裂和毛刺的发生率；经聚乙二醇桥接后，硼酸酯单元通过peg链段连接为聚合结构，干燥后形成透明薄膜而非结晶粉末，减少常规硼酸酯水解产物在卷边处析出白斑。同时，peg链段通过氢键与空间位阻作用在一定程度上抑制钼酸钠在水分蒸发后的结晶析出，在残留液膜较薄且快速干燥的条件下，使防锈组分倾向于以更均匀的膜状而非大颗粒晶体形式分布于卷边区域。

10、改性纳米氮化硼中，纳米氮化硼具有高导热系数，分散于卷边液中可提升体系的导热效率，加速卷边接触区热量导出，减弱蒸汽膜生成趋势，改善高温工况下的冷却效果；经kh550与聚乙二醇硅烷的共水解物表面改性后，颗粒表面同时引入氨基和peg链段，硅烷水解后产生的硅羟基提供静电排斥，peg链段提供空间位阻，二者协同使颗粒在含钼酸钠和硼酸等阴离子的配方体系中保持稳定悬浮，降低团聚沉降倾向；颗粒表面氨基可与新鲜金属表面发生配位吸附，与含氮硼酸酯形成的边界润滑膜协同作用，降低卷边区金属间的直接剪切与犁沟效应，从而在减少镀锌层机械剥落的同时，间接降低锌粉向滚轮表面的转移粘附倾向。

11、改性聚氨酯缔合型增稠剂在喷嘴高剪切速率作用下，疏水缔合网络发生解离、体系粘度降低，呈现典型高剪切变稀特性，不会出现粘度显著升高的情况，不影响喷嘴雾化和卷边窄隙渗透；在喷雾液滴离开喷嘴后的低剪切条件下，疏水端基发生缔合重新形成弱网络结构，抑制液丝破碎为细雾，增大雾滴平均粒径，减少气雾漂移及非卷边区域的斑点或盐纹污染；经聚乙二醇单甲醚封端后，增稠剂的水溶性和分散均匀性提升，在间歇喷雾工况下的干结倾向降低，有助于维持喷雾施加过程的稳定性。该增稠剂添加量较低，仅在液滴脱离喷嘴后的低剪切条件下形成弱缔合网络，静态与高剪切条件下整体维持低粘度，保障窄缝渗透。

12、聚醚体系中，分子量200～800的聚乙二醇或环氧乙烷-环氧丙烷共聚醚提供基础润滑和液膜维持能力；其中分子量200～300的低分子量聚醚复溶速度快，可减轻间歇供液条件下的喷嘴堵塞，同时与较高分子量聚醚形成分子量梯度，兼顾窄隙渗透和接触区液膜承载。

13、钼酸钠-三乙醇胺复合防锈剂中，钼酸钠对铁基表面提供钝化保护，三乙醇胺对锌基表面具有缓蚀作用，两者复配后对冷轧黑钢板和镀锌钢板卷边破损区均具有短期防锈能力，降低涂装前存放期间铁基锈蚀和镀锌白锈的发生率；三乙醇胺同时作为ph调节组分，与硼酸共同维持体系ph在8.0～9.0。

14、苯并异噻唑啉酮抑制循环使用和长期存放过程中微生物滋生，防止卷边液发臭变质和生物粘泥堵塞喷嘴，维持供液系统流量稳定。

15、硼酸与三乙醇胺协同缓冲，将体系ph稳定在8.0～9.0，避免ph波动加剧含氮硼酸酯水解及对防锈组分有效性产生进一步的不利影响。

16、综上，本发明通过各组分协同配伍，得到的水基润滑冷却剂能够缓解150l及以下薄壁钢桶高速卷边中低粘度渗透与雾化可控的矛盾、高温冷却与极压润滑的矛盾、防锈与免清洗涂装的矛盾，适配镀锌板和黑钢板两种材质，卷边后免清洗且不影响后续内涂/外涂附着力，有利于降低废品率和后处理成本，对中小容量薄壁钢桶的绿色制造具有工程应用潜力。

17、作为本技术的一些可实施方式，所述钼酸钠-三乙醇胺复合防锈剂中，钼酸钠与三乙醇胺的质量比为1:1.5～3。

18、作为本技术的一些可实施方式，所述含氮硼酸酯的制备原料中，聚乙二醇的分子量为200～400，硼酸与二乙醇胺的摩尔比为1:0.8～1.2，聚乙二醇与硼酸的摩尔比为0.5～1:2。

19、作为本技术的一些可实施方式，所述含氮硼酸酯的制备方法为：

20、将硼酸与二乙醇胺混合，在甲苯回流条件下反应2～3h，得到含氮硼酸酯中间体；反应结束后减压蒸馏脱除甲苯，其后加入聚乙二醇，在氮气保护下升温至120～140℃，减压脱水反应3～5h，即得。

21、作为本技术的一些可实施方式，所述改性纳米氮化硼的制备方法为：

22、将kh550与聚乙二醇硅烷按质量比1:0.5～1混合，加入乙醇-水混合液中，所述乙醇-水混合液中乙醇与水的体积比为8:1～10:1，调节ph至4～5，室温搅拌30～60min，得到共水解物；其后加入纳米氮化硼，升温至60～70℃，搅拌反应4～6h；离心分离，乙醇洗涤，真空干燥，研磨解聚，即得；

23、其中，硅烷总用量为纳米氮化硼质量的3～8%。

24、作为本技术的一些可实施方式，所述纳米氮化硼的平均粒径为50～200nm，所述聚乙二醇硅烷为3-(三甲氧基硅基)丙基聚乙二醇，所述聚乙二醇硅烷的分子量为500～1000。

25、作为本技术的一些可实施方式，所述改性聚氨酯缔合型增稠剂的制备方法为：

26、将异氰酸酯封端聚氨酯与聚乙二醇单甲醚按摩尔比1:0.3～0.6混合，在氮气保护下升温至80～100℃，反应3～5h，即得。

27、作为本技术的一些可实施方式，所述异氰酸酯封端聚氨酯的制备方法为：将聚乙二醇（分子量1000～2000）与二环己基甲烷二异氰酸酯按摩尔比1:2～2.5混合，在氮气保护下升温至70～80℃，反应2～3h，其后加入十八醇进行部分封端，十八醇与二环己基甲烷二异氰酸酯的摩尔比为0.2～0.4:1，继续反应1～2h，即得异氰酸酯封端聚氨酯，分子量5000～10000。

28、作为本技术的一些可实施方式，所述聚醚为分子量200～800的聚乙二醇或环氧乙烷-环氧丙烷共聚醚中的至少一种，其中分子量200～300的低分子量聚醚占聚醚总量的30～50%。

29、作为本技术的一些可实施方式，所述含氮硼酸酯的制备原料中，部分二乙醇胺替换为n-甲基二乙醇胺，二乙醇胺与n-甲基二乙醇胺的摩尔比为3～1:1。在实际实施时，含氮硼酸酯在卷边液循环使用过程中长期处于40～50℃、ph 8.0～9.0的弱碱性环境中，其b-o键存在缓慢水解倾向，水解产生的硼酸在循环槽中逐渐累积，增加卷边处析出硼酸白斑的风险。本方案将部分二乙醇胺替换为n-甲基二乙醇胺后，n-甲基二乙醇胺氮原子上的甲基具有给电子作用，可增强b-n配位键的稳定性，同时甲基的空间位阻可阻碍水分子接近b-o键，减缓含氮硼酸酯在循环使用过程中的水解速率，降低硼酸累积量，有助于维持卷边液在长期循环使用工况下的防锈与免清洗性能稳定。

30、作为本技术的一些可实施方式，所述改性聚氨酯缔合型增稠剂的封端剂为聚乙二醇单甲醚与端氨基聚醚的混合物，聚乙二醇单甲醚与端氨基聚醚的摩尔比为9:1～8:2，所述端氨基聚醚为分子量800～1200的聚醚胺。在实际实施时，改性聚氨酯缔合型增稠剂在卷边液循环使用过程中，其氨酯键在ph 8.0～9.0的弱碱性环境中存在缓慢水解倾向，水解后增稠剂的疏水缔合能力下降，控雾效果随使用时间衰减。本方案将部分聚乙二醇单甲醚替换为端氨基聚醚后，端氨基聚醚与异氰酸酯反应生成脲键，脲键的水解稳定性优于氨酯键，可降低增稠剂在循环使用过程中的水解速率，延缓控雾效果的衰减，同时少量脲键的存在不影响增稠剂的疏水缔合性能，有助于维持喷雾施加过程的长期稳定性。

31、此外，为实现上述目的，本发明还提供了一种钢桶卷边专用水基润滑冷却剂的制备方法，包括以下步骤：

32、s1. 将改性纳米氮化硼加入部分去离子水中，超声分散，得到纳米分散液；

33、s2. 将剩余去离子水加热至40～50℃，在搅拌条件下依次加入聚醚、钼酸钠-三乙醇胺复合防锈剂、苯并异噻唑啉酮和硼酸，搅拌至充分溶解；

34、s3. 将含氮硼酸酯加入步骤s2所得体系中，搅拌至充分分散均匀；

35、s4. 将步骤s1所得纳米分散液加入步骤s3所得体系中，超声分散；

36、s5. 将改性聚氨酯缔合型增稠剂加入步骤s4所得体系中，搅拌至均匀，用三乙醇胺调节ph值至8.0～9.0，即得。

37、上述制备方法中，先将改性纳米氮化硼单独超声分散于部分去离子水中，使其在接触含钼酸钠、硼酸等阴离子的全配方体系之前完成解聚和充分润湿，有利于颗粒在后续混合过程中保持分散状态，降低团聚风险。其后在40～50℃下溶解聚醚、复合防锈剂、抑菌剂和硼酸，该温度范围可加速水溶性助剂溶解，同时规避高温导致含氮硼酸酯提前水解的风险，且不会对含氮硼酸酯的稳定性产生不利影响。含氮硼酸酯在水相组分完全溶解后加入，可避免其在多组分共存的高浓度环境中局部浓度过高而分散不均。最后加入改性聚氨酯缔合型增稠剂并调节ph，增稠剂在体系各组分混合均匀后引入，有助于其疏水缔合网络在最终配方中均匀建立，避免提前加入导致的局部缔合不均。

38、作为本技术的一些可实施方式，步骤s1中，超声频率为20～40 khz，步骤s2中，搅拌速度为300～500 r/min，步骤s3中，搅拌速度为200～400 r/min。

39、相较现有技术，本发明的有益效果是：

40、本发明提供了一种钢桶卷边专用水基润滑冷却剂，通过含氮硼酸酯、改性纳米氮化硼、改性聚氨酯缔合型增稠剂等组分的协同配伍，能够缓解150l及以下薄壁钢桶高速卷边中低粘度配方雾化漂移、液膜承载不足、高温蒸汽膜削弱冷却、镀锌层剥落粘模及防锈与涂装兼容难以兼顾等问题。

41、经测试，本发明水基润滑冷却剂的粘度在5～8 mpa·s范围内，满足薄壁小桶窄隙渗透要求；雾滴d50≥31μm，细雾比例≤7.0%，漂移沉积量≤4.6mg，表明该冷却剂在喷雾施加阶段细雾生成和漂移污染均得到有效控制；pb值≥775n，卷边起皱率≤0.4%，开裂率为0%，毛刺不合格率≤0.67%，表明该冷却剂在卷边接触区具备较高的极压承载能力，成形质量稳定；卷边温降≥82℃，表明该冷却剂高温冷却效果良好，能够减弱蒸汽膜形成趋势；锌层剥落面积比例≤2.8%，滚轮粘锌均为0级，表明该冷却剂对镀锌层具有良好保护作用；黑钢板和镀锌板72h防锈均为a级，涂装附着力均为0级或1级，表明该冷却剂在短期防锈与免清洗涂装兼容性方面表现良好。

42、综上，本发明通过各组分协同配伍，得到的水基润滑冷却剂能够兼顾低粘度渗透与雾化可控、极压润滑与高温冷却、双金属防锈与免清洗涂装兼容，适配镀锌板和黑钢板两种材质，卷边后免清洗且不影响后续内涂/外涂附着力，对150l及以下薄壁钢桶的绿色制造具有工程应用潜力。