合成酯在水基润滑剂中的应用

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Application of synthetic ester to water-based lubricantZHOU Bin ，CHEN Xiao-gang ，LI Song-lin -，RUI Bin ，CHEN Fa-de ，(1.Institute of Research and Design，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430073，China；2.HubeiHengxin ChemicalIndustry Co.，Ltd.，Ezhou 436070，China)Abstract To introduce application of synthetic ester to water-based lubricant.The molecular structure of synthetic estercan be designed，water-based lubricant can be prepared with the main component of synthetic ester F and emulsifying agentand other additives，after the lubricant is diluted，it is applied to water tank wet drawing circulation.After three monthswire drawing production，the adhesive property of selected sample steel cord randomly，the adhesive force of rubber brandD is 1 710.0 N，atached glue rate is 81%，the adhesive force of rubber brand S is 1 517.3 N，atached glue rate is 79%。

The lubricity and extreme pressure antiwear property of synthetic ester F water-based lubricant is good，it meets the adhe-sive property requirement of steel cord and rubber，which can replace import lubricant step by step。

Keywords synthetic ester；water-based lubricant；abrasion resistance；adhesive property；atached glue rate；steel wiredrawing；steel cord1 问题提出世界各国的原油价格整体上涨和金属加工业迅猛发展对金属加工润滑剂的需求量日益增大○属加工润滑剂是金属在加工过程中所使用的润滑冷却材料，分为油基润滑剂和水基润滑剂 2类，广泛应用在金属的拉拔、切削、冲压等各种加工过程中，并由以油基为主逐步向水基为主方向发展。

矿物油基润滑剂生物降解性差，严重污染环境，不符合环保要求。植物油基润滑剂无毒，来源广泛，具有良好的生物降解和润滑等性能 J。但天然植物油氧化稳定性和水解稳定性差 J。水基润滑剂具有安全难燃、冷却和清洗性能好等优点，能很好地满足加工生产要求和环保要求，是金属加工润滑剂的发展方向。但国内水基润滑剂产品还存在润滑性差、易腐败变质等缺点。水基润滑剂的分类见表 1。

表 1 水基润滑剂的分类Table 1 The classification of Water based lubricant合成酯是由酸和醇经过酯化反应脱水后生成的化合物，具有黏度指数高，闪点高，倾点低，低温流动性好，高温稳定性好，热氧化稳定性好，润滑性能优异，毒性极低，生物降解性能好等优点。合成酯作为第 1期 周 斌 ，等：合成酯在水基润滑剂中的应用 ·47·高性能的润滑基础组分在航空领域已得到广泛的应用，最早用作航空涡轮发动机润滑油，近年来被应用于特种内燃机润滑油中以弥补矿物油某些性能上的缺陷。在金属加工过程中，它不但可提供良好的极压润滑性能，而且能提供边界润滑所具有的强化学黏力，提供液体润滑所具有的缓冲作用 J～合成酯应用到水基润滑剂中，可以提高水基润滑剂的综合性能，有利于应用与推广；还可以节约能源，利于环保；同时合成酯的优异性能可弥补水基润滑剂的- 些不足。

2 水基润滑剂及其发展为防止钢丝和模具的磨损和黏结，必须使用水基润滑剂。水基润滑剂因具有导热系数大，冷却效果好等优点已被广泛应用于机械加工中 J。其作用在于能够很好地在拉拔钢丝与模具淖之间建立润滑膜隔离层，既能降低摩擦因数，又能使金属塑性变形容易，有效地控制拉拔时产生的摩擦热，通过减少摩擦和冷却产生的瞬时高温，间接地影响钢丝的力学性能。

水基润滑剂的配制方法是将各种添加剂和助剂按比例加入去离子水(100℃的沸水)中，在快速搅拌过程中乳化、溶解、分散成均-的液体。水基润滑剂的基本组成见表 2。

表 2 水基润滑剂的基本组成Table 2 Basic components of water-based lubricant类型 代表性成分油性剂 高级醇、脂肪酸、金属皂、蜡极压剂 硫化油脂、氯化石蜡、三烷基磷酸酯助剂 防腐剂、防锈剂、杀菌剂、消泡剂、乳化剂水基润滑剂性能的好坏，废液的处理及其难易，以及对环境空气的污染和对工人皮肤的刺激作用关键在于添加剂 6 J。添加剂是改善和提高水基润滑剂综合性能的核心材料，其中，油性剂和极压剂是主要的添加剂 J。油性剂和极压剂的作用见表 3。

水基润滑剂在极压剂和油性剂的协同作用下能发挥更好的极压抗磨性能，所以水基润滑剂中-般不是单独使用极压剂或油性剂，而是同时使用这2种添加剂。合成酯的特点符合水基润滑剂用添加剂的基本条件和要求，饮合钢帘线生产对水基润滑剂的性能要求。如果能设计合成-种合成酯，它不仅油性好，而且极压性能也出色，就可达到不同负荷下良好的极压抗磨效果；同时，它将减少水基润滑剂表 3 油性剂和极压剂的作用Table 3 The efect of oily additive andextreme-pressure additive类型 作用油性剂 襄 面形成定向吸附膜，适用于低温、低极压剂 言 蠹喜妻 应，生成化学吸附膜，复配成分的复杂性，体系稳定性较好，大幅度提高水基润滑剂的品质，所以，合成酯可能成为-种性能优良的高效润滑剂添加剂。

3 合成酯的发展及应用3.1 应用概况合成酯是随着尖端科技以及军事工业的不断发展而发展的。现今世界上的喷气发动机润滑油几乎全部使用合成酯类油。

合成酯是非天然来源的液体，其分子结构可人为设计 ，因而它的力学性质和理化性质更趋于合理。

合成酯由于自身的获得方式和结构特点而具有的优点和缺点见表4。

表4 合成酯的优点和缺点Table 4 The advantages and disadvantages ofsynthetic ester优点 缺点(1)良好的黏温性和低温流动性 ； (1)结构中含有酯基，(2)良好的高温I生和热氧化稳定性； 水解稳定性较差；(3)良好的润滑性和添加剂感受性； (2)价格偏高(为精制(4)无毒、生物降解好。 矿物油的4-12倍)。

合成酯的分子结构特征是分子中都含有酯基官能团，根据分子中的酯基数量和位置不同可以分为单酯、双酯、多元醇酯和复酯(表5)。

国内钢帘线生产企业普遍使用国外生产的水基润滑剂；国内生产的水基润滑剂以武汉工程大学研究设计院(以下称化研院)和湖北恒鑫化工有限公司(以下称恒鑫公司)开发的 HGR系列和 ZWG系列水基润滑剂为代表。根据有关科研院所的化学分析推测，市场上国内外水基润滑剂的主要成分均采用的是合成酯类 J，例如长链脂肪酸皂、多元醇酯、复酯等组分。

3.2 应用实例化研院及恒鑫公司共同研制的合成酯 F具有良好的摩擦学性能，依据GB/T 12583-1998《润滑· 48· 金 属 制 品 第 39卷单酯 以-元羧酸与-元醇反应所得的酯，其化学结构通式 ：R。

O双酯以二元羧酸与-元醇，或以二元醇与-元羧酸反应所得的酯 ，具有2个酯基，化学结构通式0 0式中R，R 为不同碳数的烷基。

R。R- 酯 R。 R，复酯由二元酸和二元醇(或多元醇)酯化成长链分子，其端基再用-元醇或-元酸酯化而得。按其分子中心结构的不同，可分为：(1)以酸为中心的复酯，O 0 0 O 人 R 。 。 R ；(2)以醇为中心的复酯，R0 0R 。

剂极压性能测定法(四球机法)》 对其进行摩擦学性能实验。

实验设备采用的是 MR-S10(G)杠杆式四球机；为了接近拉拔摩擦工况(摩擦时间短，点接触)，选择转速 1 450 r/min，温度 25℃；所用钢球为上海钢球厂生产的标准直径 12.7 film的 GCrl5二级钢球，硬度59～61 HRC。

配制合成酯 F的水溶液样品，并配制以脂肪酸酯、氧化聚乙烯蜡为主要油性剂和极压剂的水溶液样品，其摩擦性能实验数据见表6。实验编号 1～3的合成酯 F的水溶液的最大无卡咬负荷 P 值大，且长时间磨损的磨斑直径 (外力为392 N，持续时间为15min)值小，表明合成酯F的油性和极压性均很好。

将合成酯F和乳化剂、防腐剂、防锈剂等助剂按配方比例复配成水基润滑剂后，与去离子水按1：9(质量比)的比例稀释，并配制以脂肪酸酯、氧化聚乙烯蜡(质量比l：9)为主要油性剂和极压剂的水基表6 3种添加剂水溶液的摩擦学性能的实验数据Teble 6 The experimental data of tribology performance ofaqueous solution of three kinds of additives注：F为以合成酯F为体系的水溶液；A为以脂肪酸酯为体系的水溶液；B为以氧化聚乙烯蜡为体系的水溶液。

润滑剂稀释液。对上述样品进行摩擦学性能比较，实验数据见表 7。

对表7中的实验数据进行对比和分析，实验编号第1期 周 斌，等：合成酯在水基润滑剂中的应用 ·49·表 7 3种水基润滑剂(质量分数 10%稀释液)的摩擦学性能的实验数据Table 7 The experimental data of tribology performance ofthree kinds of water-based lubricant(mass fraction 10% diluent)注 ：A和 B分别是国外和国内成熟的水基润滑剂。

7-9的合成酯F润滑液的P 值大，且长时间磨损的D值小，表明合成酯 F水基润滑剂极压抗磨性能良剂感受I生，也表明合成酯F与其他乳化剂、防腐剂、防锈剂等助剂按-定比例复配后具有较好的协同效应。

生产应用性能的好坏最能验证水基润滑剂的成败，也最能证明所选用润滑添加剂性能的好坏 。

润滑工作液各项指标的检测和维护是延长其使用寿命的重要措施。

生产应用设备和条件：生产设备采用的是国产TB4型水箱拉丝机，21～25模，拉拔速度为 lO-14m/s；国产硫化机和拉力试验机，胶料采用牌号 D和S；原料为 72，82A和 90A镀黄铜钢丝；钢帘线选用3 X0.206 X0.35HT结构。

将合成酯 F作为主要组分与乳化剂及其他助剂按- 定比例配制成水基润滑剂，将所配制的水基润滑剂用去离子水稀释为质量分数 10%的润滑工作液，在大槽和多台水箱拉丝机的连通系统中进行湿式拉拔大循环。整个大循环的温度控制在35-45℃，当大系统超温时，启动冷却塔进行控温。在正常生产的拉拔速度好。同时，表明水基润滑剂对合成酯F有良好的添加 条件下，润滑工作液的日常维护数据见表8。

. 表 8 合成酯 F水基润滑液的日常维护数据Table 8 The daily maintenance data of water-based lubricant of synthetic ester F注：pH要求控制在8.3～9.3； (固)是润滑液的固体质量分数；细菌含量要求小于10 个/mL；金属离子质量浓度控制要求为p(Cu )<0.8 g/L，p(Zn )<0.5 g/L。

表8中的统计数据显示，与钢帘线生产过程中各项维护指标的控制要求进行对比分析，表明合成酯 F润滑剂为期 12周的生产状况是稳定 的、正常的。通常在实际使用过程中，建议每3个月对大槽中的润滑工作液进行更换。

经过 3个月的拉丝生产，随机抽样选取部分钢帘线，参照GB 3513-2001《硫化橡胶与单根钢丝黏合力的测定抽出法》 进行黏合性能的测定，见表9-表12。表9、表10钢帘线结构为3 X 0.206 X0.35HT，胶料牌号为 D，测试条件温度为 158 oC，时间为40 min，模具尺寸为 25 cm，黏合力 ≥l 100 N，附胶率≥75%；表ll、表12钢帘线结构为3×0.206×0.35HT，胶料牌号为S，测试条件温度为 158 oC，时间为40 min，模具尺寸为25 cm，黏合力≥1 250 N，附胶率I>70%。

表 9 润滑剂 A的黏合性能数据Table 9 The adhesive performance data ofwater-based Iubricant A注：平均黏合力为1 601.2 N，平均附胶率为85%。

对实验数据进行对比和分析，经过合成酯 F水基润滑剂拉拔的3×0.206×0.35HT结构的钢帘· 50· 金 属 制 品 第 39卷表 10 合成酯 F润滑剂的黏合性能数据Table 10 The adhesive performance data of1water-based ubricant of synthetic ester F注：平均黏合力为1 710.0 N，平均附胶率为81%。

表 11 润滑剂 A的黏合性能数据Table 1 1 The adhesive performance data ofwater.based lubricant A注：平均黏合力为 l 392.7 N，平均附胶率为 77%。

表 12 合成酯 F润滑剂的黏合性能数据Table 12 The adhesive performance data ofwater-based lubricant of synthetic ester F注：平均黏合力为 1 517.3 N，平均附胶率为79%。

帘线与牌号 D胶料的黏合力为1 710.0 N，附胶率为81%；与牌号 s的黏合力为 1 517.3 N，附胶率为79%。表明合成酯F水基润滑剂润滑性能良好，能够同时满足钢帘线与橡胶的黏合性能要求，且不比国外水基润滑剂 A差，取得良好的生产应用效果。

对润滑工作液进行定期排放和更换将更利于润滑液的长期稳定，将达到最佳生产应用效果。

4 结论合成酯 F具备油性剂和极压剂的双重功能，将其应用于水基润滑剂中可提高钢帘线与轮胎橡胶的黏合性能。从国内水基润滑剂产品匮乏的现状出发，将合成酯 F应用于钢帘线水基润滑剂领域，拓展了合成酯的应用领域和范围，有望开发出国产优良的钢帘线水基润滑剂产品，不再依赖于进口，创造良好的社会与经济效益。