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,添加奈米材料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均需占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l0ppm,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、內部具多層洋蔥狀空心結構,整體直徑介於20~200nm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0.03)。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。

奈米「IF-WS2」材料因為其尺度小,比重輕,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,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「奈米-洋蔥富勒烯(Onion-like Fullerenes WS2)」層與層之間較弱的凡德瓦爾力,使得這種結構受到橫向剪切力易於分解,會在摩擦過程間形成數十奈米的WS2薄膜產生潤滑塗層作用。

另外目前也開發出「IF-WS2」搭配電解水的純水潤滑液,電解水的原料是100%的水,不僅有優異的潤滑性能,還兼具防鏽抑菌、快速散熱冷卻的特性,是不含油脂與有害化學物質的無臭無味液體,也不傷害人體皮膚。透過奈米富勒烯二硫化鎢(Nano-fullerene WS2)添加,可幫助潤滑性能提升。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污染,是畫時代的環保潤滑液產品。

四、結論與觀點

螺絲生產機台添加奈米潤滑材料,搭配模具使用各種表面處理技術,實質優點有三,首先大幅減少螺絲生產油霧環境,提高職場友善程度,增加勞動力投入?件產業意願;其次,廠內自動化/精密儀器設備通常有高精度、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,降低螺絲生產摩擦效應與生產溫度,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,減少成本效益評估有50%~200%的幅度。(本文作者為金屬中心資深產業分析師紀翔瀛)

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