陈铁旦，夏延秋，刘志鲁，王泽云，3，闻振中

（1.中国科学院 兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州730000；2.安徽淮北师范大学 化学与材料科学学院，安徽 淮北235000；3.中国科学院 研究生院，北京100039；4.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京102206）

餐饮业废油大致分为地沟油、泔水油和煎炸老油 3类，其中含有多种有害成分。餐饮业废油经简单加工并再次返回餐桌，严重威胁人们的身体健康［1-2］。对地沟油的监控及管理方面存在很大难度，尹平河等［3］对地沟油的快速检测进行了研究；在地沟油转化利用方面，有报道称可通过化学法生产生物柴油和化工基础原料［4-5］，以酯交换反应为基础制备生物柴油［6］。食用油作为润滑油脂早在古代就开始使用，近年来，有关植物油用作润滑油研究很多［7-8］，但至今尚无利用废弃食用油制备润滑脂的报道。

笔者利用一种呈纤维状形态、直径20～40nm、长度0.5～1μm的天然纳米凹凸棒黏土作稠化剂，利用其独特的结构，比表面积大、表面活性强、多孔性和吸附能力强等特性，稠化废油制备润滑脂，并考察了它们的理化性能和摩擦学性能。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

凹凸棒黏土，江苏华源公司产品；菜籽油，一级，新加坡郭氏兄弟公司产品；十六烷基三甲基溴化铵，AR，国药集团产品；乙醇、乙醚、丙酮，AR，天津医药公司产品；氢氧化钾，AR，天津丰越公司产品。

1.2 润滑脂的制备

1.2.1 凹凸棒黏土稠化剂的改性

将一定量纯化后的凹凸棒黏土与十六烷基三甲基溴化铵按照一定比例混合，然后加入一定量的蒸馏水和乙醇溶液，60℃恒温搅拌12h。高速离心分离洗涤3次，100℃烘干，破碎得所需有机凹凸棒黏土，备用。

1.2.2 润滑脂的制备

取34g食用废油作为基础油。首先将17g废油加入到烧杯中，边搅拌边将6.5g有机凹凸棒黏土缓慢加入到废油中，使其混合均匀，同时加入少量的丙酮以确保凹凸棒黏土完全分散到油中，继续搅拌30min。之后升温至60℃并保持30min，以去除丙酮，再将剩余的17g废油加入其中，置于三辊研磨机中研磨3次，得到所需润滑脂。

另外，将一定量的食用废油加入到一定浓度的氢氧化钾溶液中震荡碱洗，然后加入一定比例的乙醇、乙醚混合溶液萃取，得到碱洗废油。分别以34g菜籽油和34g碱洗废油作为基础油，按上述方法制备润滑脂。

1.3 基础油和润滑脂的理化性能测定

分别按照 GB／T5009.37-2003、GB／T 5009.37-2003、 GB5096-85、 GB／T 5009.37-2003、 GB／T265-1988、GB／T265-1988所列方法测定食用废油、碱洗废油和菜籽油的外观、总酸值、铜腐蚀、过氧化值和运动黏度。分别按照GB／T 3498、GB／T 269的方法测定润滑脂的滴点和针入度。

1.4 DSC-TGA分析

采用STA449C同步型热分析仪（Jupiter-Simultaneous DSC／DAT-TG）测定3种润滑脂的热分解温度。升温速率10℃／min，温度变化范围20～500℃，氮气保护。

1.5 摩擦学性能测试

采用德国Optimol公司SRV-1型摩擦磨损试验机评定润滑脂的摩擦磨损性能。选用GCr15钢块为下试件（硬度为790HV），直径10mm的GCr15钢球为上试件（硬度为710HV），摩擦副接触形式为球-盘点接触，往复频率25Hz，振幅1mm，周期30min。试验前需将钢块在抛光机上抛光，钢球和钢块均需用石油醚超声清洗10min。试验结束后利用MicroXAM-3D型轮廓扫描仪测量下试件的磨损体积。

1.6 摩擦表面分析

采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜 （SEM）（Jeol，Tokyo，日本）观察下试件磨痕形貌。采用PHI-5702型X射线光电子能谱仪分析钢块磨斑表面主要元素的化学状态，选用Al-K（线，通过能量29.35eV，以C1s结合能284.60eV作为内标。

2 结果与讨论

2.1 食用废油制备的凹凸棒润滑脂的理化性能

2.1.1 基础油的理化性能

表1列出了制备凹凸棒润滑脂所采用的食用废油的理化性能，为作比较，同时列出了菜籽油和碱洗废油的理化性能。

由表1可见，废油和碱洗废油的过氧化值、酸值均不符合国家标准。碱洗废油、菜籽油的腐蚀性能良好。废油和碱洗废油的运动黏度也均高于菜籽油，表明废油的极性增大。

2.1.2 凹凸棒润滑脂的理化性能

3种基础油制备的凹凸棒润滑脂的理化性能列于表2。

表1 3种凹凸棒润滑脂基础油的理化性能Table 1 Typical physic-chemical properties of three base oils for attapulgite grease

表2 3种凹凸棒润滑脂的理化性能Table 2 Typical physic-chemical properties of three attapulgite greases

由表2可见，3种润滑脂的热分解温度以菜籽油基脂最高，而废油基脂的热分解温度最低。因为植物油经过多次高温下的反复使用，其成分发生了变化，导致废油的抗氧化性能降低。

2.2 摩擦学性能

图1为3种润滑脂的摩擦系数随载荷的变化。从图1可见，废油基脂和碱洗油基脂的摩擦系数在4种载荷下差别均很小，而菜籽油基脂的摩擦系数均比相应载荷下废油基脂和碱洗油基脂的高。废油和碱洗油中含有大量的醛、酮等物质，这些物质与有机凹凸棒黏土具有很好的包容性，因而能够形成稳定的溶胶，在钢-钢摩擦副运动过程中凹凸棒黏土起到滚动减摩的作用［9］，菜籽油基脂中的酸及醛、酮含量较少，不易吸附到钢块表面、不易形成吸附膜，所以减摩抗磨性能差［10］。

图1 3种润滑脂的摩擦系数随载荷的变化Fig.1 Variation of friction coefficient of three greases with applied load

图2为3种润滑脂在4种载荷下的磨损体积。由图2可见，废油基脂及碱洗油基脂的磨损体积比相应载荷下菜籽油基脂的小，而菜籽油基脂在300N、400N载荷下磨损体积增加较多，尤其是在400N下磨损体积更大。表明菜籽油基脂在高载荷下的边界润滑能力比废油基脂、碱洗油基脂差，而废油基脂及碱洗油基脂却显示了良好的抗磨减摩性能。这是因为废油及碱洗油中醛、酮等极性结构物质能够在钢块表面形成相对较厚的吸附润滑膜的结果。

图2 3种润滑脂在不同载荷下的钢块磨损体积Fig.2 Wear volume of steel block for three greases under different applied loads

2.3 表面分析结果及机理探讨

图3（a）～（f）分别示出了废油基脂、碱洗油基脂、菜籽油基脂80倍和400倍的磨斑表面形貌。结果发现，在相同试验条件下，废油基脂以及碱洗油基脂的磨斑表面较为光滑平整，且擦伤较为轻微；菜籽油基脂的磨斑表面较为粗糙，且擦伤较严重。同时也可以看出，废油基脂以及碱洗油基脂的犁沟较浅，而菜籽油基脂的犁沟较深。这也印证了废油基脂以及碱洗油基脂磨损体积和摩擦系数比较接近，菜籽油基脂磨损体积和摩擦系数较大的结果。

图3 3种润滑脂润滑下的钢块磨斑表面的SEM照片Fig.3 SEM morphologies of worn surfaces of steel block lubricated by three greases

图4为3种润滑脂钢块磨斑表面的XPS分析结果。由图4可知，结合能位于286.0eV和285.2eV C1s峰分别归属于污染C及基础油碳链中的C［11］，其化合物分别为（—CH2CH（OH）—）n和—NCH3CONHCOCHCH—［12-13］；结合能位于532.7eV的 O1s峰归属于（—CH2C（CH3）（C（O）CH2CHOCH2）—）n，来源于油，位于530.1eV 的O1s峰归属于Fe（OH）O，这是摩擦过程中发生复杂化学反应的结果［14-15］；结合能位于710.9eV 的Fe2p峰归属于FeSO4，来源于下试件钢块在摩擦过程中有铁的硫酸盐出现，也说明试件上的铁在摩擦过程中不是简单地被磨掉，而是和润滑脂中的某些物质发生了化学反应［16］；结合能位于400.8eV的N1s峰，归属于—NHCSNHCOCHCH—或者—NO-［17-18］3，来源于污染油中的N；结合能位于348eV、353.0eV的Ca2p峰归属于CaSO4，其来源应为凹凸棒黏土晶体骨架上的Ca，说明凹凸棒黏土在摩擦过程中确实起到了滚动减摩作用，并有少量骨架上的Ca在钢-钢摩擦副运动过程中发生了化学反应［19］；结合能位于102.7、103.7eV 的 Si2p峰归属于SiO2和硅铁氧化物，来源于凹凸棒黏土，说明在摩擦过程中一部分凹凸棒黏土发生了分解，并有一部分Si和下试件中的铁发生了化学反应生成相应的化合物［20］；结合能位于1072.6eV的 Na1s峰归属于NaCrO2，源于凹凸棒黏土。

3 结 论

以改性凹凸棒黏土为稠化剂的废油基润滑脂及碱洗油基润滑脂的腐蚀试验合格，抗磨减摩性能优良，与菜籽油基润滑脂相比，其摩擦系数要低，抗磨性能提高43%～68%。分析表明，摩擦表面形成的摩擦化学保护膜是润滑脂抗磨和减摩性能提高的根本原因。该研究为地沟油的应用提供了可能。

图4 3种润滑脂润滑下的钢块磨斑表面的XPS谱Fig.4 XPS spectra of worn surface of steel block lubricated by three greases

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