生物基潤滑油你知道多少？

■ 錢伯章

作為石油基產品的替代，可生物降解潤滑劑最大的特點是可生物降解，發生泄漏后對環境影響較少。它們可以是無毒的，這在一定程度上減少了對與之接觸的操作員、動物或植物的危害。它們又是可再生的能源，從而減少對了化石能源的依賴。

近年來，由于環境執法機構對石油、潤滑油泄漏增加了壓力和支出成本，許多設備運營商正在使用或考慮使用對環境更安全的潤滑產品，生物基和可生物降解的潤滑油越來越受到關注。

生物基潤滑油的認定標準

為了幫助分析潤滑油對環境的危害程度，克萊恩公司(Kline & Co)考慮到3個標準：生物降解性、生物來源和低毒性。滿足其中任何一個條件的產品，基本上都可認為是生物潤滑油。

在自然狀態下，潤滑油在28天內的生物降解能力只要達到60%即可被認為有生物降性。生物降解性通過一些組織，如OECD(經合組織)、ASTM(美國材料與試驗協會)、ISO(國際標準化組織)的測試來衡量。

分析潤滑油是否對環境無毒，可以通過OECD或ASTM測試來測量：ASTM D5864標準指南用于測定潤滑油或其組分的需氧水中生物降解性；ASTM D6006標準指南用于測定評價液壓液的生物降解性；ASTM D6139用以測定潤滑油或其組分的需氧水中生物降解性；ASTM D6866可準確區分生物基潤滑油和普通石化潤滑油。如果潤滑油是混合產品，ASTM D6866同樣可以準確測量出其生物基的百分比。

生物基潤滑油基質來源較多，它們的共同點是易于生物降解。也就是說，經ASTM D5864可生物降解性試驗測定，在28天內，其可生物降解性在60%以上。石油基液壓液是不可生物降解的(28天內＜30%)，也不具有固有的生物可降解性(28天內30%＜X＜59%，X為生物可降解性）。

生物來源指潤滑油生物基碳要超過25%。根據ASTM測試衡量，油菜籽、大豆、向日葵、棕櫚、椰子和纖維素糖等都可以作為生物基原料。

生物基潤滑油的特點

早期的生物基潤滑產品在性能方面與化學、石油基的潤滑產品類似，但不符合工業性能要求。然而，在前十年，隨著植物基原料性能和配方、經驗的改進，生物可降解潤滑油的性能與石油基產品相似，甚至更好。

生物基產品原料多數是無毒的化學品，如硫酸鹽(鋅、鈣)以及其他重金屬，經配制后也幾乎是無毒的。以ASTM無毒性標準反復測量，其毒性要比石油基產品低5～10倍。石油潤滑劑中的鋅、鈣等添加劑被認為是有毒的，而且還會殺死幫助石油生物降解的微生物，使潤滑油更難降解。一些特定的、有生物降解性的石油潤滑劑是無灰添加劑體系，毒性低于石油基潤滑劑。但這類潤滑劑仍有石油基不易降解的特性，它們在環境中將持續存在數月或數年，污染水源，危害野生動植物，甚至危害生態系統。

此外，石油產品一般含有芳香烴和帶環的烴類，這些烴類會使得水表面產生彩虹似的光澤。生物基產品不含有芳香烴，因此克服了這一現象。加氫處理過的石油產品也會去除多數芳烴，可能不會產生光澤，但仍會危害水表面，傷害野生動物和生態系統，這有別于生物基產品。

潤滑油對生物基的要求

美國農場安全和農村投資法(FSRIA或農場法案)于2002年簽署了法律。這一立法的目的是使政府增加采購和使用生物基產品。根據這項立法，美國農業部(USDA)要求選擇指定首選的相關產品，對推薦的生物基產品及其最低生物基含量做出了規定(表1)。

表1 美國政府指定的最低生物基含量

盡管美國要求要有最低的生物基含量水平，但一些高性能植物基產品中生物基的含量大于90%。因此，它們會很容易(快速)被生物降解。

植物基潤滑油的影響因素

早期的植物基潤滑油，以植物基油作為基礎油，其余的與石油潤滑油相同。因為植物油特征與石油大不同，這一方法不是很有效。

植物油必須按其各自的特性進行配方，一些性價比良好的植物基產品已推向市場。大多數植物基潤滑劑的最高工作溫度為140°F，有的甚至可以高達220°F，也有一些產品在-30°F也能流動。

使用生物基液體需要特別留意，以最大限度地提高其使用壽命。一是所有的甘油三酯植物基潤滑劑都會受到溫度的限制，多數植物基潤滑劑可提供良好的溫度性能，使用溫度可低至30°F。二是潤滑劑應避免進入水分，因為多數生物基產品容易被水解、酸化，使添加劑沉淀，并造成氧化不穩定。不過，現在已經改善的植物基原料，包括使用低油酸的菜籽油類、高油酸的大豆以及使用改進的低溫蓖麻油、改進的添加劑化學和配方技術等，都可以開發出性能類似或優于常規石油基液體的可生物降解產品。

植物油和其他脂肪都是甘油三酯，它們基本上都是脂肪酸和甘油的三酯，可溶于大多數有機溶劑，但不溶于極性物質，如水中。它們可以有寬范圍的脂肪酸分布，但最常用的植物油是C18油酸或亞油酸。這些酸的比例取決于植物的類型、生長的季節和地理分布。這些因素可以影響植物基潤滑油產品的性能，如氧化穩定性、冷流動性、水解穩定性和其他性能。例如，油酸含量越高，氧化穩定性越好，但傾點越高(這是不好的)。

圖1 PDSC氧化穩定性

植物油油酸含量越高，其氧化穩定性就越好(圖1)。壓差掃描量熱法(PDSC)經常用來評價潤滑劑和基礎流體的薄層氧化性能。該試驗可在幾分鐘內測出誘導時間，時間越長、氧化穩定性越好。

早期使用功能添加劑的植物油配方，類似于石油基液體使用的添加劑配方。在大多數情況下，石油是非極性的，而甘油三酯是高極性的，所以利用典型的添加劑包，必須使用增溶劑。使用沒有金屬的添加劑包，如無灰添加劑，在植物油中可較多地被溶解。

大多數的添加劑包是為石油基潤滑油設計的，僅僅面向植物油使用的很少。為了從植物油制取高性能的流體，必須利用清潔方案，流體設計必須符合特定的基礎液特征，以及最終產品的特定要求。某些典型的石油添加劑在植物油中也是有效的。

植物油有高的溶解水平，也可作為清凈劑應用。當試圖提升清凈劑性能時，應避免使用酚鹽和磺酸鹽。酚鹽和磺酸基官能團本身沒有問題，但石油清凈劑添加劑通常連接有重金屬，如鈣、鈉和鋇，對環境有很強的毒性。特定的無金屬的酚鹽和磺酸鹽已被用作密封防護材料，某些類別的酚鹽可改善天然油脂的熱穩定性，某些磺酸鹽具有額外的抑制腐蝕效能。

硫磷酸酯、磷酸酯具有清凈和抗磨效果。低量的磷酸鹽和磷酸酯已成功地用于植物基產品中，且對環保性能無不良影響。不過，這些添加劑及其效果在植物基潤滑劑配方中的價值有限，因為植物油自身擁有足夠的清凈和抗磨能力，不需要再進行補充。

2014年3月中旬，在倫敦召開的世界基礎油和潤滑油會議指出，生物基潤滑油將作為生物制品或可再生農業材料的全部或重要的組成部分。然而，生物基潤滑油只占到全球銷售3 9 0 0 萬噸成品潤滑油的1%～2%，生物基潤滑油約70%是在北美被消費的。

從歷史上看，生物其潤滑油的生產成本遠高于傳統潤滑油。因此，應用典型的生物基潤滑油時，應將注意力集中在某些認為不可回收的特定領域。如果成本下降，生物基潤滑油的需求將會大幅增長。