水溶性润滑添加剂的研究现状及发展趋势
水溶性润滑添加剂的研究现状及发展趋势
刘鲤粽1，2
(1.煤炭科学研究总院检测研究分院矿用油品研究所，北京100013;2.煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京100013)
摘要:分析了国内外水溶性润滑添加剂的研究现状及特点，并对羧酸及其盐类水溶性润滑添加剂、水溶性有机金属型润滑添加剂、含硫磷等活性元素的水溶性润滑添加剂、含硼水溶性润滑添加剂和纳米水溶性润滑添加剂的国内外研究应用情况进行了详细介绍，同时结合目前水溶性润滑添加剂研究存在的配伍复杂性及停留在试验合成和理论探索阶段的局限，对其向集润滑、防锈和可生物降解等特性于一身的多功能发展趋势作了分析和预测。
关键词:水基液;水溶性;油溶性;润滑添加剂
中图分类号:TE626.3文献标志码:A文章编号:0253－2336(2011)02－0122－03
随着能源的短缺和保护环境意识的增强，水基液因具有优良的经济性、冷却性、安全性、成本廉价性，无污染和易清洗的特性，而得到了迅速的发展，并被逐渐应用于切削、磨削、压延、冲压、拉拔、攻丝等金属加工领域和煤矿井下难燃液压领域［1－2］，以取代油基液。水基润滑添加剂是水基液的重要组成部分，伴随机械加工业和水基液的迅速发展，水基润滑添加剂的应用范围也在不断扩大。水基润滑添加剂主要分为油溶性和水溶性2种。目前水基液所采用的润滑添加剂主要是油溶性的，多采用复配的方式。但复配出的水基液成分复杂，稳定性差，易析出，且矿物油基润滑添加剂的生物降解性差，不仅污染环境，也加剧了能源的消耗。这些局限从很大程度上限制了油溶性润滑添加剂的发展［3］。水溶性润滑添加剂由于易生物降解，且具有优异的稳定性、冷却性、安全性，成为近年来润滑剂研究的热点之一。基于低碳环保和节约能源的目的，世界各国都加大了发展水基润滑剂的力度，尤其在水基液压液和金属切削液研究方面成效显著。笔者在参阅大量文献的基础上，对国内外水溶性润滑添加剂的研究应用概况进行了阐述，并对水溶性润滑添加剂的发展趋势进行了展望。
1·水溶性润滑添加剂的分类和应用
1.1羧酸及其盐类水溶性润滑添加剂
水溶性的脂肪酸及其盐(酯)作为润滑添加剂具有突出的特点。首先，这类化合物的合成工艺成熟，这就为工业化生产提供了条件。其次，不同链长的脂肪酸(盐、酯)具有不同的润滑选择性，一些脂肪酸(盐、酯)还具有一定的防锈、清洗作用。因此脂肪酸及其盐(酯)是目前有较多工业实践应用的水溶性润滑添加剂［4］。长链脂肪酸因其独特的润滑和防锈性能一直作为油溶性润滑添加剂的首选材料，随着水溶性润滑添加剂的研究，近年来一些学者对水溶性的脂肪酸及其盐(酯)作为润滑添加剂的润滑性能作了大量的研究，并取得了不少成果，目前已有较多工业实践应用的水溶性添加剂品种。国内对于脂肪酸及其盐(酯)的研究多集中在对传统水溶性脂肪酸(盐、酯)摩擦性能的改性上。如梅焕谋等合成了润滑性能优于油酸，起泡性能低于油酸的2－甲基二十酸［5］;周忠诚等［6］研究了多种丙二酸衍生物，发现它们具有优良的极压抗磨性能，如质量分数1%的BT—S—CH(CH2COOH)COOH溶液PB值(最大无卡咬负荷，代表油膜强度)为755 N，其具有较好的防锈性能;国外文献对于N－酰基氨基酸作为润滑添加剂的报道较多，如金刚烷羧酸链烷醇胺酯是集润滑、杀菌、抗泡、防锈为一体的多功能水溶性润滑添加剂［4］。国外有学者用三羟基甲烷与不同的脂肪酸合成了一些酯类添加剂，使其具有润滑、防锈、防腐和抗泡等多种性能［7］。
1.2水溶性有机金属型润滑添加剂
早在20世纪60年代，Ranny等就合成了二正十八烷双环氧乙烯基硫磷酸锌，将其应用于润滑油和水基润滑液中，均取得了较好的效果［8］。梅焕谋等［9］采用聚乙氧亚乙基和油酸二乙醇胺进行改性，得到了新型的有机钼系水溶性润滑添加剂，其润滑性和极压抗磨性优良。官文超等［10］采用含(CH2CH2)n，—COOH，—OH等亲水基团的醇类与P2O5反应生成磷酸酯，然后再用“钼－锌”复合物中和得到一种水溶性二烷基磷酸钼锌化合物，其具有优良的抗磨润滑作用，且对铜、铁具有良好的缓蚀效果。
1.3含硫磷等活性元素的水溶性润滑添加剂
硫、磷为活性元素，在油溶性和水溶性润滑添加剂中都表现出优异的极压抗磨性能，含硫磷的添加剂在高负荷下与金属表面反应形成含硫磷的化学膜而表现出优良的极压抗磨性能。官文超等［11］合成的含硫季铵盐衍生物，在水中的PB值达到745N，在该化合物中进一步引入锌元素后，硫、锌产生协同作用，PB值上升到1 969 N。文献［12］对合成的水溶性烷基硫代磷酸锌的润滑膜分析结果进一步验证了1974年Forbes提出的二烷基亚磷酸酯生成无机亚磷酸铁膜的抗磨理论，这表明将磷、硫共同引入水溶性润滑添加剂后，其减摩作用非常显着。有研究表明:通过引入聚氧乙烯链成为水溶性含磷或含磷、硫的添加剂在水介质中会发生水解反应，水解后抗磨性能明显下降，且在弱碱性溶液中的稳定性较差［13］。
因此，含硫、磷水溶性润滑添加剂能否在水基润滑添加剂中广泛使用的关键就在于其水解稳定性。同时，含硫磷化合物气味大并对皮肤有腐蚀，因此使用受到限制。另外含磷化合物虽然有优良的极压抗磨性能，但由于含磷化合物易引起河流、湖泊等水质的富营养化或出现赤潮，已被相关法律法规禁止，所以含磷润滑添加剂正逐渐被限制使用。
1.4含硼水溶性润滑添加剂
目前含硼特种表面活性剂在国内外尚未工业化，从国际上看，日本在20世纪70—80年代研究较为活跃，但多是硼酸双甘酯的脂肪酸类阴离子型及非离子型。从国内来看，江南大学的研究工作开展得较早，且有少量实验室产品用于阻燃纺织制品，近年来也有其他单位开展这方面的研究，主要是氮硼系的表面活性剂［14］。含硼水溶性润滑添加剂主要包括无机硼酸盐和有机硼酸酯两大类，由于有机硼酸酯具有良好的极压抗磨、防锈和杀菌防腐等优良特性，且无毒、无害，易合成，因而逐渐引起了国内外的广泛关注和深入研究。如Watanabe等［15］将硼酸和烷醇胺反应，生成的硼酸脂具有良好的防锈性和抗微生物性能，并且具有一定的抗磨作用。张秀玲等［16］采用乳液聚合法合成的聚甲基丙烯酸酯含硼润滑添加剂，质量分数5%的水溶液PB值达到902 N，并且防锈、抗泡性能优异。李斌栋等［17］以二乙醇胺同硼酸为原料合成硼酸二乙醇胺，然后与十二酸甲脂及溴代十二烷合成了十二酰胺硼酸二乙醇胺和N－十二烷基硼酸二乙醇胺脂，经测定均具有较高的表面活性和润滑防锈性。王海鹰等［18］合成了一种新型可聚合硼酸脂，并通过自由基共聚合反应与丙烯酰胺合成了共聚物P(BES－AM)，其乳化性能超过Span－80，防锈性良好，同时与十二烷基苯磺酸钠有明显的复配协同效应。综上所述，有机硼酸酯作为多功能水溶性润滑添加剂，它不但具有优良的极压抗磨性能、良好的防锈性能和杀菌防腐性，而且无毒、无害、易合成，因而得到越来越多的研究和应用，含硼有机化合物将具有很大的发展潜力。但如何解决硼酸酯的水解性问题及与其他表面活性剂的复配研究是水溶性硼酸酯实现工业化应用的关键。
1.5纳米水溶性润滑添加剂
纳米材料的特殊结构使其具有传统材料所不具备的物理化学特性，将纳米材料用作润滑添加剂可起到特殊的减摩、抗磨和极压作用。过去针对纳米润滑添加剂的研究大多集中于油溶性润滑添加剂，最近几年才陆续出现将其作为水溶性润滑添加剂的报道。如高永健等［19］合成了油酸修饰TiO2纳米微粒，在添加质量分数0.1%～1.0%时，可使水的承载能力提高6～12倍，烧结负荷提高51%～100%。文献［20－22］利用富勒烯(C60)合成了一系列纳米水溶性添加剂，并考察了它们的摩擦学性能，结果表明富勒烯纳米微粒在摩擦条件下能起到弹性“滚珠”润滑作用，从而有效隔离摩擦表面，提高水基液的承载能力及降低磨损。需要注意的是纳米微粒也存在分散性和稳定性差的缺陷，如果能有效解决这一问题，纳米水溶性润滑添加剂的应用前景将十分广阔。
2·水溶性润滑添加剂的发展趋势
由于以水为载体，水介质的特殊性使得水溶性润滑添加剂与油溶性润滑添加剂相比存在润滑和防锈性差的缺点，这从一定程度上限制了水溶性润滑剂的发展。另外，目前国内外对水溶性润滑添加剂研究的关注点大多集中在单纯的防锈或润滑方面，在实际应用中同样遇到了添加剂配伍方面的复杂性问题，同时水溶性润滑添加剂的研究大多停留在实验室合成和理论探索阶段，未见工业化报道。
因此，拓宽水溶性润滑添加剂使用范围和提高其使用性能的关键在于开发高性能的水溶性润滑添加剂。环保和多功能化是未来水溶性润滑添加剂的发展趋势。研制集润滑、防锈和可生物降解等特性于一身的多功能润滑添加剂，不但可降低水分子的极性和与添加剂的相互作用，还可简化添加剂的配伍选择性，降低成本，缩短研发周期。同时可提高水基润滑剂的通用性，使之能使用在更多的产品中(如水基液压液和切削液等)及更多的摩擦工况下。从技术角度看，多功能水溶性润滑添加剂对水基添加剂行业来说是一个重大的进步，它是将具有不同特性的官能团集合于同一个分子内，使不同特性的官能团在分子间进行调整，从而有效避免了过去采用的物理调合、复配中的复杂性问题，减少了外在干扰，并缩短了添加剂配伍过程，使复合添加剂能够一剂多用，并能促进水基润滑液向标准化、系列化、通用化和产品化方向发展。
目前我国对水溶性润滑添加剂的研究处于起步阶段，但由于水基润滑剂具有优异的特性和良好的应用前景，随着环保意识的增强和科技的发展，尤其是分子设计和纳米技术等一些新方法、新技术的引入，必定会加快水溶性润滑添加剂的发展，其应用前景也将更加广阔。
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作者简介:刘鲤粽(1979—)，男，山东莱州人，工程师，主要从事矿用油品的科研开发工作。
Tel:13522078689，E－mail:sddh818@163.com
责任编辑:代艳玲