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随着液压支架引入到我国煤矿，自20世纪80年代开始进行液压支架传动介质的研究[1-2]，产品先后经历了乳化油、微乳液、浓缩液3个技术阶段，取得了丰硕成果。液压支架用浓缩液产品因环保高效成为目前主流。产品在应用中，需要用矿井水按规定比例配制高含水液压液使用，一般为质量分数5%。因此矿井水质对支架浓缩液的使用性能有很大影响，尤其是硬度对稳定性的影响[3]。我国幅员辽阔，配液水质复杂多变，行业标准根据产品适应水质条件，将浓缩液划分了8个等级型号[4]，而业内对配液水质通用的液压支架浓缩液产品目前尚属空白。
为解决传动介质国产化的问题，煤炭科学研究总院对液压支架用乳化油展开了科研攻关，开发了M-10型液压支架用乳化油、MDT型液压支架通用乳化油、DYZ单体液压支柱用乳化油等产品，取得了一系列成果。很多文献也介绍了液压支架用传动介质的研究进展，许海霞等[5]以水为基础液载体，研制了一种新型合成液压支架用浓缩液压液，配方中不再使用矿物油，具有稳定性更好、环境友好等特点；顾茜[6]研制了具有增溶作用稳定体系的一种液压支架用浓缩液，配方中同样不再使用矿物油；韩勇等[7]针对电液控制系统的特点, 研究开发了一种稳定性优越、洁净度高的新型环保型矿用浓缩液,产品各项性能充分满足电液控制系统的要求, 生物降解性能良好；曾拥军等[8]通过对各类添加剂的综合考察,建立了微乳型液压支架用乳化油的配方体系,研制的ME15-4微乳型液压支架用乳化油不含亚硝酸盐；李谨等[9]针对液压支架用高含水液压液产品的储存和实际使用工况,研制了一种液压支架用液态浓缩物，产品各项性能均符合要求；赵玉玲等[10]通过对添加剂的合成、筛选及复配，开发了微乳型液压支架用乳化油HFAE10-5的配方体系。但上述文献均未涉及浓缩液通用型号，目前，国外该产品领域文献鲜有报道，国内至今尚未有适合高硬水、高阴离子含量的新型液压支架浓缩液产品推出。因此，笔者通过引入新官能团对水溶性润滑添加剂进行改性，合成了抗高硬度水质的新型多功能添加剂[11]，并以其为基础，设计了通用型液压支架浓缩液产品，以期提升水基液压液整体技术性能，满足复杂多变的水质情况。
根据行业强制标准MT 76—2011对液压支架浓缩液稳定性、润滑性、防锈性等性能要求，在配方设计中引入相关组分[6]。通用型浓缩液研究基础是产品体系润滑性、稳定性之间的平衡。当前，液压支架传动介质的润滑剂多采用阴离子的长碳链羧酸皂类，该类添加剂润滑性优异，但抗硬水能力有限[7]，易与二价阳离子生成不溶性皂类析出，造成浓缩液产品与水质不匹配，进而影响液压支架的稳定运行[8]，制约产品通用化。目前，兼具高效润滑性、抗硬水能力的添加剂鲜有报道，因此重点阐述高效润滑剂的合成。
1)添加剂的制备。兼具高效润滑性、抗硬水能力添加剂的合成是技术关键。近年来，水性润滑剂因环保、经济性而得到迅速发展，研究日益受到重视，主要分为油性润滑剂的改性和分子设计2个方向。硫系、磷系润滑剂的水溶性改性研究曾得到广泛关注[9-12]，但均性能不理想或污染环境。水性润滑剂的分子设计和合成是目前研究热点。有机羧酸制备工艺简单，多为植物油下游产物，绿色环保，来源广泛。根据碳链不同具有多种性能，如防锈性、润滑性等，因此应用越来越广泛[13-14]。
笔者根据分子设计观点[15]，选择绿色润滑性好的植物油衍生物有机羧酸—蓖麻油酸，在其分子中引入耐硬水的亲水性磺酸基，形成磺化蓖麻酸。然后用醇胺中和，形成水溶性多功能添加剂。
合成反应的技术关键在于物料配比、工艺温度等工艺条件选择[16]。为确定磺化反应工艺，笔者研究了配比、反应温度、反应时间的影响。蓖麻油酸的磺化工艺过程为：磺化—盐水水洗—分液漏斗分离，取上层液体。磺化蓖麻油酸收率通过测定分离产物硫元素含量计算得出。正交试验见表1，试验结果见表2。
表1 正交试验设计
Table 1 Orthogonal experiment design
水平温度/℃(A)蓖麻油酸与浓硫酸物质的量之比(B)反应时间/h(C)1451∶13.02501∶24.53551∶36.0
表2 正交试验结果
Table 2 Orthogonal experiment results
序号正交组合磺化率/%序号正交组合磺化率/%1A1B1C1126A2B3C1622A1B2C2527A3B1C3213A1B3C3598A3B2C1494A2B1C2179A3B3C2635A2B2C374———
由表1、表2可知，物料配比对磺化反应的影响最大，其次是反应温度，反应时间影响相对较小。蓖麻油酸磺化反应的最佳工艺为A2B2C3。
物料配比：在反应过程中，硫酸既是反应物料，又是催化剂，且反应为可逆反应，浓硫酸应过量。浓硫酸比例低，反应进行不完全，配比过高，过磺化产物就会过多，会随水洗流失，收率低，因此最佳配比为n(蓖麻油酸)∶n(浓硫酸)=1∶2。
反应时间：反应时间也对反应有影响，在合适物料配比条件下，反应要充分，因此反应时间要控制在3～6 h，浓硫酸缓慢滴加。
反应温度：反应放热较强，反应温度过高，反应速度非常快，使反应温度不易控制；温度过低，则反应较慢，酸量和磺化程度难以控制。最佳温度控制应在(50±2)℃。
综上，蓖麻油酸磺化反应温度控制在(50±2)℃，反应时间控制在3～6 h，物料比为n(蓖麻油酸)∶n(浓硫酸)=1∶2。产物经水洗分离后，与醇胺按比例(物质的量比1∶3)中和，得到磺化蓖麻油酸醇胺，中和后溶液pH值为8～9。
为研究反应是否引入磺酸基团，对磺化蓖麻油酸醇胺进行表征，如图1所示。
图1 磺化蓖麻油酸醇胺红外谱图
Fig.1 Infrared spectra of sulfonated ricinoleamine
从图1可知，磺化蓖麻油酸醇胺在1 250 cm-1处具有磺酸基中的硫氧双键吸收峰，表明蓖麻油分子结构引入了—OSO3基团。
2)性能评测。从抗硬水、润滑性、防锈性方面对合成的磺化蓖麻酸醇胺盐的性能进行试验。试验条件如下：配液质量分数1%(质量比)；试验周期为室温24 h。
通过外观考察合成酸醇胺盐的耐硬水能力。润滑性试验方法很多[17]，采用常用的四球试验机评价，四球机的试件为4个直径相同的Ⅱ级轴承钢球(直径12.7 mm，材料GCr15)，按等边四面体排列。转速1 400～1 500 r/min。通过测量钢球的磨斑直径，查表得出最大无卡咬负荷PB。以MT 76—2011《液压支架用乳化油、浓度液及其高含水液压液》铸铁点滴腐蚀试验方法评定防锈性能，铸铁点滴试验是一种在短时间内可以得出试验结果的加速腐蚀试验方法，试验时将试液在铸铁表面以梅花状分布点滴5点，观察这5点液体覆盖下的铸铁表面锈蚀情况。试验结果如下：磺化蓖麻酸醇胺盐为2 000 mg/L硬度水质配液，无析出物、无沉淀物；润滑性(PB值)为去离子水配液，597.8 N；氯离子质量浓度200 mg/L；人工盐水配液，24 h无锈蚀、无色变。由此可知，笔者合成的磺化蓖麻酸的醇胺盐均具有优异的抗硬水能力，可耐2 000 mg/L硬度水质，同时具有良好的润滑性及防锈性。这是由于蓖麻酸分子属于长碳链羧酸，其盐本身具有润滑性及防锈性，在分子内引入的磺酸基及醇胺均为耐硬水基团，使合成的磺化蓖麻酸的醇胺盐，既具有润滑防锈作用，又在硬水介质中稳定存在，是优良的多功能添加剂。
选用合成磺化蓖麻油酸醇胺盐起润滑、辅助防锈作用，起缓蚀作用，结合高效复合防锈剂、调整剂、消泡剂等其他功能性添加剂，形成了通用型液压支架浓缩液产品，生产工艺为调和反应。
将样品送煤炭工业北京矿用油品产品质量监督检验中心进行检验，配液用水为自配人工硬水。水质经测定，硬度1 563 mg/L，硫酸根浓度1 490 mg/L，氯离子浓度697 mg/L，电导率3 580 μS/cm，均高于标准人工硬水指标。检验结果显示本文浓缩液性能均符合MT 76—2011标准要求，主要指标高于标准技术要求，见表3。
表3 通用型浓缩液主要技术指标
Table 3 Main technical indexes of general concentrated liquid
主要技术指标检验结果标准要求热稳定性无分层、析水、沉淀物或絮状物,液面无析出物无分层、析水、沉淀物或絮状物,液面析出物体积≤0.1%室温稳定性无分层、析水、沉淀物或絮状物,液面无析出物无分层、析水、沉淀物或絮状物,液面析出物体积≤0.1%密封材料相容性/%4.80～6PB/N597.8≥392消泡性/mL0≤2
选取行业内具有代表性的高等级型号浓缩液 HFAS30-5(G) 样品，与通用型样品进行不同配液质量分数条件下的性能比对，配液用水为上文自配人工硬水，主要技术指标见表4。
由表4可知，标准配液质量分数(5%)条件下，HFAS30-5(G)样品与本文通用型样品性能指标均满足标准要求，但在低质量分数(3%)条件下，HFAS30-5(G)样品稳定性、防锈性、润滑性不符合标准要求，而本文通用型样品性能合格。说明本文设计的通用型支架浓缩液，具有技术正偏离，高安全系数，三大主要性能稳定性、防锈性、润滑性均优于行业内具有代表性产品。
表4 HFAS30-5(G)样品和通用型样品主要技术指标比对结果
Table 4 Comparison results of main technical indicators for HFAS30-5(G) samples and general samples
技术指标标准要求HFAS30-5(G)样品质量分数5%质量分数3%通用型样品质量分数5%质量分数3%热稳定性无分层、析水、沉淀物或絮状物,液面析出物体积≤0.1%无分层、析水、沉淀物或絮状物,液面无析出物无分层、析水、有沉淀物,液面无析出物无分层、析水、沉淀物或絮状物,液面无析出物无分层、析水、沉淀物或絮状物,液面无析出物室温稳定性无分层、析水、沉淀物或絮状物,液面析出物体积≤0.1%无分层、析水、沉淀物或絮状物,液面无析出物无分层、析水、有沉淀物,液面无析出物无分层、析水、沉淀物或絮状物,液面无析出物无分层、析水、沉淀物或絮状物,液面无析出物防锈性铸铁、常温,无锈迹或色变无锈迹或色变有锈迹无锈迹或色变无锈迹或色变PB/N≥392431352597.8431
1)根据水基体系的特点，合成出了耐硬水、高效绿色水基多功能润滑剂，能够适应从软水到特高硬度水质的极宽范围的配液水质。
2)根据MT 76—2011标准的技术要求，研制出通用型液压支架浓缩液。各项性能指标满足标准要求，产品的适应矿井水电导率超过3 500 μS/cm，性能优异。
3)通过与现用HFAS30-5(G) 样品性能比对，通用型支架浓缩液具有高安全系数，支架传动介质三大主要性能稳定性、防锈性、润滑性均优于行业内代表性产品。
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