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產業技術評析

扣件工廠綠色化-奈米潤滑油技術發展
發表日期:2018-03-28
作者:紀翔瀛(金屬中心)
摘要:
全球在環保與節能意識高漲情況下,機械生產設備往縮小體積、減輕重量、提高功率與效率與環境友好方向發展。

全文:

一、前言
 

2015 年巴黎峰會上 ABB 執行長 Ulrich Spiesshofer表示,對抗氣候變遷最好的減碳方式是提升能源效率,也就是「最好的能源是節能」。全球在環保與節能意識高漲情況下,機械生產設備往縮小體積、減輕重量、提高功率與效率與環境友好方向發展。而工業用電中最大宗為馬達用電,全球用電中有 4 成都是設備用電,其中主要為馬達用電,馬達能量消耗主因其一是一直維持全效輸出,造成非作業時間耗能;其二,馬達輸出能量進行加工時,又有約30~45%是消耗在金屬間摩擦能量損失,因此在金屬表面處理技術方面改善,以減少金屬間摩擦,避免無謂能量損耗,進而提高能源使用效率,或為工廠減碳最佳解決方案之一,奈米潤滑油是目前在金屬表面處理技術方面發現的前瞻性產品,目前在多家扣件工廠進行試驗,證明可有效減低煙霧。
 

二、傳統潤滑油的劣勢
 

潤滑添加劑(Lubricant Additives)是化學物質,用來改變油、脂的性質,以提昇其潤滑或化學穩定性。在金屬切削液中,極壓添加劑(Extreme Pressure, EP)與抗磨劑(Anti-Wear, AW)是不可少的添加劑,由於EP與AW均需佔據金屬表面才能作用,但兩者作用機制會互相牽制,因此金屬成型/切削液需大量複雜的混用EP與AW以達到其潤滑效果。添加物質如亞硝酸氨、甲醛、甲苯、有機氯物質、有機磷物質、多環芳香烴等許多有害物質。
 

EP大多是磷、硫或氯化物,硫化物與氯化物的極壓效果最佳,但在亞洲由於短鏈石蠟有毒性的問題,已經都由中鏈石蠟代替。在歐洲由於環保因素,氯基的極壓添加劑在歐洲已被淘汰。AW則是一種會與金屬發生化學反應的鍍膜原料,例如二硫代磷酸鋅(ZDDP or ZnDTP)、二硫代氨基甲酸鉬(MoDTC)即是最常見的。
 

目前EP與AW的成份其生物降解性差,會長期滯留在水和土壤中。美國環保局指出其對水生動植物有致死毒性,極有機會出現長期亞急性致死毒性(即不會招致生物死亡,但毀壞其正常的生態)。水中含油量超越l0 ppm,就會使海洋植物死亡,含油300ppm可使淡水魚死亡。就算排放的廢液經過嚴厲的礦物油回收處置,其在水中的長期積聚也不容無視。切削液的添加劑對環境的污染也是多方面的。如常用作極壓添加劑的氯化石蠟是海水污染物之一;在水基切削液中常用磷酸鈉作防銹劑,而磷酸鹽的積聚會使河流、湖泊因營養富化而呈現赤潮。
 

(半)合成油金屬切削液切削液含有大量微生物,主要是細菌、黴菌及酵母菌,這些微生物不僅會破壞切削液本身的品質還容易產生有害刺激性物質,對於作業員長時間暴露接觸到這樣的環境,對於皮膚、眼睛及呼吸道都有嚴重的傷害。而細菌是造成臭味的主因,切削液中通常會孳生的細菌有耗氧菌和厭氧菌兩種。耗氧菌生存於有氧條件下的礦物質中,並不斷代謝釋放出二氧化硫(SO2),切削液產生難以忍受的嚴重臭雞蛋味。另外,成形/切削液受到摩擦高溫影響,超過溶液閃點,便會形成霧及煙並吸附在操作者上,造成皮膚過敏、支氣管炎,甚至可能會引發癌症。
 

綜合全球潤滑油/切削液使用主要問題在於:(A)單一添加劑無法解決金屬加工問題,但多重EP/AW添加劑引發的化學反應複雜;(B)磷、硫或氯化物的添加劑衍生許多的健康與環保問題。但目前全球金屬加工製造過程中,尚無法克服這項問題。
 

三、新型奈米潤滑油的優勢
 

國際奈米科學大師-瑞雪夫-田尼於1992年發明全世界最潤滑的『IF-WS2』材料,多次獲得諾貝爾化學獎提名,更獲選2016年羅斯柴爾德獎(Rothschild Prize)化學獎。此奈米無機材料外觀有類似富勒烯足球狀結構、內部具有多層洋蔥狀空心結構,整體直徑介於20~200nm之間,由於外觀結構穩定及空心層狀結構可耐高壓荷重達2.5GPa(400,000Psi)。加上主要元素為WS2,所以具備耐高溫(惰性氣體與真空狀態下1200度;大氣下650度)、低摩擦係數(小於0.05)。是目前世界上已知的潤滑油夢幻添加劑材料,目前金屬中心已引進上述研究,圖1為某扣件工廠使用前跟使用後產生油霧之環境比較。
 

圖1 使用奈米潤滑油前後對照

資料來源:金屬中心於某扣件工廠實際拍攝。
圖1 使用奈米潤滑油前後對照。
 

另使用純植物油添加奈米WS2材料的環保油性潤滑劑。奈米材料由於因為其尺度小,質量輕,在溶液中具有較好的分散性和穩定性,作為潤滑油添加劑已表現出優異的性能。其中,洋蔥狀二硫化鎢富勒烯(Onion-like Fullerenes WS2)由於其超強超韌性,獨特的類石墨結構的六邊形結構,具有優異的自潤滑性能。再加上由於“奈米-洋蔥”層間較弱的凡德瓦爾力,使得這種“奈米-洋蔥”結構易於受到剪切力分解,會在摩擦過程間形成數十奈米的WS2塗層薄膜產生潤滑作用。
 

開發強電解水生成設備,在水中加入氯化鉀與食鹽等離子氯化合物,可產生次氯酸HClO、次氯酸根ClO-等物質,具有殺菌力。目前日本所開發的設備最高可得到PH13.5以上的強鹼性電解純水。強鹼性電解水的原料是100%的水,且可在工廠內自行生產,來源穩定。具有極優越的冷卻、清洗性能,不含有害化學物質的無臭無味液體,且不會傷害人體皮膚,同時超鹼性電解水又可在金屬表面產生一層鈍化膜,防止鐵金屬生鏽。
 

但單純強鹼性電解水溶液與純植物油,其潤滑性能並不足以應付金屬切削與成形的使用,所以透過奈米富勒稀二硫化鎢(Nano-fullerene WS2)添加,幫助潤滑性能提升。透過使用綠色環保的成形/切削液,不僅改善工廠煙霧生產環境,還能提高加工品質、節省模具/刀具費用、廢液處理成本及減少汙染。
 

四、結論與觀點
 

機台使用奈米純水潤滑材料,及模具使用微珠擊改質,降低摩擦效應與溫度,優點有三,首先改善生產環境減少油煙,提高職場友善程度;其次,廠內智能化設備通常有高精度、高敏度要求,油煙減少將有效避免感測器偵測不良或受損;最後,奈米潤滑液與表面微珠擊改質將直接有效提高模具壽命,經過工程演算,成本效益有150~200%的成長幅度。
 

使用奈米潤滑油最大的優勢是符合環保。以綠色製程概念,有效監控廠內設備能源消耗,以及導入純水奈米潤滑劑與模具微珠擊改質技術打造扣件業友善環境工廠,大幅提高扣件生產品質、減少模具/刀具損耗成本、減少設備停機/人員更換的時間,改善工廠煙霧環境,增加勞動力投入扣件產業意願。但目前奈米潤滑油仰賴進口,台廠是否可藉由配方本土化而降低使用奈米潤滑油成本,是未來可否全面推廣扣件工廠使用奈米潤滑油的關鍵。
 

(本文作者為金屬中心執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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