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

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，已成为术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。

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

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。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。

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

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%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

植物油是最早被作为切削液使用的基础油之一。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。

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

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。

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

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

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、含硫硼酸酯、二乙醇酰胺油酸硼酸酯、复合硼酸酯防锈剂以及有机硼化合物SW-2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。

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。

2.2 防锈剂

防锈剂主要有水溶性和油溶性两大类。水溶性添加剂有亚硝酸钠、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。

目前，防锈添加剂研究主要集中在钼酸盐、硼酸酯和羧酸醇酰胺的复配、磷酸酯和羧酸的复配、马来海松酸醇酰胺、环己六醇六磷酸酯、丙烯酸聚合物等。

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Ⅱ向其进一步推广使用；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。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10HD～1000μg/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。

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，南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。

3 切削液发展趋势

近年来，金属切削液的绿色环保作用日益得到人们的认可和重视。绿色环保型金属切削液的研究、开发和应用已经成为机械行业的重要方向。我国正处于绿色金属切削液开发的起步和发展阶段，未来的配方发展趋势包括以下两方面。

（1）在基础油方面，植物油以其良好的润滑性、优异的可生物降解性能和可持续生产性替代矿物油，是当前环保型切削液发展的主流趋势。

（2）在添加剂方面，主要表现为替代氯化石蜡和降低有机胺和含磷化合物的添加量，氯化石蜡作为极压抗磨剂用于切削液组分，由于存在致癌风险和后处理污染环境等缺点，替代该物质已成为未来的发展趋势，降低有机胺和含磷化合物的添加量有助于减轻该类物质导致水体污染和富营养化的风险，因此，使用无氯、低磷、低氮已成为未来环保切削液的发展方向。