礦用高效超濃縮支架液壓液的研制及性能評(píng)測(cè)

侯 建 濤

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 礦用材料分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

近年來(lái)，煤礦存在傳動(dòng)介質(zhì)降低額定使用濃度的現(xiàn)象[1]，使得傳動(dòng)介質(zhì)防護(hù)效果降低，造成支架銹蝕、磨損等，進(jìn)而影響安全生產(chǎn)。為了保證自動(dòng)化采煤的連續(xù)、安全、高效運(yùn)行，支架傳動(dòng)介質(zhì)的技術(shù)性能須進(jìn)一步提升[2]。

國(guó)外奎克、福斯、斯圖阿特和倍可等水基液壓液產(chǎn)品的生產(chǎn)商，產(chǎn)品的重點(diǎn)研究方向是環(huán)境友好、應(yīng)用濃度較低等方面，先后報(bào)道了2%甚至更低使用濃度的高含水液壓液產(chǎn)品[3]。在我國(guó)，大部分傳動(dòng)介質(zhì)的使用濃度為4%～5%，而使用濃度為1%～2%的高效超濃縮支架傳動(dòng)介質(zhì)鮮有報(bào)道[4-9]。同時(shí)，傳動(dòng)介質(zhì)在運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，加之工作廢液無(wú)凈化而全部直接井下排放，極易污染環(huán)境，隨著支架傳動(dòng)介質(zhì)用量的急劇提升，產(chǎn)品廢液的排放已成為煤礦面臨的重大問(wèn)題。即礦用高效超濃縮支架液壓液可用于提高支架傳動(dòng)介質(zhì)性能、降低額定使用濃度以及減少工作廢液有機(jī)物的排放。因此，開(kāi)發(fā)出高效、超濃縮的液壓傳動(dòng)介質(zhì)，對(duì)保障液壓支架的安全運(yùn)行且減少環(huán)境排放方面意義重大，符合國(guó)家環(huán)保發(fā)展方向。

1 高效超濃縮支架液壓液設(shè)計(jì)要求

液壓支架傳動(dòng)介質(zhì)需具備潤(rùn)滑性、防銹性、穩(wěn)定性等多種性能，業(yè)內(nèi)產(chǎn)品一般由相應(yīng)功能的添加劑與水調(diào)和反應(yīng)制得[10]。額定使用濃度降低，使用性能不變，母液配方的有效成分含量必然成倍增加，對(duì)應(yīng)的溶劑占比減少，從而導(dǎo)致產(chǎn)品體系不平衡而分層或溶質(zhì)無(wú)法溶解，上述根本矛盾制約了傳動(dòng)介質(zhì)的超濃縮化。因此，礦用超濃縮支架液壓液的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于潤(rùn)滑、防銹等核心添加劑的多功能化、高效化，以減少添加劑加入量。

水溶性分子設(shè)計(jì)和改性是現(xiàn)代水基添加劑的研究熱點(diǎn)[11],因此可通過(guò)添加劑合成改性，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)介質(zhì)基礎(chǔ)助劑的多功能化、高效化、綠色化。水基潤(rùn)滑添加劑有磺化蓖麻油、脂肪酸酯、油酸酰胺、長(zhǎng)碳鏈羧酸鹽等，有機(jī)羧酸衍生物來(lái)源廣泛，制備簡(jiǎn)易，因此越來(lái)越受到人們的重視和企業(yè)的青睞[12]。筆者選用氨基酸類衍生物進(jìn)行研究，利用化學(xué)反應(yīng)在氨基酸分子接入有機(jī)羧酸鏈從而制得酰基氨基酸醇胺鹽，以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)介質(zhì)核心助劑的高效多功能。

2 多功能酰基氨基酸醇胺鹽合成

對(duì)于有機(jī)羧酸衍生物，含有-COO-,-NHCO-等強(qiáng)極性基團(tuán)的有機(jī)添加劑分子都具有較好的防銹性[13]，不低于十二個(gè)碳的長(zhǎng)碳鏈羧酸具有較好的潤(rùn)滑性[14]，因此筆者選擇具有防銹、絡(luò)合功能的谷氨酸與具有潤(rùn)滑性的長(zhǎng)碳鏈月桂酸，利用化學(xué)反應(yīng)合成制得月桂酰基谷氨酸，再與二乙醇胺中和改性，制得水溶性多功能添加劑月桂酰基谷氨酸醇胺鹽。

反應(yīng)利用肖頓-鮑曼縮合方法[15]:先將月桂酸加熱熔化，滴加過(guò)量的SOCl2，得到月桂酸酰氯，將谷氨酸和氫氧化鈉中和，加入丙酮溶劑，在冰水浴、堿性條件下，滴加月桂酸酰氯進(jìn)行反應(yīng)，后用硫酸酸化，析出的固體產(chǎn)物經(jīng)抽濾、水洗、干燥后得到月桂酰基谷氨酸，再與二乙醇胺中和，制得月桂酰基谷氨酸醇胺鹽。

其反應(yīng)式如下:

為減少副產(chǎn)物生成，需控制反應(yīng)的pH值在堿性條件下，月桂酰谷氨酸合成時(shí)反應(yīng)液不同pH值的收率如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)pH值為8～10時(shí)，反應(yīng)的產(chǎn)率為最高。

圖1 不同pH值條件下月桂酰谷氨酸的收率Fig.1 Yield of lauroylglutamic acid at different pH values

筆者選用硬度500 mg/L人工硬水，配制0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液，比較了月桂酰基谷氨酸醇胺鹽及與業(yè)內(nèi)常規(guī)添加劑性能，其中穩(wěn)定性采用目測(cè)外觀，防銹性選用鑄鐵點(diǎn)滴試驗(yàn)方法(下同)，潤(rùn)滑性選用四球試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)，以最大無(wú)卡咬負(fù)荷(PB值)表征，即PB值越高則潤(rùn)滑性越好，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 月桂酰基谷氨酸醇胺鹽與常規(guī)添加劑性能比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Performance comparison test results of lauroyl glutamate ethanolamine salt and conventional additives in the industry

業(yè)內(nèi)常規(guī)添加劑的性能較為單一。常用的防銹劑如亞硝酸鹽及短于十二碳的多元羧酸，緩蝕性能優(yōu)異，而潤(rùn)滑性差。十二碳以上羧酸鹽雖潤(rùn)滑性良好，但耐硬水能力變?nèi)酰着c硬水中的鈣鎂離子形成不溶性皂類析出，如支架傳動(dòng)介質(zhì)常規(guī)助劑油酸醇胺鹽具有較好的潤(rùn)滑性，但其硬水溶液析皂且防銹性弱。由表1可知，合成的月桂酰基谷氨酸醇胺鹽，與業(yè)內(nèi)常規(guī)添加劑相比，既具有優(yōu)異的緩蝕性能，潤(rùn)滑性與常規(guī)潤(rùn)滑劑油酸醇胺鹽水平接近，同時(shí)抗硬水能力優(yōu)異，無(wú)沉淀和析皂現(xiàn)象，是優(yōu)良的多功能添加劑。該合成物含兩親分子，具有乳化能力，含有易于生物降解的酰胺鍵，對(duì)環(huán)境友好，因此月桂酰基谷氨酸醇胺鹽屬于環(huán)境友好的多功能水基添加劑。

做為液壓支架轉(zhuǎn)動(dòng)介質(zhì)，密封材料相容性同樣是重要的評(píng)測(cè)指標(biāo)[16]。筆者選用去離子水配液，考察月桂酰基谷氨酸醇胺鹽對(duì)密封材料的影響大小。試驗(yàn)條件如下:質(zhì)量濃度1%，試驗(yàn)時(shí)間168 h，溫度70 ℃，試件為丁晴橡膠。結(jié)果顯示，丁晴橡膠的體積變化率僅為1.53%，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的體積變化率0%～6%范圍。

3 輔助添加劑研究

3.1 金屬緩蝕劑復(fù)配

防銹性是液壓支架傳動(dòng)介質(zhì)的重要控制指標(biāo)，緩蝕劑的作用機(jī)理是在金屬表面形成牢固致密的保護(hù)膜，構(gòu)成對(duì)基體金屬的保護(hù)。現(xiàn)有水溶性防銹劑主要分為無(wú)機(jī)防銹劑和有機(jī)防銹劑兩大類，防銹劑復(fù)配使用，具有協(xié)同效應(yīng)，與單獨(dú)使用相比，能大幅提高防銹性能且降低使用濃度[17]。筆者選取鉬酸鹽、長(zhǎng)碳鏈羧酸鹽等防銹劑，分別與月桂酰基谷氨酸醇胺鹽進(jìn)行復(fù)配(質(zhì)量比為1∶1)，選用鑄鐵點(diǎn)滴試驗(yàn)方法，定性考察了其水溶液的防銹性能，結(jié)果見(jiàn)表2，其中將結(jié)果分級(jí)如下:無(wú)銹蝕為Ⅰ級(jí)，銹蝕1點(diǎn)為Ⅱ級(jí)，依次論推銹蝕5點(diǎn)為Ⅵ級(jí)。

表2 不同添加劑與月桂酰基谷氨酸醇胺鹽復(fù)配的銹蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Corrosion test results of different additives mixed with lauroylglutamate

從表2可看出，鉬酸鹽、癸二酸鹽、十一碳二元酸鹽與月桂酰基谷氨酸醇胺鹽復(fù)配均具有良好的緩蝕能力，質(zhì)量濃度0.5%鑄鐵試件即無(wú)銹蝕。其中癸二酸來(lái)源廣泛，價(jià)格適中，可與月桂酰基谷氨酸醇胺鹽協(xié)同用于黑色金屬防銹。

依據(jù)MT/T 76—2011技術(shù)要求，支架傳動(dòng)介質(zhì)具有對(duì)黑色金屬緩蝕能力，同時(shí)應(yīng)具有對(duì)有色金屬特別是銅金屬的緩蝕能力，行業(yè)內(nèi)銅的緩蝕大多選用特效添加劑苯駢三氮唑。筆者選用人工鹽水配液，參照MT/T 76—2011 防腐蝕試驗(yàn)方法，進(jìn)行了癸二酸鹽、月桂酰基谷氨酸醇胺鹽與苯駢三氮唑復(fù)配后的鋼棒及銅棒腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果顯示鋼棒及銅棒試件無(wú)銹蝕、無(wú)色變。因而，癸二酸鹽、月桂酰基谷氨酸醇胺鹽與苯駢三氮唑協(xié)同，可提高傳動(dòng)介質(zhì)對(duì)黑色金屬、有色金屬的緩蝕性能。

3.2 抑菌劑篩選

煤礦井下工況復(fù)雜，又有水分和適宜的溫度,環(huán)境適合微生物的滋生，傳動(dòng)介質(zhì)在支架系統(tǒng)循環(huán)使用過(guò)程中，泵站供液系統(tǒng)、礦井水、系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)以及空氣接觸等途徑均可帶入微生物菌種，若不加抑制則微生物會(huì)以驚人的速度繁殖[18]，進(jìn)而影響液壓支架系統(tǒng)運(yùn)行，因此抑菌性也是支架傳動(dòng)介質(zhì)的重要控制指標(biāo)。

筆者選取多種水溶性抑菌劑，同一培養(yǎng)基培養(yǎng)7 d，選用細(xì)菌測(cè)試片進(jìn)行微生物測(cè)定，定性考察不同類型抑菌劑抑菌效果，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 殺菌劑抑菌試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Bacteriostatic test results of bactericides

由表3可知，MBM對(duì)酵母菌、霉菌具有抑制能力，苯甲酸鈉對(duì)霉菌的抑制能力較強(qiáng),碳酸鈉雖然對(duì)各種微生物的抑制作用較好，但其起作用主要是靠調(diào)節(jié)體系pH值實(shí)現(xiàn)，在支架傳動(dòng)介質(zhì)中會(huì)造成pH值超標(biāo)，而BK具有廣譜高效的抑菌效果，可提升支架傳動(dòng)介質(zhì)抑菌性能。

3.3 體系儲(chǔ)備堿度

液壓支架傳動(dòng)介質(zhì)需配水使用且用量大，一般采用天然的礦井水配液[19]，因此，水質(zhì)對(duì)傳動(dòng)介質(zhì)性能影響極大，配液水的pH值在一定程度上會(huì)影響傳動(dòng)介質(zhì)使用液的pH值。由于鐵、銅等金屬的防護(hù)對(duì)傳動(dòng)介質(zhì)的酸堿性有著特殊的要求，因而若pH變化較大則會(huì)對(duì)金屬造成一定的腐蝕[20]。

我國(guó)國(guó)土面積大，各地礦井水質(zhì)存在顯著差異，因此傳動(dòng)介質(zhì)需添加pH值調(diào)節(jié)劑，在分子內(nèi)部形成“儲(chǔ)備堿度”，筆者選用醇胺類pH值調(diào)節(jié)劑，使整個(gè)體系的pH值保持在合理區(qū)間。

4 產(chǎn)品制備及性能評(píng)測(cè)

4.1 產(chǎn)品制備

筆者選用合成的月桂酰基谷氨酸醇胺鹽作為潤(rùn)滑、防銹、乳化組分，癸二酸鹽作為輔助防銹組分，結(jié)合醇胺pH值調(diào)節(jié)劑、BK抑菌劑、消泡劑，以水作為載體，利用調(diào)和反應(yīng)，制得礦用超濃縮支架液壓液(以下簡(jiǎn)稱超濃縮液壓液)，調(diào)和反應(yīng)溫度為40 ℃～45 ℃。

4.2 性能評(píng)測(cè)

依據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 76—2011進(jìn)行超濃縮液壓液理化性能檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)條件:硬度500 mg/L人工硬水配液、濃度2%。將主要指標(biāo)與業(yè)內(nèi)代表性HFAS10-5濃縮液在額定濃度進(jìn)行性能比較，結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果顯示超濃縮液壓液2%濃度條件下具有良好的性能，使用濃度低，安全高效。

表4 超濃縮液壓液主要性能比對(duì)結(jié)果Table 4 Main performance comparison results of super concentrated hydraulic fluid

4.3 臺(tái)架試驗(yàn)

為研究超濃縮液壓液的實(shí)際應(yīng)用性能，筆者進(jìn)行超濃縮液壓液傳動(dòng)介質(zhì)的千斤頂臺(tái)架試驗(yàn)，模擬工礦條件下測(cè)試產(chǎn)品的使用性能。試驗(yàn)周期3個(gè)月，按照MT 97—1992《液壓支架千斤頂技術(shù)條件》和MT/T 1164—2011《液壓支架立柱、千斤頂密封件 第1部分:分類》對(duì)推移千斤頂進(jìn)行檢驗(yàn)，考查其密封性能、操作性能、保壓性能。

試驗(yàn)結(jié)束，經(jīng)比對(duì)分析，推移千斤頂保壓良好無(wú)漏液，具有較好的操作性能；工作液穩(wěn)定無(wú)油皂析出，千斤頂內(nèi)外缸體無(wú)銹蝕，與密封件匹配度高，體積變化率僅為1.02%。超濃縮液壓液性能滿足要求，具有較好的應(yīng)用性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)選用谷氨酸與長(zhǎng)碳鏈月桂酸，利用化學(xué)反應(yīng)合成的月桂酰基谷氨酸醇胺鹽，具有優(yōu)異防銹性、潤(rùn)滑性能，良好的耐硬水性能，易于生物降解，密封材料適應(yīng)性好，屬于環(huán)境友好的優(yōu)良多功能水基添加劑。

(2)以制備的月桂酰基谷氨酸醇胺鹽為基礎(chǔ)，研制而得礦用超濃縮支架液壓液，在配液濃度2%條件下測(cè)試，其性能指標(biāo)全部符合煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，使用濃度低。

(3)傳動(dòng)介質(zhì)的千斤頂臺(tái)架試驗(yàn)顯示，超濃縮液壓液工作液穩(wěn)定，設(shè)備無(wú)銹蝕，與密封件匹配度高，具有較好的實(shí)際應(yīng)用性能，安全高效。