矿用高效超浓缩支架液压液的研制及性能评测

侯 建 涛

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 矿用材料分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

0 引 言

近年来，煤矿存在传动介质降低额定使用浓度的现象[1]，使得传动介质防护效果降低，造成支架锈蚀、磨损等，进而影响安全生产。为了保证自动化采煤的连续、安全、高效运行，支架传动介质的技术性能须进一步提升[2]。

国外奎克、福斯、斯图阿特和倍可等水基液压液产品的生产商，产品的重点研究方向是环境友好、应用浓度较低等方面，先后报道了2%甚至更低使用浓度的高含水液压液产品[3]。在我国，大部分传动介质的使用浓度为4%～5%，而使用浓度为1%～2%的高效超浓缩支架传动介质鲜有报道[4-9]。同时，传动介质在运行过程中易发生跑、冒、滴、漏现象，加之工作废液无净化而全部直接井下排放，极易污染环境，随着支架传动介质用量的急剧提升，产品废液的排放已成为煤矿面临的重大问题。即矿用高效超浓缩支架液压液可用于提高支架传动介质性能、降低额定使用浓度以及减少工作废液有机物的排放。因此，开发出高效、超浓缩的液压传动介质，对保障液压支架的安全运行且减少环境排放方面意义重大，符合国家环保发展方向。

1 高效超浓缩支架液压液设计要求

液压支架传动介质需具备润滑性、防锈性、稳定性等多种性能，业内产品一般由相应功能的添加剂与水调和反应制得[10]。额定使用浓度降低，使用性能不变，母液配方的有效成分含量必然成倍增加，对应的溶剂占比减少，从而导致产品体系不平衡而分层或溶质无法溶解，上述根本矛盾制约了传动介质的超浓缩化。因此，矿用超浓缩支架液压液的设计，关键在于润滑、防锈等核心添加剂的多功能化、高效化，以减少添加剂加入量。

水溶性分子设计和改性是现代水基添加剂的研究热点[11],因此可通过添加剂合成改性，实现传动介质基础助剂的多功能化、高效化、绿色化。水基润滑添加剂有磺化蓖麻油、脂肪酸酯、油酸酰胺、长碳链羧酸盐等，有机羧酸衍生物来源广泛，制备简易，因此越来越受到人们的重视和企业的青睐[12]。笔者选用氨基酸类衍生物进行研究，利用化学反应在氨基酸分子接入有机羧酸链从而制得酰基氨基酸醇胺盐，以实现传动介质核心助剂的高效多功能。

2 多功能酰基氨基酸醇胺盐合成

对于有机羧酸衍生物，含有-COO-,-NHCO-等强极性基团的有机添加剂分子都具有较好的防锈性[13]，不低于十二个碳的长碳链羧酸具有较好的润滑性[14]，因此笔者选择具有防锈、络合功能的谷氨酸与具有润滑性的长碳链月桂酸，利用化学反应合成制得月桂酰基谷氨酸，再与二乙醇胺中和改性，制得水溶性多功能添加剂月桂酰基谷氨酸醇胺盐。

反应利用肖顿-鲍曼缩合方法[15]:先将月桂酸加热熔化，滴加过量的SOCl2，得到月桂酸酰氯，将谷氨酸和氢氧化钠中和，加入丙酮溶剂，在冰水浴、碱性条件下，滴加月桂酸酰氯进行反应，后用硫酸酸化，析出的固体产物经抽滤、水洗、干燥后得到月桂酰基谷氨酸，再与二乙醇胺中和，制得月桂酰基谷氨酸醇胺盐。

其反应式如下:

为减少副产物生成，需控制反应的pH值在碱性条件下，月桂酰谷氨酸合成时反应液不同pH值的收率如图1所示。由图1可知，当pH值为8～10时，反应的产率为最高。

图1 不同pH值条件下月桂酰谷氨酸的收率Fig.1 Yield of lauroylglutamic acid at different pH values

笔者选用硬度500 mg/L人工硬水，配制0.5%(质量分数)溶液，比较了月桂酰基谷氨酸醇胺盐及与业内常规添加剂性能，其中稳定性采用目测外观，防锈性选用铸铁点滴试验方法(下同)，润滑性选用四球试验机评价，以最大无卡咬负荷(PB值)表征，即PB值越高则润滑性越好，结果见表1。

表1 月桂酰基谷氨酸醇胺盐与常规添加剂性能比对试验结果Table 1 Performance comparison test results of lauroyl glutamate ethanolamine salt and conventional additives in the industry

业内常规添加剂的性能较为单一。常用的防锈剂如亚硝酸盐及短于十二碳的多元羧酸，缓蚀性能优异，而润滑性差。十二碳以上羧酸盐虽润滑性良好，但耐硬水能力变弱，易与硬水中的钙镁离子形成不溶性皂类析出，如支架传动介质常规助剂油酸醇胺盐具有较好的润滑性，但其硬水溶液析皂且防锈性弱。由表1可知，合成的月桂酰基谷氨酸醇胺盐，与业内常规添加剂相比，既具有优异的缓蚀性能，润滑性与常规润滑剂油酸醇胺盐水平接近，同时抗硬水能力优异，无沉淀和析皂现象，是优良的多功能添加剂。该合成物含两亲分子，具有乳化能力，含有易于生物降解的酰胺键，对环境友好，因此月桂酰基谷氨酸醇胺盐属于环境友好的多功能水基添加剂。

做为液压支架转动介质，密封材料相容性同样是重要的评测指标[16]。笔者选用去离子水配液，考察月桂酰基谷氨酸醇胺盐对密封材料的影响大小。试验条件如下:质量浓度1%，试验时间168 h，温度70 ℃，试件为丁晴橡胶。结果显示，丁晴橡胶的体积变化率仅为1.53%，符合行业标准要求的体积变化率0%～6%范围。

3 辅助添加剂研究

3.1 金属缓蚀剂复配

防锈性是液压支架传动介质的重要控制指标，缓蚀剂的作用机理是在金属表面形成牢固致密的保护膜，构成对基体金属的保护。现有水溶性防锈剂主要分为无机防锈剂和有机防锈剂两大类，防锈剂复配使用，具有协同效应，与单独使用相比，能大幅提高防锈性能且降低使用浓度[17]。笔者选取钼酸盐、长碳链羧酸盐等防锈剂，分别与月桂酰基谷氨酸醇胺盐进行复配(质量比为1∶1)，选用铸铁点滴试验方法，定性考察了其水溶液的防锈性能，结果见表2，其中将结果分级如下:无锈蚀为Ⅰ级，锈蚀1点为Ⅱ级，依次论推锈蚀5点为Ⅵ级。

表2 不同添加剂与月桂酰基谷氨酸醇胺盐复配的锈蚀试验结果Table 2 Corrosion test results of different additives mixed with lauroylglutamate

从表2可看出，钼酸盐、癸二酸盐、十一碳二元酸盐与月桂酰基谷氨酸醇胺盐复配均具有良好的缓蚀能力，质量浓度0.5%铸铁试件即无锈蚀。其中癸二酸来源广泛，价格适中，可与月桂酰基谷氨酸醇胺盐协同用于黑色金属防锈。

依据MT/T 76—2011技术要求，支架传动介质具有对黑色金属缓蚀能力，同时应具有对有色金属特别是铜金属的缓蚀能力，行业内铜的缓蚀大多选用特效添加剂苯骈三氮唑。笔者选用人工盐水配液，参照MT/T 76—2011 防腐蚀试验方法，进行了癸二酸盐、月桂酰基谷氨酸醇胺盐与苯骈三氮唑复配后的钢棒及铜棒腐蚀试验，结果显示钢棒及铜棒试件无锈蚀、无色变。因而，癸二酸盐、月桂酰基谷氨酸醇胺盐与苯骈三氮唑协同，可提高传动介质对黑色金属、有色金属的缓蚀性能。

3.2 抑菌剂筛选

煤矿井下工况复杂，又有水分和适宜的温度,环境适合微生物的滋生，传动介质在支架系统循环使用过程中，泵站供液系统、矿井水、系统内杂质以及空气接触等途径均可带入微生物菌种，若不加抑制则微生物会以惊人的速度繁殖[18]，进而影响液压支架系统运行，因此抑菌性也是支架传动介质的重要控制指标。

笔者选取多种水溶性抑菌剂，同一培养基培养7 d，选用细菌测试片进行微生物测定，定性考察不同类型抑菌剂抑菌效果，结果见表3。

表3 杀菌剂抑菌试验结果Table 3 Bacteriostatic test results of bactericides

由表3可知，MBM对酵母菌、霉菌具有抑制能力，苯甲酸钠对霉菌的抑制能力较强,碳酸钠虽然对各种微生物的抑制作用较好，但其起作用主要是靠调节体系pH值实现，在支架传动介质中会造成pH值超标，而BK具有广谱高效的抑菌效果，可提升支架传动介质抑菌性能。

3.3 体系储备碱度

液压支架传动介质需配水使用且用量大，一般采用天然的矿井水配液[19]，因此，水质对传动介质性能影响极大，配液水的pH值在一定程度上会影响传动介质使用液的pH值。由于铁、铜等金属的防护对传动介质的酸碱性有着特殊的要求，因而若pH变化较大则会对金属造成一定的腐蚀[20]。

我国国土面积大，各地矿井水质存在显著差异，因此传动介质需添加pH值调节剂，在分子内部形成“储备碱度”，笔者选用醇胺类pH值调节剂，使整个体系的pH值保持在合理区间。

4 产品制备及性能评测

4.1 产品制备

笔者选用合成的月桂酰基谷氨酸醇胺盐作为润滑、防锈、乳化组分，癸二酸盐作为辅助防锈组分，结合醇胺pH值调节剂、BK抑菌剂、消泡剂，以水作为载体，利用调和反应，制得矿用超浓缩支架液压液(以下简称超浓缩液压液)，调和反应温度为40 ℃～45 ℃。

4.2 性能评测

依据煤炭行业标准MT/T 76—2011进行超浓缩液压液理化性能检测，各项指标均符合煤炭行业标准要求。试验条件:硬度500 mg/L人工硬水配液、浓度2%。将主要指标与业内代表性HFAS10-5浓缩液在额定浓度进行性能比较，结果见表4。结果显示超浓缩液压液2%浓度条件下具有良好的性能，使用浓度低，安全高效。

表4 超浓缩液压液主要性能比对结果Table 4 Main performance comparison results of super concentrated hydraulic fluid

4.3 台架试验

为研究超浓缩液压液的实际应用性能，笔者进行超浓缩液压液传动介质的千斤顶台架试验，模拟工矿条件下测试产品的使用性能。试验周期3个月，按照MT 97—1992《液压支架千斤顶技术条件》和MT/T 1164—2011《液压支架立柱、千斤顶密封件 第1部分:分类》对推移千斤顶进行检验，考查其密封性能、操作性能、保压性能。

试验结束，经比对分析，推移千斤顶保压良好无漏液，具有较好的操作性能；工作液稳定无油皂析出，千斤顶内外缸体无锈蚀，与密封件匹配度高，体积变化率仅为1.02%。超浓缩液压液性能满足要求，具有较好的应用性能。

5 结 语

(1)选用谷氨酸与长碳链月桂酸，利用化学反应合成的月桂酰基谷氨酸醇胺盐，具有优异防锈性、润滑性能，良好的耐硬水性能，易于生物降解，密封材料适应性好，属于环境友好的优良多功能水基添加剂。

(2)以制备的月桂酰基谷氨酸醇胺盐为基础，研制而得矿用超浓缩支架液压液，在配液浓度2%条件下测试，其性能指标全部符合煤炭行业标准的技术要求，使用浓度低。

(3)传动介质的千斤顶台架试验显示，超浓缩液压液工作液稳定，设备无锈蚀，与密封件匹配度高，具有较好的实际应用性能，安全高效。