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(xué)院應(yīng)管系,重慶 400016）

新一代環(huán)境友好型潤滑脂
——復(fù)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(xué)院應(yīng)管系,重慶 400016）

復(fù)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(nèi)外的高度關(guān)注。文章著重介紹了制備可生物降解復(fù)合鈦基潤滑脂的基礎(chǔ)油、添加劑,并對制備的潤滑脂性能進(jìn)行了分析,對其應(yīng)用情況進(jìn)行了簡要介紹,對未來開發(fā)可生物降解復(fù)合鈦基潤滑脂進(jìn)行了展望。

復(fù)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(jì)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(zhì),開發(fā)了具有生物降解性的摩托艇用二沖程發(fā)動機(jī)油、伐木用鏈鋸油等。進(jìn)人90年代后,其領(lǐng)域擴(kuò)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(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)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(qiáng),生態(tài)親和產(chǎn)品的研究和開發(fā)得到了廣泛關(guān)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(chǎn)品,但由于植物油的化學(xué)穩(wěn)定性不強(qiáng)及成本較高等問題,并未得到廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代,印度學(xué)者成功研制出新型生物降解稠化劑——復(fù)合鈦皂[2],從復(fù)合鈦基潤滑脂的基礎(chǔ)油、生態(tài)毒性、外場試驗、生物降解性能[3-4]等多方面進(jìn)行了研究,并已在工業(yè)中得到應(yīng)用[5]。對于復(fù)合鈦基潤滑脂而言,即使采用礦物油為基礎(chǔ)油,也能通過對老鼠進(jìn)行的毒性試驗和皮膚刺激試驗,表明它對生產(chǎn)者和使用者都是安全的。以植物油為基礎(chǔ)油的復(fù)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(jīng)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家得到廣泛的應(yīng)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(nèi)有關(guān)復(fù)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(jìn)行了探索。早在1996年,張東等[13]介紹了國外復(fù)合鈦基潤滑脂的研究情況。近幾年,陳惠卿[14]、李素[15]等詳細(xì)報道了這種新型潤滑脂在國外的研究和工業(yè)應(yīng)用情況,但是,采用復(fù)合鈦基潤滑脂的研究和生產(chǎn)的報道還不多。

據(jù)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(yù)為“中國鈦城”。茂名市年產(chǎn)鈦礦4萬t,集選礦、粉末加工于一體。結(jié)合中國富產(chǎn)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(wù)。

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

1 基礎(chǔ)油

可生物降解復(fù)合鈦基潤滑脂是由復(fù)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(chǔ)油占20%～90%,可生物降解復(fù)合鈦基潤滑脂的降解性主要由基礎(chǔ)油的降解性決定?？晒┻x擇的基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(shù)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(jīng)成為可生物降解潤滑脂基礎(chǔ)油的首選。

植物油氧化安定性差,可以通過精制處理和化學(xué)改質(zhì)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(shù)、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(rèn)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(cè)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(chǔ)油。

1.3 合成酯

合成酯的生物降解性取決于結(jié)構(gòu),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(shù)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(chǔ)油已經(jīng)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(shù)可以與水互溶,在土壤中的流動性相當(dāng)高,可迅速達(dá)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(chǔ)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(jī)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(yán)重危害。因此綠色水基潤滑脂將越來越受到人們的關(guān)注。

2 添加劑

現(xiàn)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(chǔ)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(fù)合鈦基脂對添加劑感受性的試驗中發(fā)現(xiàn):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(fù)合鈦基脂的極壓性能,這些添加成分與ZDTP并用時可進(jìn)一步提高復(fù)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(chǔ)油中的極壓抗磨效果優(yōu)于在礦物基礎(chǔ)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(fù)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(chǔ)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(chǎn)生的影響。磺酸鈣的生物降解率超過60%。

3 可生物降解復(fù)合鈦基潤滑脂性能

3.1 可生物降解復(fù)合物鈦基潤滑脂基礎(chǔ)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(chǔ)油,已經(jīng)成功制備出復(fù)合鈦基潤滑脂,該潤滑脂具有很好的可生物降解性能。其數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同種類基礎(chǔ)油的復(fù)合鈦基潤滑脂的生物降解性能

使用可生物降解基礎(chǔ)油制備的復(fù)合鈦基潤滑脂的性能見表2。

表2 使用生物降解基礎(chǔ)油制備的復(fù)合鈦基潤滑脂性能

據(jù)報道,由葵花籽油制備的復(fù)合鈦基潤滑脂外觀相對比較光滑;而用蓖麻油為基礎(chǔ)油制備的復(fù)合鈦基潤滑脂具有較多的聚合結(jié)構(gòu)。由此可以看出不同的基礎(chǔ)油制備的復(fù)合鈦基潤滑脂的性能也有一定的差異。這可能是由于復(fù)合鈦皂與基礎(chǔ)油反應(yīng)方式不同,使制備的復(fù)合鈦基潤滑脂具有不同的皂纖維結(jié)構(gòu)所致。使用植物油或植物油與聚α-烯烴的混合油作為基礎(chǔ)油已成功地配制出生物降解復(fù)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(fù)合鈦基潤滑脂的滴點均比礦物油復(fù)合鈦基潤滑脂高。這可能是由于植物油不飽和鍵形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)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(fù)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(chǔ)油。表3為以合成酯類油為基礎(chǔ)油的復(fù)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(fù)合鈦基脂相當(dāng)。無添加劑的復(fù)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(fù)合鈦基潤滑脂性能

3.2 極壓抗磨添加劑對植物油復(fù)合鈦基潤滑脂性能的影響

在菜籽油制備的復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合鈦基潤滑脂基礎(chǔ)脂的燒結(jié)負(fù)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(yīng)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(jié)果。

4 可生物降解復(fù)合鈦基潤滑脂的應(yīng)用

可生物降解復(fù)合鈦基潤滑脂由于具有優(yōu)異的生物降解性,目前已應(yīng)用于礦山機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑機(jī)械、鐵道等要求生物降解性的領(lǐng)域。除此之外,在其他領(lǐng)域也取得了較好的效果,例如在鋼鐵廠、化工廠、電廠、機(jī)車車輛的應(yīng)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(fù)合鈦基脂的使用性能比其他脂好幾倍。用于鋼廠滾筒的復(fù)合鈦基脂與高性能合成潤滑脂的使用性能相當(dāng)。在化肥廠大型鼓風(fēng)機(jī)的應(yīng)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(fù)合鈦基脂可超過2000 h。復(fù)合鈦基脂在吊扇軸承中的應(yīng)用,潤滑壽命是通用鋰基脂的兩倍。

5 結(jié)束語

我國在可生物降解復(fù)合鈦基潤滑脂研究方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,通過認(rèn)證的可生物降解復(fù)合鈦基潤滑脂正在不斷增加,加速了此類產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。但對可生物降解復(fù)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(yīng)該開展這些方面的工作。

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

（2）考察各種基礎(chǔ)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(fù)合鈦基潤滑脂與可生物降解基礎(chǔ)油、添加劑的配伍性研究,提高此類產(chǎn)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(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)從事潤滑油、潤滑脂的研究工作,已公開發(fā)表論文多篇。