新型合成液压支架用浓缩液的研究

Abstract: A newly type of synthetically concentrate hydraulic fluid used in powered support was researched Water as the carrier, compounded with the hydrophilic lubricator, the emulsifier, the anti rust and anti corrosive agent , the thermody namic stability system with solubilization was formed All of the performances of the fluid exceed the standard of MT762002 Mineral oil is not used in compounding Compare to the traditional emulsifying oil, the newly one is provided with the characteristics, such as better stability, lower cost, environmental friendly and so on Key words: powered support; synthesis; concentrates fluid 目前我国煤矿的液压支架系统普遍采用由煤炭科学研究总院研制的水包油型 ( O/ W 型) 系列乳化油 配制的乳化液 ( 以 5% 乳化油和 95% 的水配制而成 ) 作为液压传动介质, 据不完全统计 , 仅国有煤矿现有 乳化油年使用量达到 1 万 t 以上 . 目前, 我国液压支架乳化液产品应用广泛的主要有 M- 10 和 MDT 系列, 按 MT76- 2002 液压支架用乳 化油新标准 , M- 10 和 MDT 分别规范为 ME10- 5 和 ME15- 5, 均以基础油 ( 矿物油) 作为载体 , 所占比 例约 50% ( 其余为表面活性剂和添加剂 ) , 配合乳化剂、防锈剂、络合剂等添加剂调配为乳化油 , 5% 的 乳化油与 95% 的水形成水包油型 ( O/ W 型) 分散体系, 具有一定的抗硬水能力 , 对国产液压支架常用的 各种金属和密封材料有较好的防锈性和适应性, 同时具有价格适中的特点 . 但是, 液压支架乳化液产品的 发展应与液压支架技术的发展、环境保护的要求保持同步 . 在电液控制系统, 由于先导阀流通径很小 , 阀 口采用硬对硬密封形式, 整个先导阀对乳化液清洁度要求非常高, 需要特殊保护[ 1] . 这就要求乳化液具有 更好的稳定性和防锈性. 由于传统的乳化液属于热力学不稳定体系[ 2] , 其稳定性是有条件的 , 在使用过程
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( 1 煤炭科学研究总院 测试中心 , 北京 100013; 2 大同煤业集团 永定庄分公司 , 山西 大同
摘 要 : 研究了一种新型合成液压支架用浓缩液压液 . 以水为基础液 ( 载体) 复合具有良好亲水 性的润滑剂 、乳化剂 、防锈防腐蚀剂, 形成了具有增溶作用的热力学稳定体系 ; 合成液的性能全 部高于 MT76- 2002 标准要求 ; 配方中不再使用矿物油 , 与传统乳化油相比具有稳定性更好 、成 本更低 、环境友好等特点 . 关键词 : 液压支架; 合成; 浓缩液 中图分类号 : V317 2 文献标识码: A
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配方设计和制备
配方设计 根据液压支架对液压传动液润滑、防锈、防腐蚀、密封材料相容性的要求 , 浓缩液在配方设计中需要
考虑引入相关组分, 如: 由复合润滑剂、络合剂、防锈防腐蚀剂、乳化剂、破泡剂和抑泡剂组成有效成 分, 其余部分为水; 推荐使用浓度为 5% . 由于不含基础油 , 复合的 2 种或 3 种亲水性润滑剂与乳化剂互 相增溶, 形成了热力学稳定体系, 因此稳定性大大提高; 由于使用高效的防锈防腐蚀剂 , 使整体性能都有 所提高, 没有出现稳定性提高而其他性能下降的现象 . 1 2 制备 传统乳化油是以矿物油作为基础油 , 靠乳化剂的乳化作用 , 使油基中可以带入亲油性的添加剂; 而合 成型浓缩液是以水作为基础液 ( 载体 ) , 因此, 浓缩液中提供润滑作用的润滑剂需要具有亲水性官能团, 同样 , 引入的防锈防腐剂也需要具有良好的水溶性, 这样由具有亲水性良好的润滑剂、防锈防腐剂与乳化 剂等成分组成的浓缩液才能成为热力学稳定体系 , 根据配方设计思路 , 我们合成或复配了几种主要原料. ( 1) 润滑剂的合成 将可提供润滑性质的油性物质与亲水性物质合成 , 使其成为具有亲水性官能团的 润滑剂, 制备过程: 植 物油 A 升 温至 80 , 加入胺类 化合物以 适当比例 混合搅拌 , 升温 到 130~ 140 下进行合成反应, 产物为黏稠状液体 , 既有润滑性 , 又有良好的亲水性 , 同时又是十分有效的黑色 金属防锈剂 . ! 植物油 B+ 水在硫酸的作用下 , 生成不饱和脂肪酸+ 多元醇, 静置分去多元醇 ; 不饱和 脂肪酸 + 单元醇在硫酸的作用下, 生成不饱和脂肪酸酯 + 水 ; 不饱和脂肪酸酯磺化 , 静置分去下层废酸, 废酸须经碱中和 ; 将产物中和至 pH= 7 0~ 7 5 即可 . ∀ 植物油 C+ 碱性化合物 + 水搅拌 , 升温至 95 行化学反应 , 反应过程中控制 pH 值 , 反应终了时 pH= 9. ( 2) 复合乳化剂 增溶的目的在于使浓缩液及稀释液中的各种添 加剂溶解程度增大, 具有优异的稳定性. 单态增溶模型[ 5] 如图 1 所示 . 被增溶物分子在胶束 # 栅栏∃ 之间, 即 非极性碳氢链插 入胶束内部 , 极性头处于表面活性剂极性基之间 , 通过氢键或偶极子相互作用联系 起来 . 当极性有机物的烃链 较大时, 极 性分子插入胶束 的程度增大 , 甚至极性基也被拉入胶束内 , 这种增溶方式如图 1 ( a) 所示. 具有聚 氧乙烯基非离子表面活性剂的增溶方式如图 1 ( b) 所示, 被增溶物包 藏于胶束 外层的 聚氧乙烯 的亲水链 中, 图 1 ( b) 的增溶 量大 于图 1 ( a) . 本试验中, 将带有乙氧基官能团 ( 聚氧乙烯基) 的乳化剂与聚乙二醇失水山梨醇硬脂酸酯、醇胺类化 合物以适当比例复配而成 , 具有上述 2 种增溶效果 .
收稿日期 : 2003- 09- 05 作者简介 : 许海霞 ( 1972- ) , 女 , 山西阳泉人 , 工程师 . Tel: 010- 84262766
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中仍有一定的油皂析出, 造成滤网阻塞 , 需要时常清洗滤网; 而这些析出的油皂与煤尘结合形成很难清洗 的黏稠物, 通常会给现场使用造成许多麻烦 ; 而对电液控制系统则会堵塞其过滤组件. 多年来, 广大科技 工作者为了提高液压支架乳化液的稳定性进行了许多有益的研究 , 如 : 有人曾提出选用可以形成 O/ W 型 微乳液的乳化油配制液压支架乳化液, 以解决矿井水配制乳化液时稳定性差的问题 [ 3] . 但是 , 从实际使用 情况看 , 用微乳液作液压支架乳化液稳定性较好, 但防锈性较差 ; 同时也没有解决油基黏度偏大的问 题. 另外, 目前使用的乳化液 ( 包括所谓微乳液 ) 还存在污染水资源的缺陷 , 乳化液泄漏和废弃排放后, 遇到各种复杂情况会不断自行破乳 , 使矿物油游离出来, 矿物油性能较为稳定 , 成为主要污染成分, 污染 环境 , 特别是污染井下水资源 . 因此, 解决乳化液污染环境问题也迫在眉睫. 为了提高液压支架液压液的综合性能, 笔者开发了一种新型合成液压支架液压液, 其综合性能不仅具 有比传统乳化油更优越的特点 , 且由于配方中不再含有矿物油 , 环境友好 , 这种新型合成液压支架浓缩液 可以作为洁净型液压液使用, 意义重大 .
Study on the newly type of synthetically concentrate hydraulic fluid used in powered support
XU Hai xia 1, WANG Yi min1 , YAO Yuan shu2, HAN Yong1
( 1 Test Center , China Coal Research Institute, Beij ing 100013, China; 2 Yongdingzhuang Branch , Datong Mining Group , Datong 037024, China )
图 1 单态增溶模 型 Fig 1 Single solubilization model
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许海霞等 : 新型合成液压支架用浓缩液的研究
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( 3) 复合防锈防腐蚀剂 防锈防腐蚀剂 ( 缓蚀剂) 是指那些加入微量或少量的这类物质可使金属材料 在该介质中的腐蚀速度明显降低直至为零. 由于这类物质具有协同效应增加缓蚀效果[ 6] , 在实际研究和应 用中往往不是单一组分, 而是多组分的复配 , 甚至需要合成一些带有特定官能团的缓蚀剂, 充分利用协同 作用 . 在试验中, 笔者合成了三乙醇胺羧酸盐类化合物 , 将对黑色和有色金属具有特效的三乙醇胺羧酸盐类 及唑类化合物与其它防锈防腐蚀剂以适当比例复配, 具有显著的协同效应 , 提高了防锈防腐蚀作用. ( 4) 水处理 由于配方中需添加水作为载体, 为保证浓缩液的贮存稳定性, 需对水进行软化处理, 因 此使用 EDTA 的钠盐进行水处理, 以消除硬水中 Ca 2+ , Mg 2+ 及其它有害离子的影响. ( 5) 破泡剂抑泡剂的筛选 消泡剂可分为破泡剂和抑泡剂. 破泡剂是加入到已经形成了的泡沫中, 使 泡沫破灭的添加剂, 如低级醇、山梨糖醇酐脂肪酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯等 . 抑泡剂是发泡前 预先添加而阻止发泡的添加剂 , 聚醚及有机硅等属于抑泡剂. 实际上, 两 者的使用方法和性质相似, 尚未发现只能破泡而不能抑泡的消泡剂 , 也 未发现只能抑泡而不能破泡的消泡剂 [ 7] . 消泡机理是在起泡液中分散的 消泡剂颗粒 , 随着泡沫变薄的过程, 暴露在泡膜表面, 因消泡颗粒表面 张力 比泡膜液低 , 该处受到周围 的拉伸、牵引 , 不断变薄 , 最后破 裂. 局部降低泡膜表面张力的消泡作用如图 2 所示 . 试验中 , 在基础配方的合成型浓缩液中分别加入一定量的单一和复 合破泡剂抑泡剂 , 用人工硬水按 5% 稀释成稀释液, 将稀释液倒入 100 mL 具塞量筒中 , 使液面在 70 mL 处 , 盖好塞, 上下摇动1 min, 摇动距离 1/ 3 张力的消泡作用 m, 摇动频次 100~ 120 次 / min. 静置 10 min, 评价消泡程度和消泡时间, Fig 2 Defoaming function of reducing 选取最佳配伍组合及添加量. surface tension of membrane partly ( 6) 浓缩液制备 合成型液压支架用浓缩液的制备过程 : 将预先合成 的复合润滑剂加入到事先用络合剂处理过的水中 , 依次加入复合防锈防腐蚀剂、复合乳化剂 , 开动搅拌加 热至 80 , 使各种添加剂充分需经溶解; 然后冷却至 40 以下后加入抑泡剂、破泡剂 , 搅拌均匀后需经 10 m 过滤机过滤即得到成品 . 该合成型浓缩液压液按照相应的配液用水的硬度可以分成 % 型和 & 型, 其 中 % 型适用于相当于 500 ( 质量分数, ∋ 10 分数 , ∋ 10- 6 ) 的人工硬水或以下的水质. 1 3 环境友好性 国外乳化油的使用浓度为 3% ~ 5% , 由于工业发达的欧美国家非常重视环保 , 因此对高水基液压流 体的环保性能要求很严, 不具备环境友好性的液压流体禁止在井下使用. 从减少对环境污染角度出发 , 美 国好富顿公司近年来推出了 120B 及 120M 型高水基液压浓缩液 , 建议使用浓度为 5% , 这类合成型液压浓 缩液不含矿 物油 , 且可生 物降解 , 因而 污染程 度大 大减 轻, 其 不足 之处是 价格 昂贵 , 市场 售价 高达 24 500 元/ t , 在我国煤矿难于推广 . 德国 BECHEM 公司出品的 HYDROSTAR HEP 46 为可生物降解的液压流 体, 21 d 后 , 降解程度达到 94 74% . 德国福斯公司、德润宝公司也有可生物降解的液压流体产品 , 同样, 他们共同的缺点是价格昂贵. 目前 , 我国尚无可生物降解类液压液产品的报道 . 笔者研究的新型合成型液压浓缩液 , 其配方中所用的润滑剂由自己合成, 采用植物油为原料 , 原料具 有可再生性及可生物降解性, 易于为环境接受及自然降解 , 因此浓缩液具有环境友好性 .
第 29 卷第 4 期 2004 年 8月
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Vol. 29 No. 4 Aug. 2004
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
文章编号 : 0253- 9993( 2004) 04- 0487- 05
新型合成液压支架用浓缩液的研究
许海霞 , 王义民 , 姚元书 , 韩
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