可生物降解鐵路防銹脂的理論研究

劉 嬌（沈陽鐵路局科學技術研究所，遼寧 沈陽 110000）

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可生物降解鐵路防銹脂的理論研究

劉 嬌
（沈陽鐵路局科學技術研究所，遼寧 沈陽 110000）

摘 要：以鐵路防銹脂的組成對生物降解性的影響進行研究，確定選用了生物降解性可達到70%以上的天然植物油為基礎油、較常使用的單鋰皂等為稠化劑、適量的添加劑為原料，再著重對天然植物油的可降解性進行機理分析，并且采取添加抗氧劑的方法來改善天然植物油氧化安定性差的性能，最后采用植物油、單鋰皂和添加劑為原料制成可生物降解的鐵路防銹脂，其理化性能與傳統的鐵路防銹脂相當。

關鍵詞：天然植物油；可生物降解；鐵路防銹脂；機理分析；理化性能

目前我國傳統的鐵路防銹脂采用的原料為礦物基礎油、稠化劑和添加劑。礦物油本身是鏈烷烴、環烷烴、芳香烴以及少量的非烴化合物組成的復雜混合物。組成成分中的短鏈烷烴對許多微生物有毒，在自然環境中長鏈烷烴不易降解；環烷烴、芳香烴難降解，而多環芳烴不降解。所以從總體來看，礦物油只有部分組分可以降解，降解率低。而隨著社會的發展和科技的進步，人類對環境保護的意識日益提高，由于傳統的鐵路防銹脂不易被降解，因此研制可降解的鐵路防銹脂已引起了社會的廣泛關注。本文作者主要從鐵路防銹脂的原料著手對生物降解性的影響進行研究，確定選用天然植物油作為鐵路防銹脂的基礎油，再對天然植物油的性能進行評價，最后采用植物油、單鋰皂和添加劑為原料制成可生物降解的鐵路防銹脂與傳統的鐵路防銹脂相比較，理化性能相當。

1　鐵路防銹脂的組成對生物降解性的影響

傳統的鐵路防銹脂主要用于鐵路軌道螺栓的防腐，其主要原料為基礎油、稠化劑和添加劑，而鐵路防銹脂的組成成分不僅對路枕螺栓的防護、潤滑性能起決定性作用，對可生物降解性能也有很大的影響。

1.1基礎油

由于鐵路防銹脂75%以上為基礎油，對鐵路防銹脂的性能、環境及可生物降解性影響很大，因此研究基礎油對環境的影響顯得尤為重要。根據Stempfel的報告可知，以合成酯類油、植物油為基礎油，其可生物降解性高。其中，合成酯類油的原料以脂肪酸的種類、側鏈數量等不同其生物降解性也有下降的，而天然植物油的生物降解性普遍較高。國外也在基礎油方面進行了大量的研究工作，并用CEL-L-33-T法測得了一些常用基礎油的生物降解性見表1。

表1　常用基礎油性能比較

從表1中數據可知，植物油的生物降解性最好，可達70%以上，礦物油的生物降解性最差，為10%～40%，合成酯的生物降解性也很好，例如多元醇酯和雙酯等。而且植物油與合成酯均具有良好的黏溫特性。合成酯的優點是具有良好的熱穩定性、低溫流動性及可生物降解性，缺點是價格相對較高。與合成酯相比，植物油的成本較低、來源豐富，是可再生資源。它的主要成分是脂肪酸三甘油酯，其中不飽和脂肪酸含量越高，其低溫流動性越好，缺點是氧化穩定性差，但是可通過適量添加抗氧化劑來調解其氧化安定性。

圖1　

圖2　

1.2稠化劑

制備傳統的鐵路防銹脂時，稠化劑的使用約為20%左右，常用的稠化劑多為膨潤土、硅膠、鋰皂等，由于膨潤土、硅膠等不能生物降解，因此不宜使用。通常選用脂肪酸單皂和復合皂，它們大都無毒，并能生物降解，例如鋰皂、鈣皂、鈉皂，復合鋰皂等。

1.3添加劑

添加劑在傳統的鐵路防銹脂中所占的比重較小，專門適用于生物降解鐵路防銹脂的添加劑也很少，只能選用現有的生態毒性小、有生物降解性的通用添加劑，例如石油磺酸鋇、酚類等。

2　天然植物油的性能評價

2.1天然植物油的可生物降解性能機理分析

天然植物油具有良好的生物降解性，其原因在于天然植物中的甘油酯基易水解，酯基鏈的不飽和鍵易受氧化物攻擊而發生氧化，使其具有較強的生物降解能力。天然植物油中的不飽和酸含量越高，其生物降解能力越強。例如，蓖麻油中含有大量的（85%以上）的蓖麻油酸，菜籽油中含有大量的芥酸和油酸，所以生物降解率特別高。

天然植物油的生物降解過程由以下幾個步驟來完成：

甘油酯的水解：

如上所示，植物油甘油酯起始反應在甘油三酯分解酶的作用下進行，是控制速度反應。第二步和第三步是在甘油二酯、甘油一酯酶的作用下快速進行的，這種酶催化作用的產物是脂肪酸和甘油。

（2）脂肪酸的β-氧化分解

脂肪酸首先經過活化變為脂肪酰CoA，然后再通過“β-氧化”斷裂為許多乙酰CoA小分子。

（3）乙酰分子CoA進入TCA（三羧酸）循環，最終分解為CO2、H2O，分解并釋放出能量。

（4）甘油的代謝

因此，由以上過程的理論分析可得出天然植物油生物降解率可達到100%。

2.2天然植物油的氧化安定性能

天然植物油生物降解性能好，說明其分子結構中的雙鍵較多，不飽和度較高，碘值高。由于天然植物油含有大量的不飽和脂肪酸（例如油酸，亞麻酸，亞油酸等），因而其分子結構極不穩定，容易氧化，而且隨著雙鍵的增加氧化反應速度增大，故氧化安定性對以植物油為基礎油所制備的可生物降解鐵路防銹脂顯得尤為重要。以天然植物油作為鐵路防銹脂的基礎油，制備出的鐵路防銹脂的氧化安定性能與礦物油制備的防銹脂相差很多。所以如果選用天然植物油做為鐵路防銹脂的基礎油，必須要添加適量的抗氧化劑來提高鐵路防銹脂的理化性能。

3　可生物降解鐵路防銹脂的理化性能

經過上述討論，選用天然植物油為基礎油，單鋰皂為稠化劑，及適量的抗氧化劑、防銹劑等添加劑為原料制備出可生物降解鐵路防銹脂，并且與以傳統方法制備的鐵路防銹脂的性能進行了對比，結果見表2。

表2　樣品性能評價

結果表明，按此種方法制備出的可生物降解鐵路防銹脂，不僅具有優良的生物降解性能而且綜合理化性能與傳統的鐵路防銹脂水平相當。

結論

本文作者選取了可生物降解的鐵路防銹脂的原料，并對作為基礎油的天然植物油的性能進行評價、分析，得出了以下結論：

（1）通過機理分析，天然植物油生物降解率高，黏溫特性、低溫流動性較好，是一種適合制備可生物降解鐵路防銹脂的基礎油。

（2）以天然植物油為基礎油制備的可生物降解鐵路防銹脂，氧化安定性能較差，須添加適宜的抗氧化劑。

（3）以天然植物油、單鋰皂及抗氧化劑、防銹劑等添加劑為原料制備出的可生物降解鐵路防銹脂，其理化性能與傳統的鐵路防銹脂的水平相當。

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