環(huán)保型切削液的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢

尤龍剛　魯倩　陳志忠　于海　續(xù)景

摘要：與傳統(tǒng)切削液相比，環(huán)保型切削液由于其環(huán)境友好，綠色無污染，對(duì)人體無害等方面的突出特點(diǎn)，已成為術(shù)來金屬加工液的發(fā)展方向，文章主要從基礎(chǔ)油和添加劑應(yīng)用情況兩方面綜述了近年來綠色環(huán)保型金屬切削液的研究現(xiàn)狀，同時(shí)討論了金屬加工液的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：環(huán)境友好；切削液；水基

中圖分類號(hào)：TE626.39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

切削液廣泛使用在現(xiàn)代金屬切削加工中，成為機(jī)械加工不可或缺的重要配套材料。隨著現(xiàn)代制造設(shè)備的進(jìn)步、加工工藝和加工材質(zhì)的層出不窮，對(duì)于金屬加工技術(shù)配套的金屬加工液提出了更高的要求。隨著科技的發(fā)展、人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，切削液的負(fù)面影響也日益引起廣泛關(guān)注。礦物油是金屬切削液的主要成分之一，其生物降解性差，能長期滯留在水和土壤中，破壞正常的生態(tài)。此外，金屬切削液的添加劑對(duì)環(huán)境的污染也是多方面的，如含有常用的短鏈氯化石蠟極壓劑的切削液在低溫焚燒處理時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)致癌的二惡英，防銹劑亞硝酸鈉會(huì)引起人體致癌等。因此，世界各發(fā)達(dá)國家相繼出臺(tái)了限制或禁止相關(guān)基礎(chǔ)油和添加劑的環(huán)保法規(guī)。

鑒于傳統(tǒng)切削液面臨越來越苛刻的工藝要求和日益嚴(yán)厲的環(huán)保法規(guī)的雙重壓力，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和技術(shù)升級(jí)勢在必行。這不僅要求繼續(xù)提高切削液的加工性能，更應(yīng)該著眼于研究開發(fā)和推廣應(yīng)用低毒、低污染的環(huán)境友好型切削液產(chǎn)品，從長遠(yuǎn)來看就是要瞄準(zhǔn)開發(fā)無毒、無污染的環(huán)境友好型切削液。環(huán)境友好型切削液指滿足使用性能和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)雙重要求的切削液，一些發(fā)達(dá)國家已建立了環(huán)境標(biāo)志組織，對(duì)環(huán)境友好的產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)示，主要有德國的“藍(lán)色天使”及美國的“綠色標(biāo)記”等，而國內(nèi)尚未建立相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，目前該方向已成為研究熱點(diǎn)，但仍需要投入更多的精力和財(cái)力來深入研究。本文從基礎(chǔ)油和添加劑的角度，著重介紹環(huán)境友好切削液的技術(shù)研究進(jìn)展。

1 基礎(chǔ)油

傳統(tǒng)切削液中使用的基礎(chǔ)油多為精制礦物油，精制礦物油歷史悠久、工藝成熟、價(jià)格低廉，但其生物降解能力僅能達(dá)到40%大量礦物油的使用無疑對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了不良的影響。因此，近年來，人們逐漸開始采用礦物油含量較少且綜合性能較好的微乳化型切削液或者完全不含礦物油的切削液以減緩對(duì)環(huán)境的危害并減少廢液管理的費(fèi)用。

1.1 植物油

植物油是最早被作為切削液使用的基礎(chǔ)油之一。植物油來源于自然界植物的提取物，曾長期被當(dāng)做切削液使用，但由于其氧化安定性差，容易發(fā)生聚合變黏，水解穩(wěn)定性和低溫流動(dòng)性能也較差，后被礦物油逐漸取代。近年來，由于人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和環(huán)保法規(guī)的嚴(yán)格要求，植物油在切削液中應(yīng)用受到關(guān)注。

植物油的氧化安定性、低溫流動(dòng)性、潤滑性能都有待提高，具體可通過添加抗凝劑、降凝劑、助乳劑等加以提高，另外，還可通過對(duì)基礎(chǔ)油進(jìn)行化學(xué)改性來改善其使用性能。

由于植物油的不足可通過一定的途徑得到改善，此外，植物油對(duì)生物和環(huán)境幾乎沒有危害，具有良好的生物降解性能。因此，植物油在切削液行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景，目前采用得較多的是菜籽油。

1.2 合成酯

合成酯分子結(jié)構(gòu)中含有酯基易于吸附在金屬表面，形成牢固的潤滑膜，具有良好的減摩抗磨作用，和植物油一樣，合成酯具有良好的生物降解性能。隨著對(duì)切削液使用性能和環(huán)境衛(wèi)生要求的不斷提高，合成酯作為礦物油的有效替代成分在切削液中的使用越來越廣泛。

不同類型的合成酯在切削液產(chǎn)品中有不同的應(yīng)用，比如，與多元醇酯相比雙酯具有較高的黏度，優(yōu)異的氧化安定性、熱穩(wěn)定性、極壓抗磨、潤滑性能等，其應(yīng)用廣泛，而黏度大的復(fù)酯調(diào)合組分，用以提高油品的黏度。目前應(yīng)用較多的是硬酯酸甲酯、硬酯酸丁酯、棕櫚酸甲酯、棕櫚酸異辛酯、三羥甲基丙烷油酸酯、二聚亞油酸乙二醇酯、季戊四醇四油酸酯、季戊四醇四硬脂酸酯、新戊基多元醇酯等，這些合成型酯類可有效減少摩擦和功率消耗。2新型環(huán)保型添加劑的開發(fā)

隨著公眾環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)及環(huán)保法律法規(guī)越來越嚴(yán)格的要求，切削液的成分發(fā)生了較大的變化。以往曾被普遍采用的亞硝酸鹽、鉻酸鹽、短鏈氯化石蠟已經(jīng)被禁止使用，而二乙醇胺、甲醛釋放型殺菌劑等的使用也受到了較大的限制。人們對(duì)于環(huán)境友好切削液添加劑的研究大多還處于起步階段，下面就潤滑劑、防銹劑和防腐殺菌劑做一簡單介紹。

2.1 極壓劑

長期以來，氯化石蠟作為極壓抗磨劑用于切削液組分，由于其存在致癌風(fēng)險(xiǎn)和后處理污染環(huán)境等缺點(diǎn)，因此，氯化石蠟的替代品就逐漸成為關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，有機(jī)硼酸酯、聚酯、脂肪酸酯、聚丙烯酰胺烷基脂肪酸等替代物質(zhì)均有報(bào)道。有機(jī)硼酸酯作為潤滑油添加劑已有大量研究，具有無毒，不揮發(fā)，極壓潤滑性好，并兼有防銹、抗菌、殺毒等功能，是一種特殊的兩性離子表面活性劑物質(zhì)，文獻(xiàn)中對(duì)脂肪酸咪唑啉硼酸單酯和三酯、含硫硼酸酯、二乙醇酰胺油酸硼酸酯、復(fù)合硼酸酯防銹劑以及有機(jī)硼化合物SW-2等此類硼酸酯化合物的均有研究，這些都使得硼酸酯類添加劑在切削液中作為一種多功能的添加劑應(yīng)用越來越廣泛。

此外，表1列舉的是近年來一些新型環(huán)保極壓劑。其中聚酯類和松香酸及其衍生物等已成為取代氯化石蠟等重要環(huán)保極壓劑類型，以專利US20030130142中提到的聚酯為例，添加量為2%的聚酯乳液其法萊克斯極壓（ASTM D2670）可達(dá)到17800 N，這表明該類極壓劑具有良好的極壓性能。另外，萊茵化學(xué)在2011年公開的專利20110088589A1中提到了一種具有如下結(jié)構(gòu)的聚酯，它是由乙二醇衍生物和酸酐（馬來酸酐）反應(yīng)制備的聚酯，其鋁腐蝕性能與聚酯的類型相關(guān)。

2.2 防銹劑

防銹劑主要有水溶性和油溶性兩大類。水溶性添加劑有亞硝酸鈉、苯并三氮唑、硼酸、三乙醇胺、磷酸鹽、磷酸鹽、苯甲酸鈉、鉬酸鈉和無水碳酸鈉等。它們與金屬發(fā)生作用在其表面生成不溶性的致密氧化膜，阻止金屬的電化學(xué)腐蝕過程。這類防銹劑多是電解質(zhì)，用于乳化液時(shí)，用量不宜過大，其應(yīng)用較為成熟，單有毒或者價(jià)格高，兼容性差，后處理難，有被替代的趨勢。油溶性防銹劑主要有磺酸鹽、酯醇類、胺類、磷酸酯等，如石油磺酸鋇、環(huán)烷酸鋅、十七烯基咪唑啉、十二烯基丁二酸等。它們均為極性較強(qiáng)的化合物，能優(yōu)先吸附在金屬表面或與表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成保護(hù)膜，抑制氧及水和金屬接觸，但它會(huì)與極壓劑在金屬表面發(fā)生吸附競爭，引起切削液的極性下降。

目前，防銹添加劑研究主要集中在鉬酸鹽、硼酸酯和羧酸醇酰胺的復(fù)配、磷酸酯和羧酸的復(fù)配、馬來海松酸醇酰胺、環(huán)己六醇六磷酸酯、丙烯酸聚合物等。

總的來說，鉬酸鹽是無毒的、無污染的環(huán)保添加劑，但價(jià)格較貴，影Ⅱ向其進(jìn)一步推廣使用；有機(jī)含磷防銹劑對(duì)銅及其合金有一定的腐蝕作用，此外還會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，所以開發(fā)低磷或無磷防銹劑是主要發(fā)展趨勢。表2列舉的是近年來一些新型環(huán)保防銹劑。表2所示的是部分新型防銹劑的概況，其中US5599779中提到的脂肪酸酰胺是一類性能優(yōu)異的防銹劑，金屬加工用潤滑油中加入適量的烷醇酰胺，既有潤滑作用和防銹功能，且能增進(jìn)陰離子和非離子乳液的穩(wěn)定性，其添加量為僅0.09%即可達(dá)到JIS K2510的防銹要求；而專利US2007/0157846中羥胺化合物添加量為10HD～1000μg/g即可滿足銅（90℃，15天）、鋅（60℃，12天）、鑄鐵（60℃，2天）等多種金屬的防銹防腐需求。

2.3 防腐殺菌劑

防腐殺菌劑一般用于水基切削液，水基切削液中大多含有微生物生長繁殖所需的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、碳水化合物，當(dāng)用含礦物油、動(dòng)植物油脂、無機(jī)鹽等成分的原料配制切削液時(shí)，容易腐敗變質(zhì)。通過添加防腐殺菌劑等可有效殺滅和抑制微生物。近年來，南于環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，常用的酚類和甲醛釋放型殺菌劑受到限制，因此，需要不斷研究開發(fā)新型防腐殺菌劑。表3列舉的是近年來一些新型環(huán)保防腐殺菌劑。

3 切削液發(fā)展趨勢

近年來，金屬切削液的綠色環(huán)保作用日益得到人們的認(rèn)可和重視。綠色環(huán)保型金屬切削液的研究、開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)成為機(jī)械行業(yè)的重要方向。我國正處于綠色金屬切削液開發(fā)的起步和發(fā)展階段，未來的配方發(fā)展趨勢包括以下兩方面。

（1）在基礎(chǔ)油方面，植物油以其良好的潤滑性、優(yōu)異的可生物降解性能和可持續(xù)生產(chǎn)性替代礦物油，是當(dāng)前環(huán)保型切削液發(fā)展的主流趨勢。

（2）在添加劑方面，主要表現(xiàn)為替代氯化石蠟和降低有機(jī)胺和含磷化合物的添加量，氯化石蠟作為極壓抗磨劑用于切削液組分，由于存在致癌風(fēng)險(xiǎn)和后處理污染環(huán)境等缺點(diǎn)，替代該物質(zhì)已成為未來的發(fā)展趨勢，降低有機(jī)胺和含磷化合物的添加量有助于減輕該類物質(zhì)導(dǎo)致水體污染和富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)，因此，使用無氯、低磷、低氮已成為未來環(huán)保切削液的發(fā)展方向。