37、纳米活性炭与植物油基食品级润滑脂的性能研究

躺平摸鱼王

于 2025-09-14 13:06:27 发布

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分类专栏：智能制造与材料创新文章标签：纳米活性炭植物油基润滑脂食品级润滑脂

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纳米活性炭与植物油基食品级润滑脂的性能研究

1. 纳米活性炭对环保润滑剂摩擦学性能的影响

在环保润滑剂的研究中，纳米活性炭的应用备受关注。研究人员对四种MTO样品作为环保润滑剂的摩擦学性能进行了研究，通过四球磨损试验进行物理和摩擦学测试，并与SE进行性能对比。

1.1 四球磨损试验结果

润滑剂样品	磨损斑直径 (µm)	摩擦系数 (COF)
SE	779.30	0.102
MTO1	674.70	0.064
MTO2	724.20	0.055
MTO3	739.50	0.059

从这些数据可以看出，纳米活性炭的加入对MTO的摩擦学性能有显著影响。MTO2在三种纳米活性炭浓度比中表现出色，具有较低的摩擦系数和较好的磨损斑表面。与MTO3相比，MTO2的磨损斑表面形成的深沟槽较少。而MTO1中纳米活性炭的浓度不足以填充接触表面之间的间隙，MTO3中纳米活性炭的浓度则超过了需求，导致纳米活性炭在接触表面之间团聚。

1.2 纳米活性炭浓度的影响机制

适量的纳米颗粒可以在接触区域之间提供平滑的滚动运动，因为在界面处颗粒之间不会发生团聚，从而降低了摩擦系数值。例如，当纳米活性炭的浓度为0.025 wt%（MTO2）时，能够达到较好的润滑效果。

1.3 纳米活性炭对MTO性能的综合提升

纳米活性炭的存在显著改善了MTO的物理性能。添加0.05 wt%的纳米活性炭使MTO的粘度指数达到最高，为236.15。基于摩擦系数值和摩擦学试验后球上的磨损斑形成情况，添加0.025 wt%纳米活性炭的MTO2是最佳浓度。MTO2具有最小的摩擦系数值和较少的沟槽形成。总体而言，纳米活性炭的添加极大地改善了MTO的摩擦学性能，其性能超过了SE流体。因此，含有纳米活性炭的MTO有望替代SE作为环保型金属加工液，减少对矿物基金属加工液的依赖，实现可持续的加工过程。

2. 植物油基NSF H2食品级润滑脂的研究

在食品工业中，润滑脂的使用至关重要。传统的矿物油基润滑脂存在一些缺点，如低自然润滑性、添加剂溶解性和自然溶解性，以及对环境的不安全因素。因此，植物油基润滑脂成为了研究的热点。

2.1 研究背景与目的

食品级润滑脂可分为H1、H2和H3等级。NSF H2润滑脂用于不太可能与食品和药品接触的地方。本研究旨在用不同的植物油基油（VBO）配制NSF H2食品级润滑脂，并评估其性能。植物油具有潜在的无毒、安全、可持续和成本效益等优点，且具有高生物降解性、优异的物理和化学性质（如高粘度指数）、低蒸发损失、高闪点和良好的抗剪切性。

2.2 实验材料与方法

材料：使用了三种不同类型的VBO来配制食品级润滑脂，包括棕榈油（新鲜和用过的）、椰子油（新鲜和用过的）和蓖麻油。锂 - 12 - 羟基硬脂酸（Li - 12 - HSA）用作增稠剂，丁基化羟基甲苯（BHT）用作添加剂。用过的棕榈油和椰子油经过预处理，通过过滤去除悬浮固体等杂质。
润滑脂的配制 ：每种基础油制备600 g润滑脂。基础油固定为71%（w/w），BHT初始设定为3%（w/w），增稠剂的用量则根据形成粘性或类似润滑脂的质地进行调整。皂化过程从将基础油加热到60°C开始，然后缓慢加入BHT和Li - 12 - HSA，并在200 rpm的搅拌下混合2 - 4小时或更长时间，直到形成浓稠、均匀的混合物。最后，使用手持式均质器在10,000 rpm下均质45 - 60分钟，得到最终的均质润滑脂。

graph LR
    A[准备基础油] --> B[加热至60°C]
    B --> C[加入BHT和Li - 12 - HSA]
    C --> D[搅拌2 - 4小时以上]
    D --> E[形成浓稠混合物]
    E --> F[手持式均质器均质45 - 60分钟]
    F --> G[得到均质润滑脂]

基础油的表征 ：
- 化学组成和官能团 ：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、CHNOS元素分析和气相色谱 - 质谱联用（GC - MS）进行分析。例如，使用Nicolet iS5 FTIR光谱仪获得400 - 4,000 cm⁻¹波长的光谱，用Elementar的Vario Macro Cube进行CHNOS元素分析，用Agilent - 7890配备HP - INNOWAX柱进行GC - MS分析。
- 物理性质 ：评估了水含量、闪点、动态粘度和热稳定性。水含量使用KF Titrino测定，闪点使用Koehler K16591快速闪点闭杯测试仪测定，粘度使用Brookfield LVDV II 6890粘度计测定，热稳定性使用热重分析（TGA）评估。
配制润滑脂的表征 ：对配制的润滑脂进行了一致性、滴点、稳定性、油渗出和热分析。一致性通过锥入度测试确定，并与国家润滑脂协会（NLGI）的一致性等级（000 - 6）进行比较。滴点用于确定润滑脂从半固态变为液态的温度，计算公式为：$DP(°C) = ODP + |\frac{BT - ODP}{3}|$，其中ODP是第一滴出现时的温度计读数，BT是第一滴落下时的块式烘箱温度。油渗出测试是将一定量的润滑脂放在纸上，在60°C下加热2小时，根据纸上的污渍面积评估油渗出情况。

2.3 实验结果与分析

基础油的物理性质
| 表征项目 | 新鲜棕榈油 | 用过的棕榈油 | 新鲜椰子油 | 用过的椰子油 | 蓖麻油 |
| — | — | — | — | — | — |
| 水含量 (%) | 0.81 | 2.25 | 0.74 | 2.59 | 0.99 |
| 闪点 (°C) | 228 | 218 | 293 | >299 | >299 |
| 粘度 (cP) @ 40 °C | 56,003 | 61,262 | 43,541 | 49,549 | 65,266 |

用过的棕榈油和椰子油的水含量略高，可能会导致生锈、腐蚀和轴承损坏。所有VBO的闪点都很高，超过200°C，其中新鲜椰子油、用过的椰子油和蓖麻油的闪点超过290°C，说明VBO使用安全。蓖麻油的粘度最高，为65,266 cP。高粘度的基础油可用于高速和高温应用，且基础油粘度会影响润滑脂的一致性。
- CHNS分析结果
| 表征项目 | 新鲜棕榈油 | 用过的棕榈油 | 新鲜椰子油 | 用过的椰子油 | 蓖麻油 |
| — | — | — | — | — | — |
| C (%) | 0.95 | 0.92 | 0.76 | 0.71 | 0.94 |
| H (%) | 0.15 | 0.16 | 0.14 | 0.12 | 0.12 |
| N (%) | 0.003 | 0.003 | 0.002 | 0.003 | 0.004 |
| S (%) | 0.03 | 0.003 | 0.04 | 0.05 | 0.03 |

分析表明，VBO是低硫含量的化合物，较低的硫含量可减少氧化和腐蚀。用过的棕榈油的硫含量最低。
- 脂肪酸组成分析
通过GC - MS分析了植物油基油中的脂肪酸组成。蓖麻油主要由C18:1（蓖麻油酸）组成，与其他基础油表现出不同的特性。而新鲜棕榈油、用过的棕榈油、新鲜椰子油和用过的椰子油主要由C18:1（油酸）组成。油酸是VBO中用于润滑的最优选脂肪酸，因为在天然存在的酯基油中，油酸的分布对油的性能至关重要。不过，富含蓖麻油酸的蓖麻油具有高粘度，是一种良好的润滑剂。

纳米活性炭与植物油基食品级润滑脂的性能研究

3. 植物油基润滑脂性能的进一步探讨

3.1 润滑脂的关键性能指标分析

滴点：滴点是衡量润滑脂从半固态变为液态的温度。实验结果显示，由植物油基油（VBO）制成的润滑脂具有较高的滴点，超过200°C。其中，新鲜棕榈油、用过的棕榈油和蓖麻油基润滑脂达到NLGI 2等级，新鲜和用过的椰子油基润滑脂分别为NLGI 1和3等级。高滴点意味着润滑脂在高温环境下仍能保持较好的稳定性，不易流失，适用于一些对温度要求较高的工作场景。
油渗出 ：油渗出是指润滑脂中的基础油从润滑脂中分离出来的现象。不同植物油基润滑脂的油渗出情况有所不同。蓖麻油基润滑脂的油渗出率较高，达到22.88%；新鲜棕榈油和新鲜椰子油基润滑脂的油渗出率适中，为1.20 - 7.55%。油渗出率过高可能会导致润滑脂的润滑性能下降，影响设备的正常运行；而渗出率过低则可能表示润滑脂的流动性较差。

graph LR
    A[润滑脂] --> B{滴点测试}
    B -->|高滴点| C[高温稳定性好]
    B -->|低滴点| D[高温易流失]
    A --> E{油渗出测试}
    E -->|高渗出率| F[润滑性能可能下降]
    E -->|低渗出率| G[流动性可能较差]

3.2 不同植物油基润滑脂的优缺点总结

植物油类型	优点	缺点
新鲜棕榈油	滴点较高，NLGI 2等级，油渗出适中	-
用过的棕榈油	滴点较高，NLGI 2等级，硫含量低	水含量略高
新鲜椰子油	滴点高，油渗出适中	-
用过的椰子油	滴点高	水含量较高
蓖麻油	高粘度，是良好的润滑剂	油渗出率高

从上述表格可以看出，不同植物油基润滑脂各有优劣。在实际应用中，需要根据具体的工作条件和要求来选择合适的润滑脂。例如，在高温、高速的工作环境下，可优先考虑滴点高、粘度大的润滑脂；而对于对油渗出要求较高的场合，则需要选择油渗出率适中的润滑脂。

4. 纳米活性炭与植物油基润滑脂的应用前景

4.1 纳米活性炭在环保润滑领域的潜力

纳米活性炭在改善MTO的摩擦学性能方面表现出色，其添加可以显著降低摩擦系数，减少磨损，提高润滑性能。含有纳米活性炭的MTO有望替代传统的SE作为环保型金属加工液，这对于减少对矿物基金属加工液的依赖，实现可持续的加工过程具有重要意义。随着环保意识的不断提高，纳米活性炭在环保润滑领域的应用前景十分广阔。

4.2 植物油基润滑脂在食品工业的应用优势

植物油基NSF H2食品级润滑脂具有无毒、安全、可持续和成本效益等优点，且具有高生物降解性、优异的物理和化学性质。在食品工业中，传统的矿物油基润滑脂存在一些缺点，而植物油基润滑脂可以很好地弥补这些不足。其高滴点和良好的稳定性使其适用于食品加工、包装等行业的机械设备润滑，能够满足食品行业对润滑剂的严格要求。