環保型切削液的研究進展和發展趨勢

尤龍剛　魯倩　陳志忠　于海　續景

摘要：與傳統切削液相比，環保型切削液由于其環境友好，綠色無污染，對人體無害等方面的突出特點，已成為術來金屬加工液的發展方向，文章主要從基礎油和添加劑應用情況兩方面綜述了近年來綠色環保型金屬切削液的研究現狀，同時討論了金屬加工液的發展趨勢。

關鍵詞：環境友好；切削液；水基

中圖分類號：TE626.39 文獻標識碼：A

0 引言

切削液廣泛使用在現代金屬切削加工中，成為機械加工不可或缺的重要配套材料。隨著現代制造設備的進步、加工工藝和加工材質的層出不窮，對于金屬加工技術配套的金屬加工液提出了更高的要求。隨著科技的發展、人類環保意識的增強，切削液的負面影響也日益引起廣泛關注。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。此外，金屬切削液的添加劑對環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，可能會產生強致癌的二惡英，防銹劑亞硝酸鈉會引起人體致癌等。因此，世界各發達國家相繼出臺了限制或禁止相關基礎油和添加劑的環保法規。

鑒于傳統切削液面臨越來越苛刻的工藝要求和日益嚴厲的環保法規的雙重壓力，對其進行改進和技術升級勢在必行。這不僅要求繼續提高切削液的加工性能，更應該著眼于研究開發和推廣應用低毒、低污染的環境友好型切削液產品，從長遠來看就是要瞄準開發無毒、無污染的環境友好型切削液。環境友好型切削液指滿足使用性能和生態環境效應雙重要求的切削液，一些發達國家已建立了環境標志組織，對環境友好的產品進行標示，主要有德國的“藍色天使”及美國的“綠色標記”等，而國內尚未建立相應的法規和標準，目前該方向已成為研究熱點，但仍需要投入更多的精力和財力來深入研究。本文從基礎油和添加劑的角度，著重介紹環境友好切削液的技術研究進展。

1 基礎油

傳統切削液中使用的基礎油多為精制礦物油，精制礦物油歷史悠久、工藝成熟、價格低廉，但其生物降解能力僅能達到40%大量礦物油的使用無疑對環境產生了不良的影響。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環境的危害并減少廢液管理的費用。

1.1 植物油

植物油是最早被作為切削液使用的基礎油之一。植物油來源于自然界植物的提取物，曾長期被當做切削液使用，但由于其氧化安定性差，容易發生聚合變黏，水解穩定性和低溫流動性能也較差，后被礦物油逐漸取代。近年來，由于人們環保意識的增強和環保法規的嚴格要求，植物油在切削液中應用受到關注。

植物油的氧化安定性、低溫流動性、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，還可通過對基礎油進行化學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，植物油對生物和環境幾乎沒有危害，具有良好的生物降解性能。因此，植物油在切削液行業具有良好的應用前景，目前采用得較多的是菜籽油。

1.2 合成酯

合成酯分子結構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。隨著對切削液使用性能和環境衛生要求的不斷提高，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品中有不同的應用，比如，與多元醇酯相比雙酯具有較高的黏度，優異的氧化安定性、熱穩定性、極壓抗磨、潤滑性能等，其應用廣泛，而黏度大的復酯調合組分，用以提高油品的黏度。目前應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新型環保型添加劑的開發

隨著公眾環境意識的增強及環保法律法規越來越嚴格的要求，切削液的成分發生了較大的變化。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。人們對于環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，由于其存在致癌風險和后處理污染環境等缺點，因此，氯化石蠟的替代品就逐漸成為關注的熱點。目前，有機硼酸酯、聚酯、脂肪酸酯、聚丙烯酰胺烷基脂肪酸等替代物質均有報道。有機硼酸酯作為潤滑油添加劑已有大量研究，具有無毒，不揮發，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，文獻中對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、復合硼酸酯防銹劑以及有機硼化合物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用越來越廣泛。

此外，表1列舉的是近年來一些新型環保極壓劑。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，萊茵化學在2011年公開的專利20110088589A1中提到了一種具有如下結構的聚酯，它是由乙二醇衍生物和酸酐（馬來酸酐）反應制備的聚酯，其鋁腐蝕性能與聚酯的類型相關。

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，阻止金屬的電化學腐蝕過程。這類防銹劑多是電解質，用于乳化液時，用量不宜過大，其應用較為成熟，單有毒或者價格高，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。它們均為極性較強的化合物，能優先吸附在金屬表面或與表面發生化學反應生成保護膜，抑制氧及水和金屬接觸，但它會與極壓劑在金屬表面發生吸附競爭，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配、磷酸酯和羧酸的復配、馬來海松酸醇酰胺、環己六醇六磷酸酯、丙烯酸聚合物等。

總的來說，鉬酸鹽是無毒的、無污染的環保添加劑，但價格較貴，影Ⅱ向其進一步推廣使用；有機含磷防銹劑對銅及其合金有一定的腐蝕作用，此外還會導致水體富營養化，所以開發低磷或無磷防銹劑是主要發展趨勢。表2列舉的是近年來一些新型環保防銹劑。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，且能增進陰離子和非離子乳液的穩定性，其添加量為僅0.09%即可達到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、礦物質、碳水化合物，當用含礦物油、動植物油脂、無機鹽等成分的原料配制切削液時，容易腐敗變質。通過添加防腐殺菌劑等可有效殺滅和抑制微生物。近年來，南于環保法規的日益嚴格，常用的酚類和甲醛釋放型殺菌劑受到限制，因此，需要不斷研究開發新型防腐殺菌劑。表3列舉的是近年來一些新型環保防腐殺菌劑。

3 切削液發展趨勢

近年來，金屬切削液的綠色環保作用日益得到人們的認可和重視。綠色環保型金屬切削液的研究、開發和應用已經成為機械行業的重要方向。我國正處于綠色金屬切削液開發的起步和發展階段，未來的配方發展趨勢包括以下兩方面。

（1）在基礎油方面，植物油以其良好的潤滑性、優異的可生物降解性能和可持續生產性替代礦物油，是當前環保型切削液發展的主流趨勢。

（2）在添加劑方面，主要表現為替代氯化石蠟和降低有機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，由于存在致癌風險和后處理污染環境等缺點，替代該物質已成為未來的發展趨勢，降低有機胺和含磷化合物的添加量有助于減輕該類物質導致水體污染和富營養化的風險，因此，使用無氯、低磷、低氮已成為未來環保切削液的發展方向。