生物可降解液壓油的研究方向

徐自偉

（中國(guó)石油玉門(mén)油田分公司，甘肅酒泉 735200）

生物可降解液壓油又稱環(huán)境友好型液壓油，即指油品即滿足液壓系統(tǒng)使用性能要求，且自身及損耗產(chǎn)物又不會(huì)對(duì)環(huán)境造成損害，或在一定程度上為環(huán)境所允許，其中包括：具有優(yōu)良的可生物降解性、生態(tài)毒性小、對(duì)環(huán)境污染小和資源可再生等。目前，歐美、日本等國(guó)家已經(jīng)展開(kāi)了對(duì)生物可降解潤(rùn)滑劑的研究，一些著名的大公司已經(jīng)陸續(xù)有產(chǎn)品問(wèn)世，并且建立了合適的可生物降解性能評(píng)定方法。

潤(rùn)滑油的可生物降解性是生物可降解液壓油最重要的指標(biāo)。生物降解性就是污染物被環(huán)境微生物降解的可能性，例如大分子物質(zhì)被活性微生物（細(xì)菌）分解為CO2和H2O的能力，這其中包含了物質(zhì)的消耗與能量的轉(zhuǎn)換，這樣就可以通過(guò)定量測(cè)定生物降解過(guò)程中的總有機(jī)碳（TOC）和溶解有機(jī)碳（DOC）來(lái)衡量生物降解性。

由于目前國(guó)際上還沒(méi)有通用的潤(rùn)滑劑生物降解性評(píng)定方法，但是已經(jīng)有多種成熟的實(shí)驗(yàn)方法可用于評(píng)價(jià)測(cè)試。最常用的方法有生物降解經(jīng)合組織（OECD）301系列、美國(guó)實(shí)驗(yàn)材料學(xué)會(huì)（ASTM）方法以及歐洲協(xié)調(diào)委員會(huì)（CEC）方法等（見(jiàn)表1）。

表1 生物降解性的各項(xiàng)評(píng)定方法

1 可生物降解液壓油的組成

現(xiàn)在大部分的潤(rùn)滑劑都是由基礎(chǔ)油和添加劑調(diào)和而成的，基礎(chǔ)油是液體潤(rùn)滑劑的重要組成部分，所占比例一般在80%～90%，甚至更高，因此基礎(chǔ)油對(duì)潤(rùn)滑劑性能起著決定性的作用。由于基礎(chǔ)油在潤(rùn)滑劑中所占比例很高，所以可生物降解潤(rùn)滑劑的降解性主要由基礎(chǔ)油的降解性決定的。ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）于2002年3月1日公布了生物降解液壓油的規(guī)格ISO 15380，該規(guī)格將可降解液壓油分為4個(gè)系列：

（1）HESS:合成酯型（非水溶性）。酯類油具有優(yōu)異的氧化安定性和摩擦性能。

（2）HETG：甘油三脂（非水溶性植物油型）。該類油比礦物油的熱負(fù)荷低，氧化安定性差。

（3）HEPR：聚-α-烯烴和有關(guān)烴類產(chǎn)品。低相對(duì)分子質(zhì)量的PAO及相應(yīng)的衍生物是可生物降解的，但比大多數(shù)的酯類油和植物油的降解速度慢得多。

（4）HEPG：聚乙二醇型（水溶性）主要用于供水工業(yè)、航海設(shè)備，為可快速降解的液壓油液。

ISO 15380標(biāo)準(zhǔn)可生物降解液壓油的4個(gè)系列中的基礎(chǔ)油主要包括合成酯、植物油、合成烴（PAO）和乙二醇等。目前國(guó)外有使用植物油和合成酯作為基礎(chǔ)油的報(bào)道，也有部分同時(shí)使用植物油和合成酯。

1.1 基礎(chǔ)油

1.1.1 合成酯 合成酯作為高性能的潤(rùn)滑劑基礎(chǔ)油，廣泛用于航空領(lǐng)域，近年來(lái)由于燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，它也被用在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油上，以彌補(bǔ)礦物油自身的某些缺陷。作為液壓油基礎(chǔ)油，常用的合成酯型基礎(chǔ)油結(jié)構(gòu)主要有PETE（季戊四醇四酯）、TMPT（三羥甲基丙烷三庚酯）、TMP（三羥甲基丙烷三油酸酯）等，其優(yōu)點(diǎn)有：無(wú)毒、生物降解性好、優(yōu)良的粘溫性和低溫流動(dòng)性，良好的熱氧化穩(wěn)定性和低揮發(fā)性以及與添加劑的良好感受性。這些特性與礦物油相近，所以合成酯型基礎(chǔ)油可以在生物可降解液壓油中推廣。但是合成酯的價(jià)格較昂貴，現(xiàn)階段僅用在一些高端科技及國(guó)防設(shè)備中，而對(duì)常規(guī)設(shè)備的使用則不經(jīng)濟(jì)，所以改進(jìn)合成酯的工藝技術(shù)將是今后的主攻方向。

表2 幾種合成酯型基礎(chǔ)油的性質(zhì)

1.1.2 植物油 與礦物油相比，植物油是可再生性資源，來(lái)源廣泛，無(wú)毒且容易生物降解，但是其熱穩(wěn)定性、低溫流動(dòng)性及氧化安定性均不理想；與酯類油相比，植物油價(jià)格低廉，原料易得，成本較低。植物油主要成分是脂肪酸三甘油酯。植物油中含有大量的不飽和酸，所以其氧化安定性變的很差，一般來(lái)說(shuō)不飽和度越高，其低溫流動(dòng)性越好，但是其氧化安定性越差?，F(xiàn)在普通的植物油性能肯定是無(wú)法滿足現(xiàn)代液壓系統(tǒng)要求的，就需要通過(guò)一定的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其質(zhì)量的提高。例如菜籽油（三甘油脂）可在施加一定條件后連續(xù)改進(jìn)成：菜籽油→油酸甘油酯→三羥甲基丙烷三油酸酯→三羥甲基丙烷三硬脂酸酯，通過(guò)對(duì)菜籽油的改進(jìn)其性能大大提高，但是其成本也增加了。其他的植物油也可以通過(guò)酯交換、氫化、環(huán)氧化等來(lái)改善其雙鍵，避免油質(zhì)劣化。

1.1.3 其他可生物降解的基礎(chǔ)油 另外，生物可降解基礎(chǔ)油還包括聚-α-烯烴油（PAO）、聚醇醚類、聚異構(gòu)烴等。其中PAO具有優(yōu)良的理化特性，例如：

（1）粘度范圍寬，粘溫性好，粘度指數(shù)高（見(jiàn)表3）；

表3 聚-α-烯烴油的粘度等級(jí)

（2）低溫流動(dòng)性好，傾點(diǎn)低，熱氧化安定性好。

（3）與礦物油和其他合成油的相容性好，有良好的添加劑感受性。

工業(yè)生產(chǎn)PAO，目前主要采用石蠟裂解法和乙烯聚合法兩種，其中乙烯聚合法所得產(chǎn)品質(zhì)量較高。

綜上所述，目前對(duì)于液壓油基礎(chǔ)油的選擇及其性能的提高和改善將是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用基因改良技術(shù)可以大大改善植物油的抗氧化安定性以及高溫穩(wěn)定性；現(xiàn)階段主要著重開(kāi)發(fā)高性能的合成酯，并且期待能在制備工藝、降低生產(chǎn)成本等方面能夠取得新的突破。

2 可生物降解添加劑

一般來(lái)說(shuō)，影響液壓油性能、安全環(huán)保等方面最明顯、靈活性最大的應(yīng)該是添加劑。現(xiàn)代的液壓油為了滿足實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的使用要求，就必須在基礎(chǔ)油中添加各種各樣的添加劑。這就要求添加劑本身具有可生物降解性，由于世界各國(guó)對(duì)這項(xiàng)工作的研究起步較晚，現(xiàn)在市面上能真正稱得上可生物降解性的添加劑少之又少。因此，為了滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，還是允許在基礎(chǔ)油中添加不可生物降解的添加劑，對(duì)其添加量有嚴(yán)格要求的前提下，還必須保證所用添加劑是低毒，或者無(wú)毒的。

另外一點(diǎn)值得提出，那就是加入的添加劑對(duì)環(huán)境的不利影響一般都比基礎(chǔ)油要大，同時(shí)也可能影響到基礎(chǔ)油自身的生物降解性。目前適合可生物降解潤(rùn)滑劑的添加劑還很少，而添加劑是影響液壓油性能的核心，因此大力研究適于環(huán)境友好潤(rùn)滑劑的各種添加劑是發(fā)展可生物降解潤(rùn)滑劑的重要前提。德國(guó)“藍(lán)色天使”組織對(duì)可生物降解潤(rùn)滑劑的添加劑作了如下規(guī)定：（1）無(wú)致癌物，無(wú)致基因誘變，畸變物；（2）不含氯和亞硝酸鹽；（3）不含金屬（除最大可含 0.1%鈣外）；（4）最大使用7%的具有潛在可生物降解的添加劑（OECD 302B法規(guī)定，生物降解率大于20%）；（5）可添加2%不可生物降解的添加劑，但必須是低毒，對(duì)可生物降解的添加劑則無(wú)限制（根據(jù)OECD301A-E）；（6）水污染等級(jí)最大為1（德國(guó)化學(xué)法）。由此可見(jiàn)，可生物降解潤(rùn)滑劑對(duì)添加劑要求的重要特征之一便是毒性及對(duì)環(huán)境的影響要盡可能的小。

研究表明，一般含有過(guò)渡金屬元素的添加劑和某些影響微生物活性和營(yíng)養(yǎng)成分的清凈分散劑會(huì)降低潤(rùn)滑劑的生物降解性。而含N和P元素的添加劑因?yàn)槟芴峁┯欣谖⑸锷L(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)成分，可提高潤(rùn)滑劑的生物降解性。

國(guó)外目前正在積極開(kāi)展各種基礎(chǔ)油和添加劑對(duì)環(huán)境影響的調(diào)查，研究基礎(chǔ)油和添加劑的相容性，開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的同時(shí)把生態(tài)設(shè)計(jì)的概念納入其中，綜合考慮產(chǎn)品性能與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，最終目標(biāo)是使產(chǎn)品在滿足使用性能的基礎(chǔ)上具有良好的環(huán)境性能。由于滿足可生物降解的添加劑的研究才剛剛起步，因此可生物降解添加劑的研究具有廣闊的前景。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)境的重視，各種新型液壓技術(shù)不斷涌現(xiàn)，液壓油裝置也正在向高效、高壓、高速方向發(fā)展，這就需要發(fā)展性能更加優(yōu)良、滿足更為苛刻工作條件的與環(huán)境兼容性更好的潤(rùn)滑劑來(lái)替代部分現(xiàn)有礦物潤(rùn)滑油。

（2）應(yīng)加強(qiáng)對(duì)可降解液壓油從基礎(chǔ)油到添加劑的研究和開(kāi)發(fā)，在提高液壓油性能的同時(shí)又可與環(huán)境友好兼容，開(kāi)發(fā)出新型的環(huán)境友好潤(rùn)滑劑，以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展要求。

（3）中國(guó)應(yīng)參考其他國(guó)家的生物可降解液壓油標(biāo)準(zhǔn)，加快制定適合我國(guó)發(fā)展需求的生物可降解液壓油標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

（4）我國(guó)植物油資源豐富，研制利用植物油生產(chǎn)可降解潤(rùn)滑劑的新技術(shù)，不僅可以減少環(huán)境污染，還可以減少原油進(jìn)口。因此，應(yīng)盡快研究植物油改良技術(shù)，對(duì)于我國(guó)具有特殊重要的意義。

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