環(huán)境友好潤滑脂的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

　　劉偉,張?zhí)靹?/p>

　　(天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,天津300222)

　　 

　　摘要:隨著社會的發(fā)展和進步,人類對環(huán)境的關(guān)注日益加強,環(huán)境友好潤滑脂的研制是在這一背景下進行的。文章介紹了環(huán)境友好潤滑脂的定義,以及基礎(chǔ)油、稠化劑和添加劑的使用和研究現(xiàn)狀,同時對環(huán)境友好潤滑脂的研究發(fā)展方向進行了展望。

　　關(guān)鍵詞:環(huán)境友好潤滑脂;基礎(chǔ)油;稠化劑;添加劑

　　中圖分類號:TE626.4   文獻標(biāo)識碼:A

　　 

　　前言

　　潤滑脂是潤滑劑中的一類,它在常溫下多數(shù)為膏狀(常稱為半固體),也有少量呈固體或半流體狀態(tài)。潤滑脂產(chǎn)量在整個潤滑劑產(chǎn)品中所占比例雖然很小(在我國僅占潤滑劑產(chǎn)量的5%左右),但就潤滑脂的品種以及脂潤滑的摩擦部件數(shù)量來說,潤滑脂要比潤滑油多得多。它起著維護各種機械設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)、減少摩擦磨損、延長機械設(shè)備使用壽命等十分重要的作用。因此潤滑脂是有發(fā)展前途的潤滑材料之一[1]。

　　潤滑脂的組成主要是基礎(chǔ)油(占70%~90%)、稠化劑(10%~20%)和添加劑(10%以下)。潤滑脂是在基礎(chǔ)油中添加增稠劑制成固體或半固體的狀態(tài),并添加一些添加劑來改善性能。作為潤滑脂的主要成分,基礎(chǔ)油的種類主要為石油中分離出的礦物油,也有部分潤滑脂使用合成潤滑油或天然植物油作為基礎(chǔ)油,但產(chǎn)量不是很大。礦物基礎(chǔ)油,其最大的缺點是生物降解性差,所含的多環(huán)芳烴等有害物質(zhì)在潤滑脂使用過程中,因滲透、泄漏及溢出等進入環(huán)境引起污染,破壞生態(tài)環(huán)境,危及人體健康[2]。由于潤滑脂不像潤滑油那樣可以通過回收可再利用,或者把潤滑油燃燒而回收能量,從而使?jié)櫥�油的污染問題得到了一定的緩解。因此,自從20世紀(jì)70年代開始,潤滑脂在使用過程中及使用后對環(huán)境產(chǎn)生的影響逐漸引起了人們的關(guān)注[3]。開發(fā)和使用環(huán)境友好潤滑脂(EFG)成為解決這個問題的突破口。

　　1 環(huán)境友好潤滑脂的定義及概況

　　目前,EFG產(chǎn)品尚無確切的概念和統(tǒng)一的名稱。國內(nèi)外的名稱主要有:綠色潤滑脂(GG)、可生物降解潤滑脂(BLG)、環(huán)境可接受潤滑脂(EAG)等。根據(jù)清潔生產(chǎn)和綠色化學(xué)的定義,筆者認(rèn)為應(yīng)該叫做環(huán)境友好潤滑脂(EFG)。綜合對各種潤滑脂定義,環(huán)境友好潤滑脂應(yīng)該是指:潤滑脂必須滿足使用對象的工作狀況要求,即其使用性能;潤滑脂及其耗損產(chǎn)物對生態(tài)環(huán)境不造成危害,或在一定程度上為環(huán)境所容許,即其生態(tài)效應(yīng)。而生態(tài)效應(yīng)應(yīng)該包括:可生物降解性(Biodegradability)、生物積聚性(Bio-accumulation)、毒性和生態(tài)毒性(Toxicity and Eco-toxicity)、耗損產(chǎn)物(Exhausted Emissions)、可再生性資源(Renewable Resource)[4]。

　　近年來,發(fā)達國家對環(huán)保型潤滑脂的需求呈穩(wěn)定增長態(tài)勢。這一方面來自于政府要求使用環(huán)保型潤滑脂的政策不斷出臺,另一方面來自于用戶對環(huán)境友好型潤滑劑的要求。國外正在積極開展EFG產(chǎn)品的研究和開發(fā)工作,而且發(fā)展迅速,已經(jīng)開發(fā)出了一些EFG產(chǎn)品。我國在這方面的研究相對落后,在EFG產(chǎn)品的研究上投入并不是很大,主要工作放在了一些高性能潤滑脂的開發(fā)上。雖然近幾年我國潤滑脂產(chǎn)品的種類和性能有了很大改觀,但對于EFG產(chǎn)品還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)出臺,但這并不表明我國的潤滑脂污染問題不嚴(yán)重。隨著我國改革開放和經(jīng)濟技術(shù)的迅速發(fā)展,各行各業(yè)的機械化程度不斷提高,各種機器每年要使用和消耗大量的潤滑脂,這就會污染土壤和水體,破壞生態(tài)環(huán)境。環(huán)境保護部門明確規(guī)定了地面水中石油類的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。雖然我國在“綠色”潤滑劑方面的研究工作尚不足,但從發(fā)展趨勢來看,現(xiàn)有的石油類潤滑劑必將逐步被境友好型潤滑劑全面取代。所以在我國研究、推廣使用EFG產(chǎn)品是完全有必要的,而且是越快越好,以免走其他行業(yè)先污染后治理的老路。

　　2 環(huán)境友好潤滑脂的組成[5~7]

　　環(huán)境友好潤滑脂在組成上與傳統(tǒng)的潤滑脂相同,只是在使用材料的選擇上有所不同,在考慮潤滑脂的使用性能的同時,還要兼顧其生產(chǎn)、使用及使用后對環(huán)境是否友好的問題。

　　2.1 基礎(chǔ)油

　　基礎(chǔ)油作為潤滑脂的主要成分,主要應(yīng)考慮的是其生物降解性、毒性以及安全性,環(huán)境友好潤滑脂的基礎(chǔ)油按類型大致可分為植物油類和合成油類。植物油類基礎(chǔ)油有大豆油、蓖麻油、葵花籽油、菜籽油等,合成類基礎(chǔ)油主要有合成酯類油、聚α-烯烴等。目前主要使用的環(huán)保型潤滑脂的基礎(chǔ)油中,植物油大多使用菜籽油,合成油較多使用酯類油。

　　植物油作為基礎(chǔ)油,其優(yōu)點有:無毒,具有極好的生物降解性、可再生性、良好的潤滑性能及高的粘度指數(shù)、低揮發(fā)性,處理過程需要的能量少,向環(huán)境擴散少。但同礦物油相比較,有以下的缺點:價格較高,氧化穩(wěn)定性差,植物油的熱安定性低,由此引起潤滑脂的稠度變化大,低溫下容易結(jié)晶,所以使用的溫度范圍窄。

　　合成酯類油與礦物油相比較,具有良好的耐熱氧化性能和優(yōu)良的低溫性能,高粘度指數(shù)和低蒸發(fā)損失,同時還具有良好的生物降解性。作為生物降解潤滑脂的基礎(chǔ)油,由于植物油存在一定的局限性,所以對合成酯類油的研究就顯得尤為重要。制備潤滑脂時,根據(jù)產(chǎn)品大的要求可選擇一種或兩種酯類油作為基礎(chǔ)油,常用做潤滑脂基礎(chǔ)油的酯類油有二元酸雙酯、多元醇酯和復(fù)酯等。合成酯類油的生物降解性與其化學(xué)結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系,不同類的合成酯類油在特性上存在一定的差異。另一方面,合成酯類油的價格相對較高,這也是限制其大量被使用的一個主要原因。

　　聚α-烯烴油同礦物油相比較具有高閃點、低傾點、高粘度指數(shù)、低揮發(fā)性,而且同時具有優(yōu)異的熱安定性和水解安定性。聚α-烯烴油對哺乳類動物無毒無刺激性。但是普遍錯誤地認(rèn)為聚α-烯烴油的生物降解性不好,事實上,生物降解性是根據(jù)其粘度和分子量的不同而異的。一般粘度較低、分子量較小的聚α-烯烴油的生物降解性要好于粘度高、分子量大的聚α-烯烴油。所以在使用聚α-烯烴油作為EFG產(chǎn)品的基礎(chǔ)油時要權(quán)衡其毒性和生物降解性。

　　2.2 稠化劑

　　稠化劑是潤滑脂中不可缺少的固體組分。它同基礎(chǔ)油一樣決定著潤滑脂的性能。潤滑脂的稠化劑主要有皂基稠化劑、烴基稠化劑、無機稠化劑和有機稠化劑等[8]。作為EFG產(chǎn)品的稠化劑主要考慮的也是生物降解性、毒性以及安全性。雖然粘土和二氧化硅這些無機稠化劑在環(huán)境中不發(fā)生生物降解,但它們對環(huán)境也不會造成危害,所以可以使用。目前,EFG產(chǎn)品的稠化劑大多使用鈣皂和鋰皂等皂基稠化劑。其中在以植物油為基礎(chǔ)油的生物降解潤滑脂中,菜籽油與鈣皂的組合較多,主要是因為使用鈣皂時制備工序中的加熱溫度較低,可防止植物油類基礎(chǔ)油氧化變質(zhì)。鋰皂用做稠化劑時,制備工序中溫度較高,從潤滑脂的綜合性能考慮,以合成酯類油為基礎(chǔ)油的鋰基脂和復(fù)合鋰基脂是今后的發(fā)展主流[6]。

　　最近,在EFG產(chǎn)品的研制開發(fā)過程中,發(fā)現(xiàn)了一種新型的稠化劑----復(fù)合鈦基稠化劑[9]。它除了具有優(yōu)異的生物降解性以外,最大的特點是即使未加入添加劑的復(fù)合鈦基潤滑脂,也表現(xiàn)出極佳的物理化學(xué)性能。鈦皂與各種植物油構(gòu)成的潤滑脂,生物降解性均超過90%。此外從毒性和安全性的角度研究表明,復(fù)合鈦基脂對生產(chǎn)者和使用者是安全的[10]。

　　2.3 添加劑

　　潤滑脂組分中除了基礎(chǔ)油和稠化劑之外,還經(jīng)常加入第三種組分,以改善潤滑脂的性能,這類物質(zhì)統(tǒng)稱為添加劑。根據(jù)所使用的環(huán)境、條件需要有極壓性、氧化安定性、防銹性等,而對于這些性能,添加劑起著非常重要的作用。以礦物油為基礎(chǔ)油的潤滑脂通常使用的抗氧化劑和極壓添加劑均能改善EFG產(chǎn)品的氧化安定性和極壓性。但是,這些添加劑對其生物降解性有一定的影響。到目前為止,很少有專門用于EFG產(chǎn)品的添加劑產(chǎn)品。EFG產(chǎn)品的添加劑要求具有低毒、低污染、可生物降解性;而傳統(tǒng)的添加劑分子主要從滿足潤滑油的使用性能角度出發(fā),很少考慮到環(huán)保和健康等因素。添加劑的加入對基礎(chǔ)油本身的生物降解性能會有所影響,尤其會對基礎(chǔ)油生物降解過程中的微生物或酶有危害作用,從而影響基礎(chǔ)油的生物降解率。研究表明,一般含有過渡金屬元素的添加劑和某些影響微生物活動和營養(yǎng)成分的清凈分散劑會降低潤滑脂的可生物降解性,而含N和P元素的添加劑因為能提供有利于微生物成長的養(yǎng)分可提高潤滑脂的可生物降解性。經(jīng)過長期實驗和篩選,主要有以下幾種添加劑較適合在EFG產(chǎn)品中使用:抗氧化劑:胺、酚類;抗腐蝕劑:胺、脂肪酸衍生物;EP/抗磨劑:S -P化合物,二硫代氨基甲酸酯(無灰)。

　　為同時滿足潤滑脂的生物降解性和EP性能,EP/抗磨添加劑最好選擇產(chǎn)自自然界的天然物質(zhì),

　　這些物質(zhì)經(jīng)過硫化處理后可達到上述要求。例如研究發(fā)現(xiàn),硫化脂肪能夠很好滿足以上要求。

　　潤滑脂添加劑能夠有效地改善其使用性能,有些使用場合必須添加某種有特殊作用的添加劑,但是往往這些添加劑會影響潤滑脂的生物降解性,還有較大的毒性和污染性,對環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。人們往往只考慮其對生物降解性的影響,忽略了其毒性。所以研制適用于環(huán)境友好潤滑脂的添加劑要全面研究其使用后的影響,真正實現(xiàn)EFG產(chǎn)品的目標(biāo),而這一工作在世界范圍內(nèi)還剛剛起步。

　　3 評價標(biāo)準(zhǔn)簡介[12]

　　目前EFG產(chǎn)品尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)有的一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是一些國家、組織或公司自己制定的。如德國的“藍色天使”(The Blue Angel);瑞典的“SP列表”(The SP -list);北歐的“天鵝”(Nordic Swan)。北歐的“天鵝”所給指標(biāo)較苛刻,因其毒性限制且未與市場共同發(fā)展,所以至今尚無產(chǎn)品。奧地利要求此類產(chǎn)品降解率不小于80%;Mobil、Shell等公司則要求不小于67%;當(dāng)前最有影響力的是德國的“藍色天使”;瑞典的“SS 54 34+SP列表”,其中后者較易達到。

　　藍色天使:

　　建立于1977年,共有91個品種,4200個產(chǎn)品,來自于800個潤滑油制造商。

　　(1)基礎(chǔ)油:其組分生物降解性不小于70%。

　　(2)添加劑:無致癌物、無基因誘變、畸變物;不含氯和亞硝酸鹽;不含金屬(不包括鈣);最大允許使用7%的具有潛在可生物降解性的添加劑(OECD302B法測定,生物降解率大于20%);可添加2%不可生物降解的添加劑,但必須是低毒性的,可生物降解添加劑則無限制(根據(jù)OECD 301A-E)。

　　SP列表:

　　(1)基礎(chǔ)油具有高于60%的生物降解率(OECD 301B或F)。

　　(2)添加劑需具備對水生系統(tǒng)的低毒性,不一定具有生物降解性。

　　(3)產(chǎn)品不危害人體健康。

　　另外,歐盟也制定了環(huán)保型潤滑脂的可降解性和毒性標(biāo)準(zhǔn),見表1。

　　表1 歐盟有關(guān)潤滑脂可降解性和毒性的測試標(biāo)準(zhǔn)[13]

項   目	可降解性	毒性
28d后降解能力,%
EPA 560 /6 -82 -003方法	60
OECD 301方法	60
96h后LC50濃度值/μg ▪ g-1
EPA 560 /6 -82 -002方法		<5000
OECD 203:1 -12方法		<5000

　　  以上提到的這些都是現(xiàn)有的比較有影響力的標(biāo)準(zhǔn),但這些標(biāo)準(zhǔn)并不是很完善。有些標(biāo)準(zhǔn)要求過于苛刻,使產(chǎn)品很難達到要求,限制了潤滑脂產(chǎn)品的發(fā)展;有些標(biāo)準(zhǔn)則要求過低,很容易達到,不能起到控制污染的效果;還有的標(biāo)準(zhǔn)由于制定的年限較長,沒有經(jīng)過修改,其標(biāo)準(zhǔn)中的某些條款已經(jīng)過時或者是多余的。

　　4 結(jié)束語

　　對環(huán)境問題的關(guān)切使環(huán)境友好潤滑脂的研制正以勢不可擋之勢進行著,然而目前的研制工作還存在著不少問題。如人們只是片面關(guān)心潤滑脂的生物降解性,而忽略了其在生產(chǎn)、使用和使用后的毒性、污染性及其對環(huán)境和人類的危害;還有就是基礎(chǔ)油、稠化劑以及添加劑的配伍性問題,往往影響其性能,使得EFG產(chǎn)品在性能方面不能滿足要求,這也是今后研究時要注意的地方;另外,EFG產(chǎn)品使用的基礎(chǔ)油和新型添加劑,產(chǎn)品價格較高,使得潤滑脂產(chǎn)品的成本較高,也限制了EFG產(chǎn)品的大范圍推廣和使用,所以需要科研單位和生產(chǎn)商以及用戶通力合作,生產(chǎn)出性價比較高的EFG產(chǎn)品。最后,EFG產(chǎn)品目前還沒有一個統(tǒng)一的、完善的、客觀的評價標(biāo)準(zhǔn),使得各種相關(guān)產(chǎn)品研究沒有一個全球公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn),可能會使研究者走不少彎路�？傊�,EFG產(chǎn)品是將來潤滑脂產(chǎn)品發(fā)展的主要方向,對EFG產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)該朝著高性價比、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。我國對此研究才剛剛起步,水平相對落后,為適應(yīng)環(huán)保所需,我國有關(guān)部門應(yīng)加大此方面的研究力度和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

　　 

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　　本文摘自《潤滑油》2005年4月第20卷第2期，由深圳優(yōu)寶惠www.chinaeubo.com整理提供，EUBO提供全球領(lǐng)先潤滑解決方案！