环境友好水基防锈润滑添加剂的合成及性能研究

宋扬扬，杨振华，任 蕊，吴 珉，刘 军

（1.陕西省石油化工研究设计院，陕西 西安 710054；2.延长石油（集团）有限责任公司蟠龙采油厂，陕西 延安 716000）

环境友好水基防锈润滑添加剂的合成及性能研究

宋扬扬1，杨振华2，任 蕊1，吴 珉1，刘 军1

（1.陕西省石油化工研究设计院，陕西 西安 710054；2.延长石油（集团）有限责任公司蟠龙采油厂，陕西 延安 716000）

摘 要：辛酸酰氯和天门冬氨酸在碱性溶液中反应制备N-辛酰天门冬氨酸，再与三乙醇胺反应得到N-辛酰天门冬氨酸三乙醇胺盐。采用单片防锈测试法和四球磨损试验机分别测试了不同浓度下的防锈性和抗磨性，结果表明，当N-辛酰天门冬氨酸三乙醇胺盐添加量为2.0%时，其水溶液具备良好的防锈性能，当添加量为0.2%时，具备良好的抗磨性。

关键词：水基防锈剂；水基润滑剂；N-辛酰天门冬氨酸

中国版的“工业4.0”规划-“中国制造-2025”文件的出台让机械制造业迎来新的10年发展。随着科技的发展，环保意识的增强，切削液的负面影响开始受到关注。有研究表明［1-3］，切削液废液的排放对环境和人体有较大的伤害。水基切削液凭借其优异的冷却清洗性、低污染、低成本等特性，逐渐替代了油性切削液，在机械加工中得到广泛应用。随着切削工艺、切削材料的不断发展创新，目前的水基添加剂已难以满足实际应用需求［4-7］。现代水基添加剂的发展趋势将是绿色化、高效化、多功能化，这就要求我们的添加剂既要具备高效的防锈润滑性，还要环境友好，符合“可持续发展”的要求。

N-酰基氨基酸类化合物是一种以有机脂肪酸和氨基酸反应得到的酰胺类化合物，此类化合物中的酰胺键易于生物降解，降解产物无毒，对环境友好，并因其优异的化学性能，广泛应用于农业、石油开采、日用化学品等领域［8-10］，在防锈润滑方面报道较少。本文选择天门冬氨酸与辛酰氯反应制备得到N-辛酰天门冬氨酸，再和三乙醇胺反应得到目标产物N-辛酰天门冬氨酸三乙醇胺盐，并进一步考察其防锈性能和摩擦学性能。

1 实验部分

1.1 实验材料

正辛酸，三乙醇胺，二氯亚砜，天门冬氨酸，所述试剂均为市售化学纯。

1.2 实验方法

1.2.1 防锈性能测试

按照GB 6144-2010中规定的方法，进行添加剂防锈性能的测试。锈蚀测试方法主要有单片防锈试验法、叠片防锈试验法和铁屑防锈试验法3种。本课题选用单片防锈试验方法。参考GB 6144-2010方法，试验温度（35±1）℃，相对湿度≥95%。试片为柱形一级灰口铸铁（35mm×20mm）。将试片磨光，再用脱脂棉蘸丙酮擦洗并吹干。磨光面滴入相应液滴，置于恒温恒湿箱中，开始计时，到液滴边缘出现明显锈点时为止，所经时间作为该试样的防锈时间。

1.2.2 摩擦学性能测试

采用MS-10J型四球摩擦磨损试验机测试摩擦磨损性能。四球试验所用的钢球为直径12.7mm的CGr钢球，试验之前用石油醚清洗2次。评测条件为：转速1200r·min-1，室温，载荷392N，测试时间30min。

1.3 添加剂的合成

1.3.1 N-辛酰天门冬氨酸的制备

将正辛酸与二氯亚砜按照摩尔比1∶1.2混合，加热回流4h，减压蒸去过量的二氯亚砜，得到油状物辛酰氯，无需处理，直接将天门冬氨酸的碱性溶液加入到反应瓶，室温反应，控制反应液pH为10，反应3h。冷却，稀硫酸调至酸性，分液，油层洗涤2～3次，得到目标物质N-辛酰天门冬氨酸。反应合成路线图如下所示：

1.3.2 N-辛酰天门冬氨酸三乙醇胺盐的制备

将目标化合物N-辛酰天门冬氨酸与三乙醇胺按照摩尔比1∶6混合，80℃反应1h，反应液变得澄清，则为N-辛酰天门冬氨酸三乙醇胺盐。合成路线图如下：

2 结果与讨论

将N-辛酰天门冬氨酸三乙醇胺盐与纯净水分别配置为0.1%、0.2%、0.4%、0.8%、2.0%、3.0%、5.0%的水溶液进行性能测试。

2.1 防锈性能测试

表1是不同浓度下的防锈性能。由表1可知，随着添加剂含量增加，水溶液的防锈性能增加。当添加质量分数为2.0% 时，一级灰口铸铁在潮湿箱中48 h不生锈，达到国家标准GB 6144-2010。说明当N-辛酰天门冬氨酸三乙醇胺盐添加量为2.0%时，其水溶液具备良好的防锈性能。

表1 不同浓度下的防锈性能Table1 Variation of anti-rust time of different concentrations

2.2 摩擦磨损性能测试

表2的数据为载荷392N，30min的摩擦系数和钢球表面磨斑直径（WSD值）随不同质量分数的辛酰基天门冬氨酸三乙醇胺盐水溶液变化的关系。我们发现自来水在392N、30min的WSD值为2.01mm，摩擦系数为1.00。由表2可知，随着添加剂质量分数的增加，抗磨性能增加，润滑性能优异。当添加剂含量为0.1%时摩擦系数降低89%，磨斑直径降低82%，表现出很好的抗磨和减摩特性。所以N-辛酰基天门冬氨酸三乙醇胺盐作为水基润滑添加剂可有效地改善样品的摩擦磨损性能。

表2 不同浓度下的摩擦磨损性能Table1 Variation of anti-rust time of different concentrations

3 结论

本文合成的N-辛酰天门冬氨酸三乙醇胺盐水基添加剂具有较好的防锈和润滑性能。当N-辛酰天门冬氨酸三乙醇胺盐添加量为2.0%时，其水溶液具备良好的防锈性能，当添加量为0.1%时，具备良好的抗磨性。该类化合物中含有的极性基团，可使其吸附在金属表面，形成特有的保护薄膜。同样该类化合物可生物降解，降解产物对环境基本无害。因此，我们认为该类物质可以作为水基防锈润滑添加剂使用。

参考文献：

［1]方建华.环境友好的水基磨削液配方［J］.合成润滑材料，2005，32（2）：52-53.

［2]吴志桥，辛田，韩生.绿色环保型金属切削液研究进展［J］.上海化工，2011，36（8）：29-33.

［3]杨改霞.光学加工用水基润滑冷却液中防锈添加剂的研究［J］.材料研究与应用，2012（2）：118-120.

［4]蒋海珍，陶德华，王彬.水溶性有机羧酸醇铵盐防锈剂的分子结构与性能关系的研究［J］.润滑与密封，2005（2）：72-74.

［5]薛守庆.环保型磷酸酯型水基防锈剂的研制［J］.科学技术与工程，2012（18）：4487-4490.

［6]OSBORNE P, BOWCHER P B. Green solutions for aluminum rolling［J］. Metal&Mining, 2009（1）： 58-61.

［7]高健，戴跃玲，杨洪波.复配型水基乳化液的研制［J］.化学与黏合，2012，34（2）：46-48.

中图分类号：TG 174.42

文献标识码：A

文章编号：1671-9905（2016）01-0006-03

作者简介：宋扬扬（1985-），男，汉族，山西晋城人，陕西省石油化工研究设计院助理工程师，硕士，从事精细化学品的研究与开发。电话：029-85542645，13609263784

收稿日期：2015-11-29

Synthesis and Properties of Environmentally Friendly Water-based Rust Lubricant

SONG Yang-yang1， YANG Zhen-hua2， REN Rui1， WU Minmin1， LIU Jun1
（1.Shaanxi Research Design Institute of Petroleum and Chemical Industry， Xi'an 710054， China； 2.Shaanxi Yanchang Petroleum （Group） Co. Ltd.， Yan'an 716000， China）

Abstract：N-octanoyl aspartic acid was prepared by reaction of aspartate and octanoyl chloride. Then N-octanoyl aspartic acid reacted with triethanolamine to get N-octanoyl aspartic acid triethanolamine salt. The rust resistance and abrasion resistance of different concentrations were tested by cast iron and the four-ball machine. The solution with 2.0% N-octanoyl aspartic acid triethanolamine salt showed the best corrosion protection，and with 0.2% showed the best lubrication.

Key words：water-based rust inhibitor； water-based lubricant； N-octanoyl aspartic acid