礦用高效超濃縮支架液壓液的研制及性能評測

侯 建 濤

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 礦用材料分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

近年來，煤礦存在傳動介質降低額定使用濃度的現象[1]，使得傳動介質防護效果降低，造成支架銹蝕、磨損等，進而影響安全生產。為了保證自動化采煤的連續、安全、高效運行，支架傳動介質的技術性能須進一步提升[2]。

國外奎克、福斯、斯圖阿特和倍可等水基液壓液產品的生產商，產品的重點研究方向是環境友好、應用濃度較低等方面，先后報道了2%甚至更低使用濃度的高含水液壓液產品[3]。在我國，大部分傳動介質的使用濃度為4%～5%，而使用濃度為1%～2%的高效超濃縮支架傳動介質鮮有報道[4-9]。同時，傳動介質在運行過程中易發生跑、冒、滴、漏現象，加之工作廢液無凈化而全部直接井下排放，極易污染環境，隨著支架傳動介質用量的急劇提升，產品廢液的排放已成為煤礦面臨的重大問題。即礦用高效超濃縮支架液壓液可用于提高支架傳動介質性能、降低額定使用濃度以及減少工作廢液有機物的排放。因此，開發出高效、超濃縮的液壓傳動介質，對保障液壓支架的安全運行且減少環境排放方面意義重大，符合國家環保發展方向。

1 高效超濃縮支架液壓液設計要求

液壓支架傳動介質需具備潤滑性、防銹性、穩定性等多種性能，業內產品一般由相應功能的添加劑與水調和反應制得[10]。額定使用濃度降低，使用性能不變，母液配方的有效成分含量必然成倍增加，對應的溶劑占比減少，從而導致產品體系不平衡而分層或溶質無法溶解，上述根本矛盾制約了傳動介質的超濃縮化。因此，礦用超濃縮支架液壓液的設計，關鍵在于潤滑、防銹等核心添加劑的多功能化、高效化，以減少添加劑加入量。

水溶性分子設計和改性是現代水基添加劑的研究熱點[11],因此可通過添加劑合成改性，實現傳動介質基礎助劑的多功能化、高效化、綠色化。水基潤滑添加劑有磺化蓖麻油、脂肪酸酯、油酸酰胺、長碳鏈羧酸鹽等，有機羧酸衍生物來源廣泛，制備簡易，因此越來越受到人們的重視和企業的青睞[12]。筆者選用氨基酸類衍生物進行研究，利用化學反應在氨基酸分子接入有機羧酸鏈從而制得酰基氨基酸醇胺鹽，以實現傳動介質核心助劑的高效多功能。

2 多功能酰基氨基酸醇胺鹽合成

對于有機羧酸衍生物，含有-COO-,-NHCO-等強極性基團的有機添加劑分子都具有較好的防銹性[13]，不低于十二個碳的長碳鏈羧酸具有較好的潤滑性[14]，因此筆者選擇具有防銹、絡合功能的谷氨酸與具有潤滑性的長碳鏈月桂酸，利用化學反應合成制得月桂酰基谷氨酸，再與二乙醇胺中和改性，制得水溶性多功能添加劑月桂酰基谷氨酸醇胺鹽。

反應利用肖頓-鮑曼縮合方法[15]:先將月桂酸加熱熔化，滴加過量的SOCl2，得到月桂酸酰氯，將谷氨酸和氫氧化鈉中和，加入丙酮溶劑，在冰水浴、堿性條件下，滴加月桂酸酰氯進行反應，后用硫酸酸化，析出的固體產物經抽濾、水洗、干燥后得到月桂酰基谷氨酸，再與二乙醇胺中和，制得月桂酰基谷氨酸醇胺鹽。

其反應式如下:

為減少副產物生成，需控制反應的pH值在堿性條件下，月桂酰谷氨酸合成時反應液不同pH值的收率如圖1所示。由圖1可知，當pH值為8～10時，反應的產率為最高。

圖1 不同pH值條件下月桂酰谷氨酸的收率Fig.1 Yield of lauroylglutamic acid at different pH values

筆者選用硬度500 mg/L人工硬水，配制0.5%(質量分數)溶液，比較了月桂酰基谷氨酸醇胺鹽及與業內常規添加劑性能，其中穩定性采用目測外觀，防銹性選用鑄鐵點滴試驗方法(下同)，潤滑性選用四球試驗機評價，以最大無卡咬負荷(PB值)表征，即PB值越高則潤滑性越好，結果見表1。

表1 月桂酰基谷氨酸醇胺鹽與常規添加劑性能比對試驗結果Table 1 Performance comparison test results of lauroyl glutamate ethanolamine salt and conventional additives in the industry

業內常規添加劑的性能較為單一。常用的防銹劑如亞硝酸鹽及短于十二碳的多元羧酸，緩蝕性能優異，而潤滑性差。十二碳以上羧酸鹽雖潤滑性良好，但耐硬水能力變弱，易與硬水中的鈣鎂離子形成不溶性皂類析出，如支架傳動介質常規助劑油酸醇胺鹽具有較好的潤滑性，但其硬水溶液析皂且防銹性弱。由表1可知，合成的月桂酰基谷氨酸醇胺鹽，與業內常規添加劑相比，既具有優異的緩蝕性能，潤滑性與常規潤滑劑油酸醇胺鹽水平接近，同時抗硬水能力優異，無沉淀和析皂現象，是優良的多功能添加劑。該合成物含兩親分子，具有乳化能力，含有易于生物降解的酰胺鍵，對環境友好，因此月桂酰基谷氨酸醇胺鹽屬于環境友好的多功能水基添加劑。

做為液壓支架轉動介質，密封材料相容性同樣是重要的評測指標[16]。筆者選用去離子水配液，考察月桂酰基谷氨酸醇胺鹽對密封材料的影響大小。試驗條件如下:質量濃度1%，試驗時間168 h，溫度70 ℃，試件為丁晴橡膠。結果顯示，丁晴橡膠的體積變化率僅為1.53%，符合行業標準要求的體積變化率0%～6%范圍。

3 輔助添加劑研究

3.1 金屬緩蝕劑復配

防銹性是液壓支架傳動介質的重要控制指標，緩蝕劑的作用機理是在金屬表面形成牢固致密的保護膜，構成對基體金屬的保護。現有水溶性防銹劑主要分為無機防銹劑和有機防銹劑兩大類，防銹劑復配使用，具有協同效應，與單獨使用相比，能大幅提高防銹性能且降低使用濃度[17]。筆者選取鉬酸鹽、長碳鏈羧酸鹽等防銹劑，分別與月桂酰基谷氨酸醇胺鹽進行復配(質量比為1∶1)，選用鑄鐵點滴試驗方法，定性考察了其水溶液的防銹性能，結果見表2，其中將結果分級如下:無銹蝕為Ⅰ級，銹蝕1點為Ⅱ級，依次論推銹蝕5點為Ⅵ級。

表2 不同添加劑與月桂酰基谷氨酸醇胺鹽復配的銹蝕試驗結果Table 2 Corrosion test results of different additives mixed with lauroylglutamate

從表2可看出，鉬酸鹽、癸二酸鹽、十一碳二元酸鹽與月桂酰基谷氨酸醇胺鹽復配均具有良好的緩蝕能力，質量濃度0.5%鑄鐵試件即無銹蝕。其中癸二酸來源廣泛，價格適中，可與月桂酰基谷氨酸醇胺鹽協同用于黑色金屬防銹。

依據MT/T 76—2011技術要求，支架傳動介質具有對黑色金屬緩蝕能力，同時應具有對有色金屬特別是銅金屬的緩蝕能力，行業內銅的緩蝕大多選用特效添加劑苯駢三氮唑。筆者選用人工鹽水配液，參照MT/T 76—2011 防腐蝕試驗方法，進行了癸二酸鹽、月桂酰基谷氨酸醇胺鹽與苯駢三氮唑復配后的鋼棒及銅棒腐蝕試驗，結果顯示鋼棒及銅棒試件無銹蝕、無色變。因而，癸二酸鹽、月桂酰基谷氨酸醇胺鹽與苯駢三氮唑協同，可提高傳動介質對黑色金屬、有色金屬的緩蝕性能。

3.2 抑菌劑篩選

煤礦井下工況復雜，又有水分和適宜的溫度,環境適合微生物的滋生，傳動介質在支架系統循環使用過程中，泵站供液系統、礦井水、系統內雜質以及空氣接觸等途徑均可帶入微生物菌種，若不加抑制則微生物會以驚人的速度繁殖[18]，進而影響液壓支架系統運行，因此抑菌性也是支架傳動介質的重要控制指標。

筆者選取多種水溶性抑菌劑，同一培養基培養7 d，選用細菌測試片進行微生物測定，定性考察不同類型抑菌劑抑菌效果，結果見表3。

表3 殺菌劑抑菌試驗結果Table 3 Bacteriostatic test results of bactericides

由表3可知，MBM對酵母菌、霉菌具有抑制能力，苯甲酸鈉對霉菌的抑制能力較強,碳酸鈉雖然對各種微生物的抑制作用較好，但其起作用主要是靠調節體系pH值實現，在支架傳動介質中會造成pH值超標，而BK具有廣譜高效的抑菌效果，可提升支架傳動介質抑菌性能。

3.3 體系儲備堿度

液壓支架傳動介質需配水使用且用量大，一般采用天然的礦井水配液[19]，因此，水質對傳動介質性能影響極大，配液水的pH值在一定程度上會影響傳動介質使用液的pH值。由于鐵、銅等金屬的防護對傳動介質的酸堿性有著特殊的要求，因而若pH變化較大則會對金屬造成一定的腐蝕[20]。

我國國土面積大，各地礦井水質存在顯著差異，因此傳動介質需添加pH值調節劑，在分子內部形成“儲備堿度”，筆者選用醇胺類pH值調節劑，使整個體系的pH值保持在合理區間。

4 產品制備及性能評測

4.1 產品制備

筆者選用合成的月桂酰基谷氨酸醇胺鹽作為潤滑、防銹、乳化組分，癸二酸鹽作為輔助防銹組分，結合醇胺pH值調節劑、BK抑菌劑、消泡劑，以水作為載體，利用調和反應，制得礦用超濃縮支架液壓液(以下簡稱超濃縮液壓液)，調和反應溫度為40 ℃～45 ℃。

4.2 性能評測

依據煤炭行業標準MT/T 76—2011進行超濃縮液壓液理化性能檢測，各項指標均符合煤炭行業標準要求。試驗條件:硬度500 mg/L人工硬水配液、濃度2%。將主要指標與業內代表性HFAS10-5濃縮液在額定濃度進行性能比較，結果見表4。結果顯示超濃縮液壓液2%濃度條件下具有良好的性能，使用濃度低，安全高效。

表4 超濃縮液壓液主要性能比對結果Table 4 Main performance comparison results of super concentrated hydraulic fluid

4.3 臺架試驗

為研究超濃縮液壓液的實際應用性能，筆者進行超濃縮液壓液傳動介質的千斤頂臺架試驗，模擬工礦條件下測試產品的使用性能。試驗周期3個月，按照MT 97—1992《液壓支架千斤頂技術條件》和MT/T 1164—2011《液壓支架立柱、千斤頂密封件 第1部分:分類》對推移千斤頂進行檢驗，考查其密封性能、操作性能、保壓性能。

試驗結束，經比對分析，推移千斤頂保壓良好無漏液，具有較好的操作性能；工作液穩定無油皂析出，千斤頂內外缸體無銹蝕，與密封件匹配度高，體積變化率僅為1.02%。超濃縮液壓液性能滿足要求，具有較好的應用性能。

5 結 語

(1)選用谷氨酸與長碳鏈月桂酸，利用化學反應合成的月桂酰基谷氨酸醇胺鹽，具有優異防銹性、潤滑性能，良好的耐硬水性能，易于生物降解，密封材料適應性好，屬于環境友好的優良多功能水基添加劑。

(2)以制備的月桂酰基谷氨酸醇胺鹽為基礎，研制而得礦用超濃縮支架液壓液，在配液濃度2%條件下測試，其性能指標全部符合煤炭行業標準的技術要求，使用濃度低。

(3)傳動介質的千斤頂臺架試驗顯示，超濃縮液壓液工作液穩定，設備無銹蝕，與密封件匹配度高，具有較好的實際應用性能，安全高效。