環境友好潤滑脂的研究現狀與發展前景

　　劉偉,張天勝

　　(天津科技大學材料科學與化學工程學院,天津300222)

　　 

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

　　關鍵詞:環境友好潤滑脂;基礎油;稠化劑;添加劑

　　中圖分類號:TE626.4   文獻標識碼:A

　　 

　　前言

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

　　潤滑脂的組成主要是基礎油(占70%~90%)、稠化劑(10%~20%)和添加劑(10%以下)。潤滑脂是在基礎油中添加增稠劑制成固體或半固體的狀態,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油,但產量不是很大。礦物基礎油,其最大的缺點是生物降解性差,所含的多環芳烴等有害物質在潤滑脂使用過程中,因滲透、泄漏及溢出等進入環境引起污染,破壞生態環境,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,從而使潤滑油的污染問題得到了一定的緩解。因此,自從20世紀70年代開始,潤滑脂在使用過程中及使用后對環境產生的影響逐漸引起了人們的關注[3]。開發和使用環境友好潤滑脂(EFG)成為解決這個問題的突破口。

　　1 環境友好潤滑脂的定義及概況

　　目前,EFG產品尚無確切的概念和統一的名稱。國內外的名稱主要有:綠色潤滑脂(GG)、可生物降解潤滑脂(BLG)、環境可接受潤滑脂(EAG)等。根據清潔生產和綠色化學的定義,筆者認為應該叫做環境友好潤滑脂(EFG)。綜合對各種潤滑脂定義,環境友好潤滑脂應該是指:潤滑脂必須滿足使用對象的工作狀況要求,即其使用性能;潤滑脂及其耗損產物對生態環境不造成危害,或在一定程度上為環境所容許,即其生態效應。而生態效應應該包括:可生物降解性(Biodegradability)、生物積聚性(Bio-accumulation)、毒性和生態毒性(Toxicity and Eco-toxicity)、耗損產物(Exhausted Emissions)、可再生性資源(Renewable Resource)[4]。

　　近年來,發達國家對環保型潤滑脂的需求呈穩定增長態勢。這一方面來自于政府要求使用環保型潤滑脂的政策不斷出臺,另一方面來自于用戶對環境友好型潤滑劑的要求。國外正在積極開展EFG產品的研究和開發工作,而且發展迅速,已經開發出了一些EFG產品。我國在這方面的研究相對落后,在EFG產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上。雖然近幾年我國潤滑脂產品的種類和性能有了很大改觀,但對于EFG產品還沒有相關的標準和法規出臺,但這并不表明我國的潤滑脂污染問題不嚴重。隨著我國改革開放和經濟技術的迅速發展,各行各業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,破壞生態環境。環境保護部門明確規定了地面水中石油類的質量標準。雖然我國在“綠色”潤滑劑方面的研究工作尚不足,但從發展趨勢來看,現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產品是完全有必要的,而且是越快越好,以免走其他行業先污染后治理的老路。

　　2 環境友好潤滑脂的組成[5~7]

　　環境友好潤滑脂在組成上與傳統的潤滑脂相同,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、使用及使用后對環境是否友好的問題。

　　2.1 基礎油

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

　　植物油作為基礎油,其優點有: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、低揮發性,處理過程需要的能量少,向環境擴散少。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良的低溫性能,高粘度指數和低蒸發損失,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,根據產品大的要求可選擇一種或兩種酯類油作為基礎油,常用做潤滑脂基礎油的酯類油有二元酸雙酯、多元醇酯和復酯等。合成酯類油的生物降解性與其化學結構有很大關系,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、低揮發性,而且同時具有優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產品的基礎油時要權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境中不發生生物降解,但它們對環境也不會造成危害,所以可以使用。目前,EFG產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油氧化變質。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油的鋰基脂和復合鋰基脂是今后的發展主流[6]。

　　最近,在EFG產品的研制開發過程中,發現了一種新型的稠化劑----復合鈦基稠化劑[9]。它除了具有優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合鈦基潤滑脂,也表現出極佳的物理化學性能。鈦皂與各種植物油構成的潤滑脂,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,復合鈦基脂對生產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油和稠化劑之外,還經常加入第三種組分,以改善潤滑脂的性能,這類物質統稱為添加劑。根據所使用的環境、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產品的添加劑產品。EFG產品的添加劑要求具有低毒、低污染、可生物降解性;而傳統的添加劑分子主要從滿足潤滑油的使用性能角度出發,很少考慮到環保和健康等因素。添加劑的加入對基礎油本身的生物降解性能會有所影響,尤其會對基礎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分可提高潤滑脂的可生物降解性。經過長期實驗和篩選,主要有以下幾種添加劑較適合在EFG產品中使用: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自自然界的天然物質,

　　這些物質經過硫化處理后可達到上述要求。例如研究發現,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,對環境造成嚴重的危害。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EFG產品的目標,而這一工作在世界范圍內還剛剛起步。

　　3 評價標準簡介[12]

　　目前EFG產品尚無統一標準,現有的一些相關標準是一些國家、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”所給指標較苛刻,因其毒性限制且未與市場共同發展,所以至今尚無產品。奧地利要求此類產品降解率不小于80%;Mobil、Shell等公司則要求不小于67%;當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個產品,來自于800個潤滑油制造商。

　　(1)基礎油: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OECD 301A-E)。

　　SP列表:

　　(1)基礎油具有高于60%的生物降解率(OECD 301B或F)。

　　(2)添加劑需具備對水生系統的低毒性,不一定具有生物降解性。

　　(3)產品不危害人體健康。

　　另外,歐盟也制定了環保型潤滑脂的可降解性和毒性標準,見表1。

　　表1 歐盟有關潤滑脂可降解性和毒性的測試標準[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有的比較有影響力的標準,但這些標準并不是很完善。有些標準要求過于苛刻,使產品很難達到要求,限制了潤滑脂產品的發展;有些標準則要求過低,很容易達到,不能起到控制污染的效果;還有的標準由于制定的年限較長,沒有經過修改,其標準中的某些條款已經過時或者是多余的。

　　4 結束語

　　對環境問題的關切使環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。如人們只是片面關心潤滑脂的生物降解性,而忽略了其在生產、使用和使用后的毒性、污染性及其對環境和人類的危害;還有就是基礎油、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產品使用的基礎油和新型添加劑,產品價格較高,使得潤滑脂產品的成本較高,也限制了EFG產品的大范圍推廣和使用,所以需要科研單位和生產商以及用戶通力合作,生產出性價比較高的EFG產品。最后,EFG產品目前還沒有一個統一的、完善的、客觀的評價標準,使得各種相關產品研究沒有一個全球公認的標準,可能會使研究者走不少彎路�？傊�,EFG產品是將來潤滑脂產品發展的主要方向,對EFG產品的開發應該朝著高性價比、標準化的方向發展。我國對此研究才剛剛起步,水平相對落后,為適應環保所需,我國有關部門應加大此方面的研究力度和相關標準的制定。

　　 

　　參考文獻:

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　　[12]孟書鳳.環保型潤滑劑的發展及應用[J].潤滑油,2003,18(1):11 -16.

　　[13]陳惠卿.環保型潤滑脂的生產和應用[J].石油商技,2002,20(2):15 -18.

　　 

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