可生物降解鐵路防銹脂的理論研究

劉 嬌（沈陽(yáng)鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

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可生物降解鐵路防銹脂的理論研究

劉 嬌
（沈陽(yáng)鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

摘 要：以鐵路防銹脂的組成對(duì)生物降解性的影響進(jìn)行研究，確定選用了生物降解性可達(dá)到70%以上的天然植物油為基礎(chǔ)油、較常使用的單鋰皂等為稠化劑、適量的添加劑為原料，再著重對(duì)天然植物油的可降解性進(jìn)行機(jī)理分析，并且采取添加抗氧劑的方法來(lái)改善天然植物油氧化安定性差的性能，最后采用植物油、單鋰皂和添加劑為原料制成可生物降解的鐵路防銹脂，其理化性能與傳統(tǒng)的鐵路防銹脂相當(dāng)。

關(guān)鍵詞：天然植物油；可生物降解；鐵路防銹脂；機(jī)理分析；理化性能

目前我國(guó)傳統(tǒng)的鐵路防銹脂采用的原料為礦物基礎(chǔ)油、稠化劑和添加劑。礦物油本身是鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴以及少量的非烴化合物組成的復(fù)雜混合物。組成成分中的短鏈烷烴對(duì)許多微生物有毒，在自然環(huán)境中長(zhǎng)鏈烷烴不易降解；環(huán)烷烴、芳香烴難降解，而多環(huán)芳烴不降解。所以從總體來(lái)看，礦物油只有部分組分可以降解，降解率低。而隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人類對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)日益提高，由于傳統(tǒng)的鐵路防銹脂不易被降解，因此研制可降解的鐵路防銹脂已引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。本文作者主要從鐵路防銹脂的原料著手對(duì)生物降解性的影響進(jìn)行研究，確定選用天然植物油作為鐵路防銹脂的基礎(chǔ)油，再對(duì)天然植物油的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后采用植物油、單鋰皂和添加劑為原料制成可生物降解的鐵路防銹脂與傳統(tǒng)的鐵路防銹脂相比較，理化性能相當(dāng)。

1　鐵路防銹脂的組成對(duì)生物降解性的影響

傳統(tǒng)的鐵路防銹脂主要用于鐵路軌道螺栓的防腐，其主要原料為基礎(chǔ)油、稠化劑和添加劑，而鐵路防銹脂的組成成分不僅對(duì)路枕螺栓的防護(hù)、潤(rùn)滑性能起決定性作用，對(duì)可生物降解性能也有很大的影響。

1.1基礎(chǔ)油

由于鐵路防銹脂75%以上為基礎(chǔ)油，對(duì)鐵路防銹脂的性能、環(huán)境及可生物降解性影響很大，因此研究基礎(chǔ)油對(duì)環(huán)境的影響顯得尤為重要。根據(jù)Stempfel的報(bào)告可知，以合成酯類油、植物油為基礎(chǔ)油，其可生物降解性高。其中，合成酯類油的原料以脂肪酸的種類、側(cè)鏈數(shù)量等不同其生物降解性也有下降的，而天然植物油的生物降解性普遍較高。國(guó)外也在基礎(chǔ)油方面進(jìn)行了大量的研究工作，并用CEL-L-33-T法測(cè)得了一些常用基礎(chǔ)油的生物降解性見(jiàn)表1。

表1　常用基礎(chǔ)油性能比較

從表1中數(shù)據(jù)可知，植物油的生物降解性最好，可達(dá)70%以上，礦物油的生物降解性最差，為10%～40%，合成酯的生物降解性也很好，例如多元醇酯和雙酯等。而且植物油與合成酯均具有良好的黏溫特性。合成酯的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的熱穩(wěn)定性、低溫流動(dòng)性及可生物降解性，缺點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較高。與合成酯相比，植物油的成本較低、來(lái)源豐富，是可再生資源。它的主要成分是脂肪酸三甘油酯，其中不飽和脂肪酸含量越高，其低溫流動(dòng)性越好，缺點(diǎn)是氧化穩(wěn)定性差，但是可通過(guò)適量添加抗氧化劑來(lái)調(diào)解其氧化安定性。

圖1　

圖2　

1.2稠化劑

制備傳統(tǒng)的鐵路防銹脂時(shí)，稠化劑的使用約為20%左右，常用的稠化劑多為膨潤(rùn)土、硅膠、鋰皂等，由于膨潤(rùn)土、硅膠等不能生物降解，因此不宜使用。通常選用脂肪酸單皂和復(fù)合皂，它們大都無(wú)毒，并能生物降解，例如鋰皂、鈣皂、鈉皂，復(fù)合鋰皂等。

1.3添加劑

添加劑在傳統(tǒng)的鐵路防銹脂中所占的比重較小，專門適用于生物降解鐵路防銹脂的添加劑也很少，只能選用現(xiàn)有的生態(tài)毒性小、有生物降解性的通用添加劑，例如石油磺酸鋇、酚類等。

2　天然植物油的性能評(píng)價(jià)

2.1天然植物油的可生物降解性能機(jī)理分析

天然植物油具有良好的生物降解性，其原因在于天然植物中的甘油酯基易水解，酯基鏈的不飽和鍵易受氧化物攻擊而發(fā)生氧化，使其具有較強(qiáng)的生物降解能力。天然植物油中的不飽和酸含量越高，其生物降解能力越強(qiáng)。例如，蓖麻油中含有大量的（85%以上）的蓖麻油酸，菜籽油中含有大量的芥酸和油酸，所以生物降解率特別高。

天然植物油的生物降解過(guò)程由以下幾個(gè)步驟來(lái)完成：

甘油酯的水解：

如上所示，植物油甘油酯起始反應(yīng)在甘油三酯分解酶的作用下進(jìn)行，是控制速度反應(yīng)。第二步和第三步是在甘油二酯、甘油一酯酶的作用下快速進(jìn)行的，這種酶催化作用的產(chǎn)物是脂肪酸和甘油。

（2）脂肪酸的β-氧化分解

脂肪酸首先經(jīng)過(guò)活化變?yōu)橹觉oA，然后再通過(guò)“β-氧化”斷裂為許多乙酰CoA小分子。

（3）乙酰分子CoA進(jìn)入TCA（三羧酸）循環(huán)，最終分解為CO2、H2O，分解并釋放出能量。

（4）甘油的代謝

因此，由以上過(guò)程的理論分析可得出天然植物油生物降解率可達(dá)到100%。

2.2天然植物油的氧化安定性能

天然植物油生物降解性能好，說(shuō)明其分子結(jié)構(gòu)中的雙鍵較多，不飽和度較高，碘值高。由于天然植物油含有大量的不飽和脂肪酸（例如油酸，亞麻酸，亞油酸等），因而其分子結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，容易氧化，而且隨著雙鍵的增加氧化反應(yīng)速度增大，故氧化安定性對(duì)以植物油為基礎(chǔ)油所制備的可生物降解鐵路防銹脂顯得尤為重要。以天然植物油作為鐵路防銹脂的基礎(chǔ)油，制備出的鐵路防銹脂的氧化安定性能與礦物油制備的防銹脂相差很多。所以如果選用天然植物油做為鐵路防銹脂的基礎(chǔ)油，必須要添加適量的抗氧化劑來(lái)提高鐵路防銹脂的理化性能。

3　可生物降解鐵路防銹脂的理化性能

經(jīng)過(guò)上述討論，選用天然植物油為基礎(chǔ)油，單鋰皂為稠化劑，及適量的抗氧化劑、防銹劑等添加劑為原料制備出可生物降解鐵路防銹脂，并且與以傳統(tǒng)方法制備的鐵路防銹脂的性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　樣品性能評(píng)價(jià)

結(jié)果表明，按此種方法制備出的可生物降解鐵路防銹脂，不僅具有優(yōu)良的生物降解性能而且綜合理化性能與傳統(tǒng)的鐵路防銹脂水平相當(dāng)。

結(jié)論

本文作者選取了可生物降解的鐵路防銹脂的原料，并對(duì)作為基礎(chǔ)油的天然植物油的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析，得出了以下結(jié)論：

（1）通過(guò)機(jī)理分析，天然植物油生物降解率高，黏溫特性、低溫流動(dòng)性較好，是一種適合制備可生物降解鐵路防銹脂的基礎(chǔ)油。

（2）以天然植物油為基礎(chǔ)油制備的可生物降解鐵路防銹脂，氧化安定性能較差，須添加適宜的抗氧化劑。

（3）以天然植物油、單鋰皂及抗氧化劑、防銹劑等添加劑為原料制備出的可生物降解鐵路防銹脂，其理化性能與傳統(tǒng)的鐵路防銹脂的水平相當(dāng)。

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