新一代環(huán)境友好型潤滑脂——復合鈦基潤滑脂

鄧才超,王秉暉,景長偉,郭小川

（1.陸航研究所,北京 101121;2.后勤工程學院應管系,重慶 400016）

新一代環(huán)境友好型潤滑脂
——復合鈦基潤滑脂

鄧才超1,王秉暉1,景長偉1,郭小川2

（1.陸航研究所,北京 101121;2.后勤工程學院應管系,重慶 400016）

復合鈦基潤滑脂由于綜合性能極好,特別是可生物降解性,已受到國內外的高度關注。文章著重介紹了制備可生物降解復合鈦基潤滑脂的基礎油、添加劑,并對制備的潤滑脂性能進行了分析,對其應用情況進行了簡要介紹,對未來開發(fā)可生物降解復合鈦基潤滑脂進行了展望。

復合鈦;潤滑脂;生物降解;植物油;合成酯;極壓抗磨

0 引言

從20世紀80年代后期開始,人們?yōu)榱耸剐孤┯谕寥篮秃粗械臐櫥瑒┰谧匀唤绲氖澄镦溨蟹纸鉃槎趸己退葻o害物質,開發(fā)了具有生物降解性的摩托艇用二沖程發(fā)動機油、伐木用鏈鋸油等。進人90年代后,其領域擴展到液壓油、潤滑脂等封閉系統(tǒng)用潤滑劑,開發(fā)了用于軸承、建筑機械、農業(yè)機械、鐵道等各種生物降解潤滑脂[1]。近年,隨著人們環(huán)保意識的增強,生態(tài)親和產品的研究和開發(fā)得到了廣泛關注,開發(fā)了一系列以鈣皂和鋰皂為稠化劑稠化植物油的潤滑脂產品,但由于植物油的化學穩(wěn)定性不強及成本較高等問題,并未得到廣泛應用。

20世紀90年代,印度學者成功研制出新型生物降解稠化劑——復合鈦皂[2],從復合鈦基潤滑脂的基礎油、生態(tài)毒性、外場試驗、生物降解性能[3-4]等多方面進行了研究,并已在工業(yè)中得到應用[5]。對于復合鈦基潤滑脂而言,即使采用礦物油為基礎油,也能通過對老鼠進行的毒性試驗和皮膚刺激試驗,表明它對生產者和使用者都是安全的。以植物油為基礎油的復合鈦基潤滑脂不但具有很好的環(huán)境親和性和可生物降解性,而且具有良好的使用性能如剪切可逆性、高低溫性、極壓抗磨性、防銹性、與其他脂的相容性等優(yōu)點[6],目前已經在歐美、日本等發(fā)達國家得到廣泛的應用,曾被潤滑脂雜志稱為“不加添加劑的超級潤滑脂”,在NLGISPOKESMAN上也曾多次報道該潤滑脂。我國國內有關復合鈦基潤滑脂的研究還比較少,主要集中在環(huán)境友好潤滑油及添加劑[7-9]方面,針對添加劑[10-11]和納米顆粒[12]對潤滑脂摩擦磨損性能的影響進行了探索。早在1996年,張東等[13]介紹了國外復合鈦基潤滑脂的研究情況。近幾年,陳惠卿[14]、李素[15]等詳細報道了這種新型潤滑脂在國外的研究和工業(yè)應用情況,但是,采用復合鈦基潤滑脂的研究和生產的報道還不多。

據資料研究表明,我國的鈦礦資源很豐富,比如,陜西省寶雞市被譽為“中國鈦城”。茂名市年產鈦礦4萬t,集選礦、粉末加工于一體。結合中國富產鈦礦資源,研究開發(fā)新型潤滑脂稠化劑及新型潤滑脂品種,是我國潤滑脂科技工作者的任務。

本文從基礎油、添加劑等方面對可生物降解鈦基潤滑脂進行了介紹,并對我國潤滑脂科技工作者對可生物降解復合鈦基潤滑脂研究提出了要求。

1 基礎油

可生物降解復合鈦基潤滑脂是由復合鈦基稠化劑稠化可生物降解潤滑油,并添加可生物降解添加劑制備的?；A油占20%～90%,可生物降解復合鈦基潤滑脂的降解性主要由基礎油的降解性決定。可供選擇的基礎油有植物油、合成烴（聚α-烯烴）、合成酯和乙二醇等。國外主要使用植物油和合成酯為基礎油,也有一部分同時使用植物油和合成酯。目前也有用水作為潤滑脂基礎材料的報道。

1.1 植物油

植物油有以下優(yōu)點:生物降解性和潤滑性好、無毒、對環(huán)境沒有不良影響、黏度指數高、粘溫性能好、抗磨性好、工藝處理能耗低、對環(huán)境污染小和資源可再生。盡管其熱穩(wěn)定性、水解穩(wěn)定性和低溫流動性不好,價格也比礦物油高,但植物油已經成為可生物降解潤滑脂基礎油的首選。

植物油氧化安定性差,可以通過精制處理和化學改質來提高其氧化安定性,但也增加了成本。

1.2 聚α-烯烴

聚α-烯烴（PAO）合成油除了具有高閃點、高燃點、高黏度指數、熱穩(wěn)定性好、氧化安定性好、低傾點及低揮發(fā)性等優(yōu)點外,同時還具有水解穩(wěn)定性好的特點。一般認為,PAO的生物降解性較差（5%～30%）,但這種籠統(tǒng)的說法是不正確的,因為低黏度的PAO （100℃運動黏度為2～4mm2/s）很容易生物降解。

PAO的生物降解性隨運動黏度的增加而降低,高黏度的PAO（100℃運動黏度≥6 mm2/s）不能快速生物降解。因為黏度增加,PAO的平均分子量和側支鏈增加,從而降低了生物降解率[16]。

低黏度的PAO（100℃運動黏度為2～4 mm2/ s）容易生物降解,同時對哺乳動物無毒無刺激作用,可以作為可生物降解潤滑脂的基礎油。

1.3 合成酯

合成酯的生物降解性取決于結構,通常容易生物降解的化合物都是線性、非芳烴和無支鏈的短鏈分子多元醇酯、雙酯和聚乙二醇酯的生物降解性好,而苯三酸酯則是抗生物降解的;環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷共聚物合成的聚醚酯,聚環(huán)氧丙烷在共聚物中的比例越大,其生物降解性越差。

大多數合成酯的生物降解性較好,且毒性較小,作為高性能潤滑脂基礎油已經有許多報道,但合成酯的價格較高。因此,合成酯若不克服價格較貴的因素,將很難推廣。

1.4 聚乙二醇

聚乙二醇具有優(yōu)良的使用性能,也顯示出很高的可生物降解性,但是大多數可以與水互溶,在土壤中的流動性相當高,可迅速達到地下水面,對環(huán)境不利;同時還有一定的毒性（半致死量1.4m L/kg）,因此不適合作可生物降解潤滑脂的基礎油。

1.5 水[17]

水是人們最早使用的潤滑劑之一。由于水的潤滑性能差,需要加入各種添加劑才能滿足機械潤滑的要求。但水基潤滑脂適用于環(huán)保要求,有資源廣闊及成本低廉的優(yōu)點,是潤滑脂今后發(fā)展的重點。

目前潤滑脂廣泛采用生物降解性差、對人體健康有害的礦物油潤滑油添加劑,不僅其廢脂難以處理,并且對人類及環(huán)境造成嚴重危害。因此綠色水基潤滑脂將越來越受到人們的關注。

2 添加劑

現代潤滑脂中加有各種各樣的添加劑,添加劑對環(huán)境的不利影響要大于基礎油的影響,同時對潤滑脂的生物降解性也有不利的影響。

2.1 極壓抗磨劑

在復合鈦基脂對添加劑感受性的試驗中發(fā)現:磺化脂肪酸酯、硫化脂肪酸酯、二硫代氨基甲酸銻、硫化異丁烯或無灰氨基甲酸酯等均可改善復合鈦基脂的極壓性能,這些添加成分與ZDTP并用時可進一步提高復合鈦基脂的極壓抗磨性能[18]。

硫化天然脂肪酸酯的生物降解性優(yōu)異,對于以抗磨和極壓性為主要性能的潤滑脂最為適用。一些硫化脂肪酸酯在不飽和脂肪酸酯基礎油中的極壓抗磨效果優(yōu)于在礦物基礎油中的效果,因此適合作為酯類油的極壓抗磨劑。

硫化天然酯和硫化合成酯的生物降解性都在80%以上。

2.2 防銹劑

受阻酚、硫代磷酸酯、氨基甲酸鋅、氨基甲酸鋁、氨基甲酸鈦或胺化合物等與二叔丁基對甲酚并用時可有效改善復合鈦基脂的抗氧化性能。

無灰型生物降解丁二酸衍生物防銹劑在三羥甲基丙烷油酸酯基礎油中的防銹性能優(yōu)于在菜籽油中的防銹性能,丁二酸半酯的生物降解率超過80%。

低堿性磺酸鈣是酯類油中優(yōu)良的防銹劑,能夠保持低的堿值,可以減少酯水產生的影響?；撬徕}的生物降解率超過60%。

3 可生物降解復合鈦基潤滑脂性能

3.1 可生物降解復合物鈦基潤滑脂基礎脂的生物降解性能

用植物油如菜籽油、葵花籽油、蓖麻油以及植物油和PAO-4的混合油作為基礎油,已經成功制備出復合鈦基潤滑脂,該潤滑脂具有很好的可生物降解性能。其數據見表1。

表1 不同種類基礎油的復合鈦基潤滑脂的生物降解性能

使用可生物降解基礎油制備的復合鈦基潤滑脂的性能見表2。

表2 使用生物降解基礎油制備的復合鈦基潤滑脂性能

據報道,由葵花籽油制備的復合鈦基潤滑脂外觀相對比較光滑;而用蓖麻油為基礎油制備的復合鈦基潤滑脂具有較多的聚合結構。由此可以看出不同的基礎油制備的復合鈦基潤滑脂的性能也有一定的差異。這可能是由于復合鈦皂與基礎油反應方式不同,使制備的復合鈦基潤滑脂具有不同的皂纖維結構所致。使用植物油或植物油與聚α-烯烴的混合油作為基礎油已成功地配制出生物降解復合鈦基脂。如表1和表2所示,植物油或植物油與聚α-烯烴的混合油制備的復合鈦基潤滑脂的滴點均比礦物油復合鈦基潤滑脂高。這可能是由于植物油不飽和鍵形成的復雜結構網所致。此外,該脂銅片腐蝕均合格,并且有較好的膠體安定性和極壓抗磨性能。為改善植物油復合鈦基脂的熱氧化安定性和使用溫度范圍,可選用合成酯類油作為基礎油。表3為以合成酯類油為基礎油的復合鈦基脂的理化性能。由表3可看出:該脂的性能與植物油復合鈦基脂相當。無添加劑的復合鈦基脂本身就具有優(yōu)良的理化性能,即高滴點、極壓抗磨性好、氧化安定性好、抗水淋性好、高溫軸承壽命長等優(yōu)點。

表3 合成酯復合鈦基潤滑脂性能

3.2 極壓抗磨添加劑對植物油復合鈦基潤滑脂性能的影響

在菜籽油制備的復合鈦基潤滑脂中加入極壓抗磨添加劑,其性能見表4。

表4 極壓抗磨添加劑對改善復合鈦基潤滑脂極壓性能的影響

由表4可知,添加極壓抗磨添加劑對復合鈦基潤滑脂極壓抗磨性能有很大改善。添加2%的硫化脂肪可以將復合鈦基潤滑脂基礎脂的燒結負荷從2205 N提高到3479N,同時再加入1%的二烷基二硫代磷酸鋅,相應的磨斑直徑從0.6mm減少到0.4 mm。表明這兩種極壓抗磨添加劑具有一定的協(xié)同作用。同樣,用其他類型的極壓抗磨添加劑也能得到相似的結果。

4 可生物降解復合鈦基潤滑脂的應用

可生物降解復合鈦基潤滑脂由于具有優(yōu)異的生物降解性,目前已應用于礦山機械、農業(yè)機械、建筑機械、鐵道等要求生物降解性的領域。除此之外,在其他領域也取得了較好的效果,例如在鋼鐵廠、化工廠、電廠、機車車輛的應用試驗中與其他潤滑脂相比,潤滑壽命可提高4～6倍。在使用溫度超過200℃的包裝工業(yè)中,復合鈦基脂的使用性能比其他脂好幾倍。用于鋼廠滾筒的復合鈦基脂與高性能合成潤滑脂的使用性能相當。在化肥廠大型鼓風機的應用中,可使原來使用極壓鋰基脂時的工作溫度從75℃降低到48～50℃。鐵道軸桿用脂的AARM-942 -88規(guī)格要求潤滑壽命為784 h,而復合鈦基脂可超過2000 h。復合鈦基脂在吊扇軸承中的應用,潤滑壽命是通用鋰基脂的兩倍。

5 結束語

我國在可生物降解復合鈦基潤滑脂研究方面已經取得了一定的進展,通過認證的可生物降解復合鈦基潤滑脂正在不斷增加,加速了此類產品的推廣應用。但對可生物降解復合鈦基潤滑脂的研究還不夠深入,不成系統(tǒng)。對于潤滑脂科技工作者,我們應該開展這些方面的工作。

（1）跟蹤國外先進技術,繼續(xù)深入開展可生物降解復合鈦基潤滑脂的基礎研究,提高此類產品的穩(wěn)定性能。

（2）考察各種基礎油和添加劑對環(huán)境的影響,開發(fā)各種高降解率的酯基油和植物油。

（3）開展改善植物油抗氧化性方面的研究,主要方法有氫化、硫化、酯交換等,減少植物油的雙鍵含量,增加其抗氧化性。

（4）深入開展復合鈦基潤滑脂與可生物降解基礎油、添加劑的配伍性研究,提高此類產品的可生物降解性和使用性能。

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A New Genera ion Environmental Friendly Lubricating Grease——Titanium Compplex Grease

DENG Cai-chao1,W ANG B ing-hui1,J ING Chang-w e i1,GUO Xiao-chuan2
（1.Re sea rch Institu te o f A rm y A viation,Be ijing 101121,Ch ina; 2.D ep t.o f O ilApp lication&M anagem en t Eng inee ring,LEU,Chongq ing 400016,Ch ina）

B ecause o f the pe rfec t com p rehensive p rope rties,esp ec ia lly the b iodeg radab ility,the titan ium com p lex g rease has a ttached h igh atten tion a llove r the w o rld.The base o il and the add itive used in deve lop ing the b io deg radab le titan ium com p lex g rease are in troduced in the pape r.The p rope rties o f the titanium com p lex g rease are analyzed.The app lication is also b riefly in troduced and the fu tu re trends are p rospec ted.

titan ium com p lex;lub ricating g rease;biodeg radab ility;vege tab le o il;syn the tic este r;EP an ti-w ear p rope rty

TE626.4

A

1002-3119（2011）01-0006-04

2010-04-19。

鄧才超（1981-）,男,工程師,2007年畢業(yè)于后勤工程學院應用化學專業(yè),獲碩士學位,現從事潤滑油、潤滑脂的研究工作,已公開發(fā)表論文多篇。