CN109207241B - 一种盾构掘进机专用盾尾密封油脂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地下隧道工程盾构法施工中使用的盾构掘进机专用盾尾密封油脂及其制备方法。所述盾构掘进机专用盾尾密封油脂由下列原料组成：基础油8～25重量份、粘度指数改性剂10～20重量份、金属皂基稠化剂1～5重量份、附着力促进剂2～10重量份、润滑脂2～10重量份、填料25～50重量份、膨润土5～10重量份、纤维2～5重量份、防霉变剂0.1～3重量份；所述基础油为I类、II类或III类加氢精制基础油、机械油、植物油中的一种或多种，优选II类加氢精制基础油。该密封油脂制备工艺简单、环保无毒、可生物降解，具有泵送性能优异、抗挥发性好、止水密封性能出色、润滑效果好、性能稳定、粘附性强等优点，且对金属有防腐防锈能力。

Description

一种盾构掘进机专用盾尾密封油脂及其制备方法
技术领域
本发明属于密封油脂技术领域，具体涉及一种地下隧道工程盾构法施工中盾构掘进机专用盾尾密封油脂及其制备方法。
背景技术
随着我国地铁、综合管廊、公路、铁路等事业迅速发展，地下隧道工程建设蒸蒸日上。据统计，约有75％的运营线路为地铁，预计至2022年，地铁总长度将达到8033.3公里，从2017年起新增4919.6公里。盾构技术是国内外广泛采用的地下隧洞全机械化开挖施工技术，在我国未来城市地下空间开发利用中应用前景十分广阔，其关键是使用了盾构掘进机。盾尾密封油脂是隧道盾构掘进机钢丝刷型盾尾的主要配套材料之一，起到润滑、密封、防水、防蚀作用，可有效保护盾尾和隔绝泥浆，保障盾构顺利推进，同时对盾构有防蚀和减小磨损的效果。
盾尾密封油脂产品供应长期被国外公司垄断(如法国CONDAT公司、法国道达尔、日本三菱商事、美国壳牌、美孚、德国巴斯夫等)，而我国相关技术研究较晚。经过十多年的技术发展，国外盾尾密封油脂技术逐渐成熟，国内很多企业、大专院校和科研机构进行了盾尾密封油脂技术的研究，开发的产品基本能够满足国内盾构施工中的应用要求，但不同厂家的产品性能参差不齐。一种高性能盾尾密封油脂应具备出色的抗水压密封性能、宽温度范围内优异的可泵送性、良好的润滑效果、稳定的产品质量、较强的粘附能力、防腐防锈以及环境友好等特点，以有效保障地下隧道盾构施工中盾构掘进机的安全、高效、顺利掘进。
目前，国内隧道盾构法施工所采用的盾尾密封油脂主要是进口产品，尤其是越江、海底隧道盾构施工，其性能存在较大优势，但价格昂贵，施工成本高。虽然国内盾尾密封油脂已得到长足发展，但市场上性能优异、质量稳定的产品相对较少，主要存在挥发性大、抗水压密封能力欠佳、高温粘附性弱、温度变化时稠度变化较大等问题。
中国专利CN106244299A公开了一种盾尾密封油脂，该隧道工程掘进设备盾构机盾尾密封油脂的组分组成为：基础油15～30％、润滑脂10～20％、增粘剂2～8％、附着力促进剂1～5％、纤维5～10％、粉填料30～50％；本发明主要由基础油、润滑脂、纤维和填料组合而成，特别地还添加了附着力促进剂，利用附着力促进剂与基材表面的相互作用力增强产品的粘附力和稳定性；产品性能稳定，长时间暴露在空气中亦无离析、干裂现象，遇热不产生下垂和流淌，低温下亦能保持较好的泵送性能；对金属具有优异的粘附力和一定的防腐蚀性，兼具出色的止水和润滑效果，易生物降解，环保无毒；但是其抗水压密封性仍然较差，水流冲失量较高。
中国专利CN106906031A公开了一种耐高水压盾构用盾尾密封油脂，该油脂由按重量百分比的以下组分组成：基础油150N 8～18％，聚异丁烯10～30％，锂基脂10～30％，有机膨润土1～10％，木质纤维素2～6％，矿物纤维1～5％，碳酸钙20～40％，硫酸钡5～10％，滑石粉5～10％。该发明耐高水压盾构用盾尾密封油脂在实验室25℃下，能耐6MPa的水压，在实际盾构现场施工中，能耐0.45～0.65MPa的高水压其抗水压密封性较好，但是水流冲失量较高，且泵送性较差。
针对上述问题，开发一种密封性能出色、宽温度范围泵送性能优异、粘附能力强、润滑效果好、质量稳定的环境友好型盾构掘进机专用高性能盾尾密封油脂是势在必行。
发明内容
针对以上技术的不足，本发明旨在至少解决现有技术问题之一，提供一种盾构掘进机专用盾尾密封油脂，其具有密封止水性能出色、宽温度范围泵送性能优异、粘附能力强、润滑效果好、性能稳定，挥发性小等特点，且对金属有防腐防锈能力，可有效保障地下隧道盾构施工过程中盾构掘进机的安全、高效、顺利掘进。
本发明的另一个目的在于提供上述盾构掘进机专用盾尾密封油脂的制备方法，该方法制备工艺简单、操作方便、安全可靠、设备投入成本低，利于推广。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现：
一种盾构掘进机专用盾尾密封油脂，主要由以下原料组成：基础油8～25重量份、粘度指数改性剂10～20重量份、金属皂稠化剂1～5重量份、附着力促进剂2～10重量份、润滑脂2～10重量份、填料25～50重量份、膨润土5～10重量份、纤维2～5重量份、防霉变剂0.1～3重量份；所述基础油为I类、II类或III类加氢精制基础油、机械油、植物油中的一种或多种，优选II类加氢精制基础油。所述金属皂稠化剂主要包括硬脂酸锂、硬脂酸钙、12-羟基硬脂酸锂、12-羟基硬脂酸钙中的一种，更优选12-羟基硬脂酸锂。
所述粘度指数改性剂包括聚异丁烯、乙丙共聚物、LHT7016星行烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸酯、阿拉伯胶等中的一种或多种，更优选聚异丁烯。
所述附着力促进剂包括醇酸树脂、丙烯酸树脂、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷等中的一种或多种。
所述润滑脂为锂基润滑脂、钙基润滑脂、钠基润滑脂、二硫化钼润滑脂、混合皂基润滑脂、复合皂基润滑脂中的一种或多种，更优选2号锂基润滑脂。
所述填充料包括轻质碳酸钙、重质碳酸钙、硫酸钡、滑石粉等中的一种或多种，更优选轻质碳酸钙、重质碳酸钙两者混合物。。
所述膨润土包括钠基膨润土、钾基膨润土、钙基膨润土和/或有机膨润土中的一种，更优选为钠基膨润土。
所述纤维为可降解的木质纤维、棉纤维、亚麻纤维中的一种或多种，且纤维长度为0.5～5mm。
所述防霉变剂包括苯并咪唑、异噻唑啉酮、有机硫、有机胺等中的一种或多种，更优选有机硫抗氧化剂更适合于盾构掘进机的工况。
所述苯并咪唑优选2-(4-噻唑基)苯并咪唑、苯并咪唑氨基甲酸甲酯；
异噻唑啉酮优选2-烷基-4-异噻唑啉-3-酮、1,2-苯并异噻唑啉酮及其N-烷基衍生物、5,6-二氯苯并恶唑啉酮等中的一种或多种；
有机硫优选二烷基二硫代磷酸锌、二硫代氨基甲酸盐中的一种或两种；
有机胺优选四甲基二硫化秋兰姆、N,N-二仲丁基对苯二胺中的一种或两种。
本发明所述的盾构掘进机专用盾尾密封油脂的制备方法是：将8～25重量份精制基础油、1～5重量份金属皂稠化剂加入捏合搅拌机中，于60～100℃下搅拌0.5～1h；依次加入10～20重量份粘度指数改性剂、2～10重量份润滑脂、0.1～3重量份防霉变剂加热搅拌直至完全溶解；将混合物降温至50～60℃，向捏合搅拌机中加入2～5重量份纤维，并均匀搅拌30～60min；然后，向体系中加入5～10重量份膨润土，捏合均匀后，以5:3:2重量比分批加入30～60重量份填充料，充分捏合搅拌匀质1～3h。
本发明中基础油和润滑脂起到润滑、密封和保护作用，可改善盾尾密封油脂的流动性、可泵送性，并且半固体膏状润滑脂填充于盾尾钢丝刷的间隙中，有效防止土砂和泥浆渗入。
本发明中使用膨润土，遇水膨胀，使盾尾刷密封舱中密封油脂在有限腔体空间内更加密实，提高密封性能；本发明还意外的发现加入特定的稠化剂在基础油体系中可以形成立体网状结构的皂纤维，作为一种骨架起支撑体系平衡的作用，本发明的稠化剂和膨润土和基础油配合，不仅可以提高产品的保油性、附着性，并且可以降低其挥发性、改善泵送性，大大提高其抗水流失性。
粘度指数改性剂采用低分子量增粘效果好的产品，不仅可提高油脂黏结性、附着力和密封性，使无机填料和纤维有机结合，同时提高宽温度范围内盾尾密封油脂的泵送性能。附着力促进剂通过特殊基团与金属、混凝土管片等表面的羟基反应，增强盾尾密封油脂在材料表面的粘附能力，进而提高其密封止水性能。纤维和盾尾密封油脂中其它组分相容性好，可增加油脂的整体性和抗水冲能力，并且其可生物降解，对水源和土壤无污染。
防霉变剂通过强氧化作用，抑制霉菌生长，从而防止产品长时间储存发生霉变而影响其性能稳定性。
将重质碳酸钙或重晶石与轻质碳酸钙混合使用以提高产品稠度、丰度、细腻度和降低成本。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的产品无气味、可生物降解、环保无毒，对土壤和水无污染；
(2)本发明使用金属皂稠化剂配合膨润土，提高产品的抗挥发性、保油性、附着性、密封性能和抗水流失性；
(3)本发明的各原料相互配合，使本发明产品宽温度范围泵送性能优异、密封止水性能出色、润滑效果好、工作性能稳定、粘附性强以及对金属有防腐防锈能力，综合性能显著优于现有产品；
(4)本发明的产品适用范围广，尤其适用于恶劣工况下的盾构施工作业。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明各技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。本领域技术人员依据以下实施方式所作的方法、工艺路线、功能的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
实施例1
将80kg基础油150BS(I类加氢精制基础油)、10kg12-羟基硬脂酸锂加入捏合搅拌机中，于80℃搅拌30min；依次加入55kg聚异丁烯、50kg醇酸树脂、25kg 2号锂基润滑脂和15kg二烷基二硫代磷酸锌加热搅拌直至完全溶解；然后，将混合物降温至50℃，向体系中加入50kg钠基膨润土并搅拌均匀后，将200kg轻质碳酸钙和重质碳酸钙混合物(1:1)以5:3:2重量比分批加入捏合搅拌机中，并搅拌均匀；最后，向捏合搅拌机中加入15kg木质纤维，充分捏合搅拌匀质2h。
对比例1
本对比例提供了一种盾构掘进机专用盾尾密封油脂的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，所不同的是：不含12-羟基硬脂酸锂，聚异丁烯用量为65kg。
对比例2
本对比例提供了一种盾构掘进机专用盾尾密封油脂的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，所不同的是：将“钠基膨润土”改为等量的“钙基膨润土”。
对比例3
本对比例提供了一种盾构掘进机专用盾尾密封油脂的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，所不同的是：将“50kg钠基膨润土、200kg轻质碳酸钙和重质碳酸钙混合物”改为“250kg的轻质碳酸钙”。
对比例4
本对比例提供了一种盾构掘进机专用盾尾密封油脂的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，所不同的是：该对比例中不含二烷基二硫代磷酸锌，基础油150BS用量为95kg。
实施例2
将60kg机械油46#、15kg硬脂酸锂加入捏合搅拌机中，于100℃搅拌30min；依次加入75kg聚异丁烯、15kg松香树脂、15g醇酸树脂、25kg 2号钙基润滑脂和5kg二硫代氨基甲酸钠加热搅拌直至完全溶解；然后，将混合物降温至60℃，向体系中加入25kg钠基膨润土并搅拌均匀后，将255kg轻质碳酸钙和重质碳酸钙混合物(4:1)以5:3:2重量比分批加入捏合搅拌机中，并搅拌均匀；最后，向捏合搅拌机中加入10kg木质纤维，充分捏合搅拌匀质3h。
实施例3
将90kg基础油500N(II类加氢精制基础油)、7.5kg硬脂酸钙加入捏合搅拌机中，于100℃下搅拌30min；依次加入70kg聚异丁烯、10kg丙烯酸树脂、25kg 2号锂基润滑脂和7.5kg二硫代氨基甲酸钠加热搅拌直至完全溶解；然后，将混合物降温至50℃，向体系中加入45kg有机膨润土并搅拌均匀后，将230kg轻质碳酸钙和重质碳酸钙混合物(3:1)以5:3:2重量比分批加入捏合搅拌机中，并搅拌均匀；最后，向捏合搅拌机中加入15kg竹纤维，充分捏合搅拌匀质2h。
实施例4
将50kg基础油150SN(I类加氢精制基础油)、75kg 64#机械油、25kg硬脂酸钙加入捏合搅拌机中，于100℃下搅拌30min；依次加入37.5kg聚异丁烯、37.5kg聚甲基丙烯酸酯、20kgγ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、10kg锂基润滑脂、10kg钙基润滑脂和10kg苯并咪唑氨基甲酸甲酯加热搅拌直至完全溶解；然后，将混合物降温至50℃，向体系中加入25kg钠基膨润土并搅拌均匀后，将175kg轻质碳酸钙以5:3:2重量比分批加入捏合搅拌机中，并搅拌均匀；最后，向捏合搅拌机中加入25kg棉纤维，充分捏合搅拌匀质2h。
实施例5
将75kg基础油150BS、5kg 12-羟基硬脂酸锂加入捏合搅拌机中，于80℃下搅拌50min；依次加入40kg聚异丁烯、40kg乙丙共聚物、10kg醇酸树脂、35kg二硫化钼润滑脂和12.5kg N,N-二仲丁基对苯二胺加热搅拌直至完全溶解；然后，将混合物降温至50℃，向体系中加入50kg钾基膨润土并搅拌均匀后，将210kg轻质碳酸钙和重晶石粉(1:1)混合物以5:3:2重量比分批加入捏合搅拌机中，并搅拌均匀；最后，向捏合搅拌机中加入22.5kg木质纤维，充分捏合搅拌匀质2.5h。
实施例6
将90kg蓖麻油、15kg 12-羟基硬脂酸锂稠化剂加入捏合搅拌机中，于100℃下搅拌60min；依次加入50kg乙丙共聚物、20kg LHT7016星行烯烃共聚物、25kg醇酸树脂、20kg锂钙基润滑脂和5kg 1,2-苯并异噻唑啉酮加热搅拌直至完全溶解；然后，将混合物降温至60℃，向体系中加入20kg钠基膨润土并搅拌均匀后，将230kg轻质碳酸钙和重质碳酸钙(4:1)混合物以5:3:2重量比分批加入捏合搅拌机中，并搅拌均匀；最后，向捏合搅拌机中加入15kg木质纤维，充分捏合搅拌匀质3h。
对比例5
对比例5为国内某公司生产的盾尾密封油脂，取自地下隧道工程盾构施工中现场使用的盾尾密封油脂。
对比例6
对比例6为法国CONDAT公司生产的盾尾密封油脂，取自地下隧道工程盾构施工中现场使用的盾尾密封油脂。
本发明实施例和对比例产品的性能检测均采用相同的方法：采用ASTM D1264测试抗水冲失性，采用GB/T 13477标准测试下垂度，采用ASTM D972标准测试挥发性，采用ASTMD4048-2010标准测试腐蚀性，采用ASTM D1092测试泵送性，测试结果如下：
表1为本发明实施例1和对比例1～4的性能检测结果。
Figure BDA0001767640050000081
由表1可知，本发明实施例1中加入12-羟基硬脂酸锂与基础油以及钠基膨润土和填充料具有协同作用，可使产品的抗挥发性、水冲流失性、保油性和粘结性能(下垂度)大大提高。而对比例1不添加金属皂稠化剂，或者对比例2改变膨润土的类型，或者对比例3不添加膨润土，都会大大降低挥发性、水冲流失性和泵送性等性能。因为12-羟基硬脂酸锂在体系中形成立体网状结构的皂纤维，作为骨架起支撑体系平衡的作用，此外，其稠化基础油成脂，提高产品的保油性、润滑性、附着性和抗水流失性。膨润土具有疏松多孔结构，遇水可以膨胀，与稠化基础油配合可以改善密封油脂的密封性和水冲流失性且进一步提高抗挥发性；相较于钙基膨润土，含钠基膨润土的密封油脂泵送性好，且其遇水膨胀倍率远高于前者，故产品在盾尾刷密封舱中的密封止水性能要优于前者。体系中使用多种填料混合使用，不仅可以降低生产成本，而且可调整产品的丰度、稠度以及细腻感；若仅使用轻质碳酸钙，不仅产品发硬，柔软度降低，泵送性能较差，还会影响其水冲流失性；若仅使用重质碳酸钙，产品密度较大，相同质量调价下产品丰度不够。实施例1和对比例4对比可知，防霉变剂二烷基二硫代磷酸锌除具有抗氧化性防止产品霉变之外，与其它组分协同还具有一定的稀释性能，在一定程度上提高产品的工作性能。
表2为本发明对比例5～6与实施例2～6产品的性能检测结果。
Figure BDA0001767640050000091
表3为本发明对比例5～6和实施例1～6在不同温度下的稠度测试结果。
温度，℃ 对比例5 对比例6 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
20 191 218 241 235 236 230 235 232
23 210 230 248 241 242 238 243 239
25 240 238 250 244 246 243 248 242
30 261 251 255 248 253 248 252 250
由表2～3可知，本发明盾尾密封油脂的密封止水性能优良、宽温度范围泵送性能优异、粘附性强、抗水冲能力强、高温挥发性小，且对金属有防腐防锈能力，能满足盾构施工要求。然而，对比例5和对比例6为市面上现有密封油脂样品对金属有一定腐蚀性，且挥发性较高，0.28MPa的水流冲失量高，另外对比例5样品在下垂度测试中油脂滑落以及宽温度范围稠度变化较大，故本发明的盾尾密封油脂产品综合性能优于对比例样品。因为本发明中基础油、润滑脂、稠化剂、膨润土及其它组分具有协同效应，在油脂体系中起到润滑、密封和保护作用，可改善盾尾密封油脂的流动性和泵送性能，降低泵送压力；此外，膨润土遇水膨胀，使盾尾密封油脂在盾尾内部有限腔体空间内更加密实，加之附着力促进剂赋予盾尾密封油脂较强的金属粘附性，故本发明的盾尾密封油脂具有高温挥发性小、优异的密封止水性能、泵送性能、粘附性能及抗水冲能力等，可有效保障地下隧道盾构施工过程中盾构掘进机的安全、高效、顺利掘进。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容作出的变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种盾构掘进机专用盾尾密封油脂，其特征在于，主要由以下原料组成：基础油8～25重量份、粘度指数改性剂10～20重量份、金属皂稠化剂1～5重量份、附着力促进剂2～10重量份、润滑脂2～10重量份、填料25～50重量份、膨润土5～10重量份、纤维2～5重量份、防霉变剂0.1～3重量份；所述基础油为I类、II类或III类加氢精制基础油、机械油、植物油中的一种或多种；所述金属皂稠化剂为硬脂酸锂、硬脂酸钙、12-羟基硬脂酸锂、12-羟基硬脂酸钙中的一种；所述膨润土为钠基膨润土、钾基膨润土和有机膨润土中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的盾构掘进机专用盾尾密封油脂，其特征在于，所述基础油为II类加氢精制基础油，所述金属皂稠化剂为12-羟基硬脂酸锂，所述膨润土为钠基膨润土。
3.根据权利要求1所述的盾构掘进机专用盾尾密封油脂，其特征在于，所述粘度指数改性剂为聚异丁烯、乙丙共聚物、LHT7016星行烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸酯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的盾构掘进机专用盾尾密封油脂，其特征在于，所述附着力促进剂为醇酸树脂、丙烯酸树脂、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的盾构掘进机专用盾尾密封油脂，其特征在于，所述润滑脂为锂基润滑脂、钙基润滑脂、二硫化钼润滑脂、混合皂基润滑脂、复合皂基润滑脂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的盾构掘进机专用盾尾密封油脂，其特征在于，所述填料包括轻质碳酸钙、重质碳酸钙、硫酸钡、滑石粉中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的盾构掘进机专用盾尾密封油脂，其特征在于，所述纤维为可降解的木质纤维、棉纤维、亚麻纤维中的一种或多种，且纤维长度为0.5～5mm。
8.根据权利要求1所述的盾构掘进机专用盾尾密封油脂，其特征在于，所述防霉变剂为苯并咪唑、异噻唑啉酮、有机硫、有机胺中的一种或多种；
所述苯并咪唑为2-(4-噻唑基)苯并咪唑、苯并咪唑氨基甲酸甲酯；
所述异噻唑啉酮为2-烷基-4-异噻唑啉-3-酮、1,2-苯并异噻唑啉酮及其N-烷基衍生物、5,6-二氯苯并恶唑啉酮中的一种或多种；
所述有机硫为二烷基二硫代磷酸锌、二硫代氨基甲酸盐中的一种或两种；
所述有机胺为四甲基二硫化秋兰姆、N,N-二仲丁基对苯二胺中的一种或两种。
9.权利要求1～8任一项所述的盾构掘进机专用盾尾密封油脂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将8～25重量份基础油、1～5重量份金属皂稠化剂加入捏合搅拌机中，于60～100℃下搅拌0.5～1h；依次加入10～20重量份粘度指数改性剂、2～10重量份附着力促进剂、2～10重量份润滑脂、0.1～3重量份防霉变剂加热搅拌直至完全溶解；将混合物降温至50～60℃，向捏合搅拌机中加入2～5重量份纤维，并均匀搅拌30～60min；然后，向体系中加入5～10重量份膨润土，捏合均匀后，以5:3:2重量比分批加入25～50重量份填料，充分捏合搅拌匀质1～3h。
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