生物基润滑油你知道多少？

■ 钱伯章

作为石油基产品的替代，可生物降解润滑剂最大的特点是可生物降解，发生泄漏后对环境影响较少。它们可以是无毒的，这在一定程度上减少了对与之接触的操作员、动物或植物的危害。它们又是可再生的能源，从而减少对了化石能源的依赖。

近年来，由于环境执法机构对石油、润滑油泄漏增加了压力和支出成本，许多设备运营商正在使用或考虑使用对环境更安全的润滑产品，生物基和可生物降解的润滑油越来越受到关注。

生物基润滑油的认定标准

为了帮助分析润滑油对环境的危害程度，克莱恩公司(Kline & Co)考虑到3个标准：生物降解性、生物来源和低毒性。满足其中任何一个条件的产品，基本上都可认为是生物润滑油。

在自然状态下，润滑油在28天内的生物降解能力只要达到60%即可被认为有生物降性。生物降解性通过一些组织，如OECD(经合组织)、ASTM(美国材料与试验协会)、ISO(国际标准化组织)的测试来衡量。

分析润滑油是否对环境无毒，可以通过OECD或ASTM测试来测量：ASTM D5864标准指南用于测定润滑油或其组分的需氧水中生物降解性；ASTM D6006标准指南用于测定评价液压液的生物降解性；ASTM D6139用以测定润滑油或其组分的需氧水中生物降解性；ASTM D6866可准确区分生物基润滑油和普通石化润滑油。如果润滑油是混合产品，ASTM D6866同样可以准确测量出其生物基的百分比。

生物基润滑油基质来源较多，它们的共同点是易于生物降解。也就是说，经ASTM D5864可生物降解性试验测定，在28天内，其可生物降解性在60%以上。石油基液压液是不可生物降解的(28天内＜30%)，也不具有固有的生物可降解性(28天内30%＜X＜59%，X为生物可降解性）。

生物来源指润滑油生物基碳要超过25%。根据ASTM测试衡量，油菜籽、大豆、向日葵、棕榈、椰子和纤维素糖等都可以作为生物基原料。

生物基润滑油的特点

早期的生物基润滑产品在性能方面与化学、石油基的润滑产品类似，但不符合工业性能要求。然而，在前十年，随着植物基原料性能和配方、经验的改进，生物可降解润滑油的性能与石油基产品相似，甚至更好。

生物基产品原料多数是无毒的化学品，如硫酸盐(锌、钙)以及其他重金属，经配制后也几乎是无毒的。以ASTM无毒性标准反复测量，其毒性要比石油基产品低5～10倍。石油润滑剂中的锌、钙等添加剂被认为是有毒的，而且还会杀死帮助石油生物降解的微生物，使润滑油更难降解。一些特定的、有生物降解性的石油润滑剂是无灰添加剂体系，毒性低于石油基润滑剂。但这类润滑剂仍有石油基不易降解的特性，它们在环境中将持续存在数月或数年，污染水源，危害野生动植物，甚至危害生态系统。

此外，石油产品一般含有芳香烃和带环的烃类，这些烃类会使得水表面产生彩虹似的光泽。生物基产品不含有芳香烃，因此克服了这一现象。加氢处理过的石油产品也会去除多数芳烃，可能不会产生光泽，但仍会危害水表面，伤害野生动物和生态系统，这有别于生物基产品。

润滑油对生物基的要求

美国农场安全和农村投资法(FSRIA或农场法案)于2002年签署了法律。这一立法的目的是使政府增加采购和使用生物基产品。根据这项立法，美国农业部(USDA)要求选择指定首选的相关产品，对推荐的生物基产品及其最低生物基含量做出了规定(表1)。

表1 美国政府指定的最低生物基含量

尽管美国要求要有最低的生物基含量水平，但一些高性能植物基产品中生物基的含量大于90%。因此，它们会很容易(快速)被生物降解。

植物基润滑油的影响因素

早期的植物基润滑油，以植物基油作为基础油，其余的与石油润滑油相同。因为植物油特征与石油大不同，这一方法不是很有效。

植物油必须按其各自的特性进行配方，一些性价比良好的植物基产品已推向市场。大多数植物基润滑剂的最高工作温度为140°F，有的甚至可以高达220°F，也有一些产品在-30°F也能流动。

使用生物基液体需要特别留意，以最大限度地提高其使用寿命。一是所有的甘油三酯植物基润滑剂都会受到温度的限制，多数植物基润滑剂可提供良好的温度性能，使用温度可低至30°F。二是润滑剂应避免进入水分，因为多数生物基产品容易被水解、酸化，使添加剂沉淀，并造成氧化不稳定。不过，现在已经改善的植物基原料，包括使用低油酸的菜籽油类、高油酸的大豆以及使用改进的低温蓖麻油、改进的添加剂化学和配方技术等，都可以开发出性能类似或优于常规石油基液体的可生物降解产品。

植物油和其他脂肪都是甘油三酯，它们基本上都是脂肪酸和甘油的三酯，可溶于大多数有机溶剂，但不溶于极性物质，如水中。它们可以有宽范围的脂肪酸分布，但最常用的植物油是C18油酸或亚油酸。这些酸的比例取决于植物的类型、生长的季节和地理分布。这些因素可以影响植物基润滑油产品的性能，如氧化稳定性、冷流动性、水解稳定性和其他性能。例如，油酸含量越高，氧化稳定性越好，但倾点越高(这是不好的)。

图1 PDSC氧化稳定性

植物油油酸含量越高，其氧化稳定性就越好(图1)。压差扫描量热法(PDSC)经常用来评价润滑剂和基础流体的薄层氧化性能。该试验可在几分钟内测出诱导时间，时间越长、氧化稳定性越好。

早期使用功能添加剂的植物油配方，类似于石油基液体使用的添加剂配方。在大多数情况下，石油是非极性的，而甘油三酯是高极性的，所以利用典型的添加剂包，必须使用增溶剂。使用没有金属的添加剂包，如无灰添加剂，在植物油中可较多地被溶解。

大多数的添加剂包是为石油基润滑油设计的，仅仅面向植物油使用的很少。为了从植物油制取高性能的流体，必须利用清洁方案，流体设计必须符合特定的基础液特征，以及最终产品的特定要求。某些典型的石油添加剂在植物油中也是有效的。

植物油有高的溶解水平，也可作为清净剂应用。当试图提升清净剂性能时，应避免使用酚盐和磺酸盐。酚盐和磺酸基官能团本身没有问题，但石油清净剂添加剂通常连接有重金属，如钙、钠和钡，对环境有很强的毒性。特定的无金属的酚盐和磺酸盐已被用作密封防护材料，某些类别的酚盐可改善天然油脂的热稳定性，某些磺酸盐具有额外的抑制腐蚀效能。

硫磷酸酯、磷酸酯具有清净和抗磨效果。低量的磷酸盐和磷酸酯已成功地用于植物基产品中，且对环保性能无不良影响。不过，这些添加剂及其效果在植物基润滑剂配方中的价值有限，因为植物油自身拥有足够的清净和抗磨能力，不需要再进行补充。

2014年3月中旬，在伦敦召开的世界基础油和润滑油会议指出，生物基润滑油将作为生物制品或可再生农业材料的全部或重要的组成部分。然而，生物基润滑油只占到全球销售3 9 0 0 万吨成品润滑油的1%～2%，生物基润滑油约70%是在北美被消费的。

从历史上看，生物其润滑油的生产成本远高于传统润滑油。因此，应用典型的生物基润滑油时，应将注意力集中在某些认为不可回收的特定领域。如果成本下降，生物基润滑油的需求将会大幅增长。