侯 建 濤

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 礦用材料分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

近年來，煤礦存在傳動介質(zhì)降低額定使用濃度的現(xiàn)象[1]，使得傳動介質(zhì)防護效果降低，造成支架銹蝕、磨損等，進而影響安全生產(chǎn)。為了保證自動化采煤的連續(xù)、安全、高效運行，支架傳動介質(zhì)的技術性能須進一步提升[2]。

國外奎克、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)品的重點研究方向是環(huán)境友好、應用濃度較低等方面，先后報道了2%甚至更低使用濃度的高含水液壓液產(chǎn)品[3]。在我國，大部分傳動介質(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介質(zhì)鮮有報道[4-9]。同時，傳動介質(zhì)在運行過程中易發(fā)生跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，加之工作廢液無凈化而全部直接井下排放，極易污染環(huán)境，隨著支架傳動介質(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題。即礦用高效超濃縮支架液壓液可用于提高支架傳動介質(zhì)性能、降低額定使用濃度以及減少工作廢液有機物的排放。因此，開發(fā)出高效、超濃縮的液壓傳動介質(zhì)，對保障液壓支架的安全運行且減少環(huán)境排放方面意義重大，符合國家環(huán)保發(fā)展方向。

1 高效超濃縮支架液壓液設計要求

液壓支架傳動介質(zhì)需具備潤滑性、防銹性、穩(wěn)定性等多種性能，業(yè)內(nèi)產(chǎn)品一般由相應功能的添加劑與水調(diào)和反應制得[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，對應的溶劑占比減少，從而導致產(chǎn)品體系不平衡而分層或溶質(zhì)無法溶解，上述根本矛盾制約了傳動介質(zhì)的超濃縮化。因此，礦用超濃縮支架液壓液的設計，關鍵在于潤滑、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。

水溶性分子設計和改性是現(xiàn)代水基添加劑的研究熱點[11],因此可通過添加劑合成改性，實現(xiàn)傳動介質(zhì)基礎助劑的多功能化、高效化、綠色化。水基潤滑添加劑有磺化蓖麻油、脂肪酸酯、油酸酰胺、長碳鏈羧酸鹽等，有機羧酸衍生物來源廣泛，制備簡易，因此越來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行研究，利用化學反應在氨基酸分子接入有機羧酸鏈從而制得?；被岽及符}，以實現(xiàn)傳動介質(zhì)核心助劑的高效多功能。

2 多功能?；被岽及符}合成

對于有機羧酸衍生物，含有-COO-,-NHCO-等強極性基團的有機添加劑分子都具有較好的防銹性[13]，不低于十二個碳的長碳鏈羧酸具有較好的潤滑性[14]，因此筆者選擇具有防銹、絡合功能的谷氨酸與具有潤滑性的長碳鏈月桂酸，利用化學反應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?；劝彼岽及符}。

反應利用肖頓-鮑曼縮合方法[15]:先將月桂酸加熱熔化，滴加過量的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，滴加月桂酸酰氯進行反應，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?；劝彼幔倥c二乙醇胺中和，制得月桂?；劝彼岽及符}。

其反應式如下:

為減少副產(chǎn)物生成，需控制反應的pH值在堿性條件下，月桂酰谷氨酸合成時反應液不同pH值的收率如圖1所示。由圖1可知，當pH值為8～10時，反應的產(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)量分數(shù))溶液，比較了月桂?；劝彼岽及符}及與業(yè)內(nèi)常規(guī)添加劑性能，其中穩(wěn)定性采用目測外觀，防銹性選用鑄鐵點滴試驗方法(下同)，潤滑性選用四球試驗機評價，以最大無卡咬負荷(PB值)表征，即PB值越高則潤滑性越好，結果見表1。

表1 月桂?；劝彼岽及符}與常規(guī)添加劑性能比對試驗結果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，而潤滑性差。十二碳以上羧酸鹽雖潤滑性良好，但耐硬水能力變?nèi)?，易與硬水中的鈣鎂離子形成不溶性皂類析出，如支架傳動介質(zhì)常規(guī)助劑油酸醇胺鹽具有較好的潤滑性，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，潤滑性與常規(guī)潤滑劑油酸醇胺鹽水平接近，同時抗硬水能力優(yōu)異，無沉淀和析皂現(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，對環(huán)境友好，因此月桂?；劝彼岽及符}屬于環(huán)境友好的多功能水基添加劑。

做為液壓支架轉(zhuǎn)動介質(zhì)，密封材料相容性同樣是重要的評測指標[16]。筆者選用去離子水配液，考察月桂酰基谷氨酸醇胺鹽對密封材料的影響大小。試驗條件如下:質(zhì)量濃度1%，試驗時間168 h，溫度70 ℃，試件為丁晴橡膠。結果顯示，丁晴橡膠的體積變化率僅為1.53%，符合行業(yè)標準要求的體積變化率0%～6%范圍。

3 輔助添加劑研究

3.1 金屬緩蝕劑復配

防銹性是液壓支架傳動介質(zhì)的重要控制指標，緩蝕劑的作用機理是在金屬表面形成牢固致密的保護膜，構成對基體金屬的保護?，F(xiàn)有水溶性防銹劑主要分為無機防銹劑和有機防銹劑兩大類，防銹劑復配使用，具有協(xié)同效應，與單獨使用相比，能大幅提高防銹性能且降低使用濃度[17]。筆者選取鉬酸鹽、長碳鏈羧酸鹽等防銹劑，分別與月桂?；劝彼岽及符}進行復配(質(zhì)量比為1∶1)，選用鑄鐵點滴試驗方法，定性考察了其水溶液的防銹性能，結果見表2，其中將結果分級如下:無銹蝕為Ⅰ級，銹蝕1點為Ⅱ級，依次論推銹蝕5點為Ⅵ級。

表2 不同添加劑與月桂?；劝彼岽及符}復配的銹蝕試驗結果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?；劝彼岽及符}復配均具有良好的緩蝕能力，質(zhì)量濃度0.5%鑄鐵試件即無銹蝕。其中癸二酸來源廣泛，價格適中，可與月桂?；劝彼岽及符}協(xié)同用于黑色金屬防銹。

依據(jù)MT/T 76—2011技術要求，支架傳動介質(zhì)具有對黑色金屬緩蝕能力，同時應具有對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 防腐蝕試驗方法，進行了癸二酸鹽、月桂酰基谷氨酸醇胺鹽與苯駢三氮唑復配后的鋼棒及銅棒腐蝕試驗，結果顯示鋼棒及銅棒試件無銹蝕、無色變。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，可提高傳動介質(zhì)對黑色金屬、有色金屬的緩蝕性能。

3.2 抑菌劑篩選

煤礦井下工況復雜，又有水分和適宜的溫度,環(huán)境適合微生物的滋生，傳動介質(zhì)在支架系統(tǒng)循環(huán)使用過程中，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以驚人的速度繁殖[18]，進而影響液壓支架系統(tǒng)運行，因此抑菌性也是支架傳動介質(zhì)的重要控制指標。

筆者選取多種水溶性抑菌劑，同一培養(yǎng)基培養(yǎng)7 d，選用細菌測試片進行微生物測定，定性考察不同類型抑菌劑抑菌效果，結果見表3。

表3 殺菌劑抑菌試驗結果Table 3 Bacteriostatic test results of bactericides

由表3可知，MBM對酵母菌、霉菌具有抑制能力，苯甲酸鈉對霉菌的抑制能力較強,碳酸鈉雖然對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值實現(xiàn)，在支架傳動介質(zhì)中會造成pH值超標，而BK具有廣譜高效的抑菌效果，可提升支架傳動介質(zhì)抑菌性能。

3.3 體系儲備堿度

液壓支架傳動介質(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)對傳動介質(zhì)性能影響極大，配液水的pH值在一定程度上會影響傳動介質(zhì)使用液的pH值。由于鐵、銅等金屬的防護對傳動介質(zhì)的酸堿性有著特殊的要求，因而若pH變化較大則會對金屬造成一定的腐蝕[20]。

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

4 產(chǎn)品制備及性能評測

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滑、防銹、乳化組分，癸二酸鹽作為輔助防銹組分，結合醇胺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，制得礦用超濃縮支架液壓液(以下簡稱超濃縮液壓液)，調(diào)和反應溫度為40 ℃～45 ℃。

4.2 性能評測

依據(jù)煤炭行業(yè)標準MT/T 76—2011進行超濃縮液壓液理化性能檢測，各項指標均符合煤炭行業(yè)標準要求。試驗條件:硬度500 mg/L人工硬水配液、濃度2%。將主要指標與業(yè)內(nèi)代表性HFAS10-5濃縮液在額定濃度進行性能比較，結果見表4。結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結果Table 4 Main performance comparison results of super concentrated hydraulic fluid

4.3 臺架試驗

為研究超濃縮液壓液的實際應用性能，筆者進行超濃縮液壓液傳動介質(zhì)的千斤頂臺架試驗，模擬工礦條件下測試產(chǎn)品的使用性能。試驗周期3個月，按照MT 97—1992《液壓支架千斤頂技術條件》和MT/T 1164—2011《液壓支架立柱、千斤頂密封件 第1部分:分類》對推移千斤頂進行檢驗，考查其密封性能、操作性能、保壓性能。

試驗結束，經(jīng)比對分析，推移千斤頂保壓良好無漏液，具有較好的操作性能；工作液穩(wěn)定無油皂析出，千斤頂內(nèi)外缸體無銹蝕，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，具有較好的應用性能。

5 結 語

(1)選用谷氨酸與長碳鏈月桂酸，利用化學反應合成的月桂?；劝彼岽及符}，具有優(yōu)異防銹性、潤滑性能，良好的耐硬水性能，易于生物降解，密封材料適應性好，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?；劝彼岽及符}為基礎，研制而得礦用超濃縮支架液壓液，在配液濃度2%條件下測試，其性能指標全部符合煤炭行業(yè)標準的技術要求，使用濃度低。

(3)傳動介質(zhì)的千斤頂臺架試驗顯示，超濃縮液壓液工作液穩(wěn)定，設備無銹蝕，與密封件匹配度高，具有較好的實際應用性能，安全高效。