可生物降解铁路防锈脂的理论研究

刘 娇（沈阳铁路局科学技术研究所，辽宁 沈阳 110000）



可生物降解铁路防锈脂的理论研究

刘 娇
（沈阳铁路局科学技术研究所，辽宁 沈阳 110000）

摘 要：以铁路防锈脂的组成对生物降解性的影响进行研究，确定选用了生物降解性可达到70%以上的天然植物油为基础油、较常使用的单锂皂等为稠化剂、适量的添加剂为原料，再着重对天然植物油的可降解性进行机理分析，并且采取添加抗氧剂的方法来改善天然植物油氧化安定性差的性能，最后采用植物油、单锂皂和添加剂为原料制成可生物降解的铁路防锈脂，其理化性能与传统的铁路防锈脂相当。

关键词：天然植物油；可生物降解；铁路防锈脂；机理分析；理化性能

目前我国传统的铁路防锈脂采用的原料为矿物基础油、稠化剂和添加剂。矿物油本身是链烷烃、环烷烃、芳香烃以及少量的非烃化合物组成的复杂混合物。组成成分中的短链烷烃对许多微生物有毒，在自然环境中长链烷烃不易降解；环烷烃、芳香烃难降解，而多环芳烃不降解。所以从总体来看，矿物油只有部分组分可以降解，降解率低。而随着社会的发展和科技的进步，人类对环境保护的意识日益提高，由于传统的铁路防锈脂不易被降解，因此研制可降解的铁路防锈脂已引起了社会的广泛关注。本文作者主要从铁路防锈脂的原料着手对生物降解性的影响进行研究，确定选用天然植物油作为铁路防锈脂的基础油，再对天然植物油的性能进行评价，最后采用植物油、单锂皂和添加剂为原料制成可生物降解的铁路防锈脂与传统的铁路防锈脂相比较，理化性能相当。

1　铁路防锈脂的组成对生物降解性的影响

传统的铁路防锈脂主要用于铁路轨道螺栓的防腐，其主要原料为基础油、稠化剂和添加剂，而铁路防锈脂的组成成分不仅对路枕螺栓的防护、润滑性能起决定性作用，对可生物降解性能也有很大的影响。

1.1基础油

由于铁路防锈脂75%以上为基础油，对铁路防锈脂的性能、环境及可生物降解性影响很大，因此研究基础油对环境的影响显得尤为重要。根据Stempfel的报告可知，以合成酯类油、植物油为基础油，其可生物降解性高。其中，合成酯类油的原料以脂肪酸的种类、侧链数量等不同其生物降解性也有下降的，而天然植物油的生物降解性普遍较高。国外也在基础油方面进行了大量的研究工作，并用CEL-L-33-T法测得了一些常用基础油的生物降解性见表1。

表1　常用基础油性能比较

从表1中数据可知，植物油的生物降解性最好，可达70%以上，矿物油的生物降解性最差，为10%～40%，合成酯的生物降解性也很好，例如多元醇酯和双酯等。而且植物油与合成酯均具有良好的黏温特性。合成酯的优点是具有良好的热稳定性、低温流动性及可生物降解性，缺点是价格相对较高。与合成酯相比，植物油的成本较低、来源丰富，是可再生资源。它的主要成分是脂肪酸三甘油酯，其中不饱和脂肪酸含量越高，其低温流动性越好，缺点是氧化稳定性差，但是可通过适量添加抗氧化剂来调解其氧化安定性。

图1　

图2　

1.2稠化剂

制备传统的铁路防锈脂时，稠化剂的使用约为20%左右，常用的稠化剂多为膨润土、硅胶、锂皂等，由于膨润土、硅胶等不能生物降解，因此不宜使用。通常选用脂肪酸单皂和复合皂，它们大都无毒，并能生物降解，例如锂皂、钙皂、钠皂，复合锂皂等。

1.3添加剂

添加剂在传统的铁路防锈脂中所占的比重较小，专门适用于生物降解铁路防锈脂的添加剂也很少，只能选用现有的生态毒性小、有生物降解性的通用添加剂，例如石油磺酸钡、酚类等。

2　天然植物油的性能评价

2.1天然植物油的可生物降解性能机理分析

天然植物油具有良好的生物降解性，其原因在于天然植物中的甘油酯基易水解，酯基链的不饱和键易受氧化物攻击而发生氧化，使其具有较强的生物降解能力。天然植物油中的不饱和酸含量越高，其生物降解能力越强。例如，蓖麻油中含有大量的（85%以上）的蓖麻油酸，菜籽油中含有大量的芥酸和油酸，所以生物降解率特别高。

天然植物油的生物降解过程由以下几个步骤来完成：

甘油酯的水解：

如上所示，植物油甘油酯起始反应在甘油三酯分解酶的作用下进行，是控制速度反应。第二步和第三步是在甘油二酯、甘油一酯酶的作用下快速进行的，这种酶催化作用的产物是脂肪酸和甘油。

（2）脂肪酸的β-氧化分解

脂肪酸首先经过活化变为脂肪酰CoA，然后再通过“β-氧化”断裂为许多乙酰CoA小分子。

（3）乙酰分子CoA进入TCA（三羧酸）循环，最终分解为CO2、H2O，分解并释放出能量。

（4）甘油的代谢

因此，由以上过程的理论分析可得出天然植物油生物降解率可达到100%。

2.2天然植物油的氧化安定性能

天然植物油生物降解性能好，说明其分子结构中的双键较多，不饱和度较高，碘值高。由于天然植物油含有大量的不饱和脂肪酸（例如油酸，亚麻酸，亚油酸等），因而其分子结构极不稳定，容易氧化，而且随着双键的增加氧化反应速度增大，故氧化安定性对以植物油为基础油所制备的可生物降解铁路防锈脂显得尤为重要。以天然植物油作为铁路防锈脂的基础油，制备出的铁路防锈脂的氧化安定性能与矿物油制备的防锈脂相差很多。所以如果选用天然植物油做为铁路防锈脂的基础油，必须要添加适量的抗氧化剂来提高铁路防锈脂的理化性能。

3　可生物降解铁路防锈脂的理化性能

经过上述讨论，选用天然植物油为基础油，单锂皂为稠化剂，及适量的抗氧化剂、防锈剂等添加剂为原料制备出可生物降解铁路防锈脂，并且与以传统方法制备的铁路防锈脂的性能进行了对比，结果见表2。

表2　样品性能评价

结果表明，按此种方法制备出的可生物降解铁路防锈脂，不仅具有优良的生物降解性能而且综合理化性能与传统的铁路防锈脂水平相当。

结论

本文作者选取了可生物降解的铁路防锈脂的原料，并对作为基础油的天然植物油的性能进行评价、分析，得出了以下结论：

（1）通过机理分析，天然植物油生物降解率高，黏温特性、低温流动性较好，是一种适合制备可生物降解铁路防锈脂的基础油。

（2）以天然植物油为基础油制备的可生物降解铁路防锈脂，氧化安定性能较差，须添加适宜的抗氧化剂。

（3）以天然植物油、单锂皂及抗氧化剂、防锈剂等添加剂为原料制备出的可生物降解铁路防锈脂，其理化性能与传统的铁路防锈脂的水平相当。

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中图分类号：TG174

文献标识码：A