环保型切削液的研究进展和发展趋势

表 3 部分防腐杀菌剂概况
专利号 US7632869B2［28］
化学组成 二烷基醚胺
ຫໍສະໝຸດ Baidu
性能特点
解决主要问题
更好的低温稳定性和 提高杀菌剂的低温稳
更高的抗菌效率
定性和杀菌效率
长期以来，氯化石蜡作为极压抗磨剂用于切削 液组分，由于其存在致癌风险和后处理污染环境等 缺点，因此，氯化石蜡的替代品就逐渐成为关注的热 点。目前，有机硼酸酯、聚酯、脂肪酸酯、聚丙烯酰胺 烷基脂肪酸等替代物质均有报道。有机硼酸酯作为 润滑油添加剂已有大量研究，具有无毒，不挥发，极 压润滑性好，并兼有防锈、抗菌、杀毒等功能，是一种 特殊的两性离子表面活性剂物质，文献中对脂肪酸 咪唑啉硼酸单酯和三酯［8］、含硫硼酸酯［9］、二乙醇酰 胺油 酸 硼 酸 酯［10］、复 合 硼 酸 酯 防 锈 剂［11］ 以 及 有 机 硼化合物 SW － 2［12］等此类硼酸酯化合物的均有研 究，这些都使得硼酸酯类添加剂在切削液中作为一 种多功能的添加剂应用越来越广泛。
可 达 到 JIS K2510 的 防 锈 要 求； 而 专 利 US2007 / 0157846 中羟胺化合物添加量为 100 ～ 1000 μg / g 即 可满足铜（ 90 ℃ ，15 天） 、锌（ 60 ℃ ，12 天） 、铸铁（ 60 ℃ ，2 天） 等多种金属的防锈防腐需求。
表 2 部分环保防锈剂概况
添加剂有亚硝酸钠、苯并三氮唑、硼酸、三乙醇胺、磷 酸盐、磷酸盐、苯甲酸钠、钼酸钠和无水碳酸钠等。它 们与金属发生作用在其表面生成不溶性的致密氧化 膜，阻止金属的电化学腐蚀过程。这类防锈剂多是电 解质，用于 乳 化 液 时，用 量 不 宜 过 大，其 应 用 较 为 成 熟，单有毒或者价格高，兼容性差，后处理难，有被替 代的趋势。油溶性防锈剂主要有磺酸盐、酯醇类、胺 类、磷酸酯等，如石油磺酸钡、环烷酸锌、十七烯基咪 唑啉、十二烯基丁二酸等。它们均为极性较强的化合 物，能优先吸附在金属表面或与表面发生化学反应生 成保护膜，抑制氧及水和金属接触，但它会与极压剂 在金属表面发生吸附竞争，引起切削液的极性下降。
第 1期
专利号 JP2009197183［15］
尤龙刚等． 环保型切削液的研究进展和发展趋势
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表 1（ 续）
化学组成 松香酸及其衍生物
性能特点
解决主要问题
良好的 润 滑 性、抗 磨 极 压 性、安全 环 保、可 降 解、无 毒等特点
使用含氯剂和含硫剂带来 的环境污染问题
2． 2 防锈剂 防锈剂主要有水溶性和油溶性两大类。水溶性
关键词： 环境友好； 切削液； 水基
中图分类号： TE626． 39
文献标识码： A
Research Progress and Development Trends of Environment Friendly Cutting Fluid
YOU Long － gang，LU Qian，CHEN Zhi － zhong，YU Hai，XU Jing （ PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R＆D Institute，Lanzhou 730060，China）
随着公众环境意识的增强及环保法律法规越来 越严格的 要 求，切 削 液 的 成 分 发 生 了 较 大 的 变 化。 以往曾被普遍采用的亚硝酸盐、铬酸盐、短链氯化石 蜡已经被禁止使用，而二乙醇胺、甲醛释放型杀菌剂 等的使用也受到了较大的限制。人们对于环境友好 切削液添加剂的研究大多还处于起步阶段，下面就 润滑剂、防锈剂和防腐杀菌剂做一简单介绍。 2． 1 极压剂
Abstract： Compared with the traditional cutting fluid，environment friendly cutting fluid has become a hot issue for future development of cutting fluid，due to its prominent characteristics such as environment friendly，pollution － free，harmless to the human body． In this paper，the research progress of green base oil and additives application for environment friendly cutting fluid is reviewed． Meantime，its development trend is also discussed．
鉴于传统切削液面临越来越苛刻的工艺要求和 日益严厉的环保法规的双重压力，对其进行改进和 技术升级势在必行。这不仅要求继续提高切削液的 加工性能，更应该着眼于研究开发和推广应用低毒、 低污染的环境友好型切削液产品，从长远来看就是
要瞄准开发无毒、无污染的环境友好型切削液。环 境友好型切削液指满足使用性能和生态环境效应双 重要求的切削液，一些发达国家已建立了环境标志 组织，对环 境 友 好 的 产 品 进 行 标 示，主 要 有 德 国 的 “蓝色天使”及美国的“绿色标记”等，而国内尚未建 立相应的法规和标准，目前该方向已成为研究热点， 但仍需要投入更多的精力和财力来深入研究。本文 从基础油和添加剂的角度，着重介绍环境友好切削 液的技术研究进展。 1 基础油
大多含有微生物生长繁殖所需的蛋白质、矿物质、碳 水化合物，当用含矿物油、动植物油脂、无机盐等成分 的原料配制切削液时，容易腐败变质。通过添加防腐 杀菌剂等可有效杀灭和抑制微生物。近年来，由于环 保法规的日益严格，常用的酚类和甲醛释放型杀菌剂 受到限制，因此，需要不断研究开发新型防腐杀菌剂。 表 3 列举的是近年来一些新型环保防腐杀菌剂。
Key words： environment friendly； cutting fluid； water based
0 引言 切削液广泛使用在现代金属切削加工中，成为
机械加工不可或缺的重要配套材料［1］。随着现代制 造设备的进步、加工工艺和加工材质的层出不穷，对 于金属加工技术配套的金属加工液提出了更高的要 求。随着科技的发展、人类环保意识的增强，切削液 的负面影响也日益引起广泛关注。矿物油是金属切 削液的主要成分之一，其生物降解性差，能长期滞留 在水和土壤中，破坏正常的生态。此外，金属切削液 的添加剂对环境的污染也是多方面的，如含有常用 的短链氯 化 石 蜡 极 压 剂 的 切 削 液 在 低 温 焚 烧 处 理 时，可能会产生强致癌的二恶英，防锈剂亚硝酸钠会 引起人体致癌等。因此，世界各发达国家相继出台 了限制或禁止相关基础油和添加剂的环保法规。
植物油是 最 早 被 作 为 切 削 液 使 用 的 基 础 油 之
MARKET ＆ TREND 市场与趋势
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润滑油
2015年第30卷
一。植物油来源于自然界植物的提取物，曾长期被 当做切削液使用，但由于其氧化安定性差，容易发生 聚合变黏，水解稳定性和低温流动性能也较差，后被 矿物油逐渐取代。近年来，由于人们环保意识的增 强和环保法规的严格要求，植物油在切削液中应用 受到关注。
此外，表 1 列 举 的 是 近 年 来 一 些 新 型 环 保 极 压剂。其中 聚 酯 类 和 松 香 酸 及 其 衍 生 物 等 已 成 为取代氯化石蜡等 重 要 环 保 极 压 剂 类 型，以 专 利 US20030130142 中 提 到 的 聚 酯 为 例，添 加 量 为 2 % 的聚酯乳 液 其 法 莱 克 斯 极 压 （ ASTM D2670 ） 可达到 17800 N，这 表 明 该 类 极 压 剂 具 有 良 好 的 极压性能。另外，莱茵化学在 2011 年公开的专利 20110088589A1［16］中提到了一种具有如下结构的聚 酯，它是由乙二醇衍生物和酸酐（ 马来酸酐） 反应制 备的聚酯，其铝腐蚀性能与聚酯的类型相关。
合成酯分子结构中含有酯基易于吸附在金属表 面，形成牢固的润滑膜，具有良好的减摩抗磨作用， 和植物油 一 样，合 成 酯 具 有 良 好 的 生 物 降 解 性 能。 随着对切 削 液 使 用 性 能 和 环 境 卫 生 要 求 的 不 断 提 高，合成酯作为矿物油的有效替代成分在切削液中 的使用越来越广泛。
植物油的氧化安定性、低温流动性、润滑性能都 有待提高，具体可通过添加抗凝剂、降凝剂、助乳剂 等加以提 高，另 外，还 可 通 过 对 基 础 油 进 行 化 学 改 性［3 － 6］来改善其使用性能。
由于植物 油 的 不 足 可 通 过 一 定 的 途 径 得 到 改 善，此外，植物油对生物和环境几乎没有危害，具有 良好的生物降解性能。因此，植物油在切削液行业 具有良好的应用前景，目前采用得较多的是菜籽油。 1． 2 合成酯［7］
专利号 US20030130142［13］
表 1 部分新型环保极压剂概况
化学组成 聚酯部分酯化酸和多元醇酯
性能特点
解决主要问题
良好的 润 滑 性、抗 磨 极 压 性、安全 环 保、可 降 解、无 毒等特点
使用含氯剂和含硫剂带来 的环境污染问题
JP2010180392［14］
烷基脂肪酸聚丙烯酰胺
市场与趋势 市场与趋势 MARKET ＆ TREND
传统切削液中使用的基础油多为精制矿物油。 精制矿物油历史悠久、工艺成熟、价格低廉，但其生 物降解能力仅能达到 40%［2］。大量矿物油的使用 无疑对环境产生了不良的影响。因此，近年来，人们 逐渐开始采用矿物油含量较少且综合性能较好的微 乳化型切削液或者完全不含矿物油的切削液以减缓 对环境的危害并减少废液管理的费用。 1． 1 植物油
2015年 2月 Feb． 2015
润滑油 LUBRICATING OIL
第 30卷 第1期 Vo l． 30，No． 1
环保型切削液的研究进展和发展趋势
尤龙刚，鲁倩，陈志忠，于海，续景
（ 中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060）
摘要： 与传统切削液相比，环保型切削液由于其环境友好，绿色无污染，对人体无害等方面的突出特点，已成为未来金属加工液 的发展方向，文章主要从基础油和添加剂应用情况两方面综述了近年来绿色环保型金属切削液的研究现状，同时讨论了金属 加工液的发展趋势。
目前，防锈 添 加 剂 研 究 主 要 集 中 在 钼 酸 盐［17］、 硼酸酯和羧酸醇酰胺的复配［18 － 19］、磷酸酯和羧酸的 复配［20］、马 来 海 松 酸 醇 酰 胺［21］、环 己 六 醇 六 磷 酸 酯［22］、丙烯酸聚合物［23］等。
总的来说，钼酸盐是无毒的、无污染的环保添加 剂，但价格较贵，影响其进一步推广使用； 有机含磷 防锈剂对铜及其合金有一定的腐蚀作用，此外还会 导致水体富营养化，所以开发低磷或无磷防锈剂是 主要发展趋势［24］。表 2 列举的是近年来一些新型 环保防锈剂。表 2 所示的是部分新型防锈剂的概 况，其中 US5599779 中提到的脂肪酸酰胺是一类性 能优异的防锈剂，金属加工用润滑油中加入适量的 烷醇酰胺，既有润滑作用和防锈功能，且能增进阴离 子和非离子乳液的稳定性，其添加量为仅 0． 09% 即
专利号
US2007 / 0157846A1［25］
化学组成 羟胺化合物
性能 解决主 特点 要问题
优异 的防 锈性 能
提高 产品 的防 锈性
能
US5599779［26］
N － 酰基氨基酸
US2009147373［27］ 胺中和单烷基取代磷酸酯
2． 3 防腐杀菌剂 防腐杀菌剂一般用于水基切削液，水基切削液中
不同类型的合成酯在切削液产品中有不同的应 用，比如，与多元醇酯相比双酯具有较高的黏度，优 异的氧化安定性、热稳定性、极压抗磨、润滑性能等， 其应用广泛，而黏度大的复酯调合组分，用以提高油 品的黏度。目前应用较多的是硬酯酸甲酯、硬酯酸 丁酯、棕榈酸甲酯、棕榈酸异辛酯、三羟甲基丙烷油 酸酯、二聚亚油酸乙二醇酯、、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，这些合成型 酯类可有效减少摩擦和功率消耗。 2 新型环保型添加剂的开发