高堿值清凈劑的抗磨性研究

安謐，鐘錦聲，武志強(qiáng)

（中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083）

高堿值清凈劑的抗磨性研究

安謐，鐘錦聲，武志強(qiáng)

（中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083）

高堿值清凈劑是內(nèi)燃機(jī)油中不可或缺的一種添加劑，主要用于提高內(nèi)燃機(jī)油的性能。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，高堿值清凈劑具有良好的抗磨性能。文章總結(jié)了高堿值清凈劑的抗磨性，以高堿值磺酸鈣為例，介紹了摩擦后高堿值磺酸鈣在金屬表面形成的含鈣保護(hù)膜，包括保護(hù)膜的形態(tài)、組成及結(jié)構(gòu)。列舉了其他種類清凈劑的抗磨性，并對(duì)全配方汽油機(jī)油中不同種類高堿值清凈劑的抗磨性做了比較。介紹了方解石型高堿值磺酸鈣抗磨性要優(yōu)于無(wú)定形高堿值磺酸鈣，二烷基二硫代磷酸鋅與高堿值清凈劑復(fù)合后抗磨性的變差。通過(guò)綜述高堿值清凈劑的抗磨性，為其抗磨性的發(fā)揮和內(nèi)燃機(jī)油的配制提供參考。

清凈劑;高堿磺酸鈣;高堿水楊酸鈣;ZDDP;抗磨;磨損

0 引言

清凈劑作為內(nèi)燃機(jī)油的重要添加劑，是一種典型的表面活性劑，在內(nèi)燃機(jī)油中主要起酸中和、洗滌、分散和增溶等作用?；撬徕}是清凈劑中用量較大的一種，高堿值磺酸鈣在稀釋油中以膠體形式存在，即由碳酸鈣組成的無(wú)機(jī)核及吸附在核周圍的表面活性劑組成［1－2］。有人證明水楊酸鹽和酚鹽也具有類似結(jié)構(gòu)［3］。

高堿值清凈劑鈣中含有大量的納米級(jí)碳酸鈣，納米碳酸鈣本身可以用作潤(rùn)滑油添加劑，少量的碳酸鈣納米粒子即可顯著提高潤(rùn)滑油的抗磨性能［4－5］;新開發(fā)的堿性磺酸鹽被用作極壓抗磨劑，在金屬切削液中效果并不亞于硫、磷和氯系極壓抗磨劑，被稱作惰性極壓劑［6］。很多文獻(xiàn)對(duì)金屬清凈劑的抗磨性進(jìn)行了深入的報(bào)道［7－11］，普遍認(rèn)為高堿值清凈劑能夠在金屬表面形成含鈣保護(hù)膜，減少金屬表面的接觸，降低磨損。與傳統(tǒng)抗磨添加劑ZDDP相比，清凈劑在低溫下可以更好的降低發(fā)動(dòng)機(jī)磨損率，這對(duì)于減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命有重要意義［12］。近年來(lái)，為適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的要求，傳統(tǒng)含磷含硫抗磨添加劑添加量逐漸減少，為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的抗磨性，高堿值清凈劑的極壓、抗擦傷以及抗磨性能逐漸受到關(guān)注，因此研究高堿值清凈劑的抗磨機(jī)理，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)油配方的研制和發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)有指導(dǎo)作用。

1 高堿值磺酸鹽的抗磨性

1.1 高堿值磺酸鹽在金屬表面的成膜特性

高堿值磺酸鹽具有一定的抗磨性，能夠在金屬表面形成保護(hù)膜。例如，Kubo［13］等研究了在邊界潤(rùn)滑條件下，高堿值磺酸鈣在鋼－類金剛石這兩種摩擦副接觸表面的成膜特性，試驗(yàn)表明在類金剛石表面形成的保護(hù)膜主要成分為CaO。Castillo［14］認(rèn)為保護(hù)膜厚度與清凈劑膠體直徑相關(guān)，高堿值清凈劑首先吸附在金屬表面，形成厚度相當(dāng)于一個(gè)膠體粒子大小的保護(hù)膜，隨著摩擦?xí)r間增長(zhǎng)，保護(hù)膜厚度增大到3倍于膠體粒子直徑大小。從以上示例可以看出，高堿值磺酸鈣通過(guò)摩擦在金屬表面形成保護(hù)膜，從而避免金屬表面的直接接觸，降低磨損。

對(duì)于高堿值磺酸鈣在金屬表面形成的保護(hù)膜，Cizaire［12］等人進(jìn)行了深入的研究。對(duì)比下圖1中（a）和（b）可以看出，高堿值磺酸鈣能在金屬表面形成保護(hù)膜。X－射線光電子分析和俄歇電子分析證明，保護(hù)膜由CaCO3、CaO組成。飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（TOF－SIMS）證明，摩擦后表面活性劑的長(zhǎng)鏈分子被分解成穩(wěn)定的小單元（C8H9SO3），極少量的長(zhǎng)鏈分子能夠存在于摩擦表面。

圖1 摩擦表面的光學(xué)顯微照片

Ksenija［15］對(duì)4種高堿值磺酸鈣在金屬表面的保護(hù)膜微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，同時(shí)研究了它們的摩擦特性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，4種清凈劑在金屬表面的摩擦系數(shù)也大不相同，認(rèn)為這是由于高堿值磺酸鈣烷基鏈結(jié)構(gòu)不同造成的。利用微牽引力試驗(yàn)機(jī)和超薄膜折射成像系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，4種清凈劑都能在金屬表面形成100～150 nm的保護(hù)膜，保護(hù)膜以“墊狀”分布在金屬表面，從圖2中可以看到無(wú)碳酸鈣覆蓋的金屬表面，照片中顏色越明亮代表保護(hù)膜厚度越大。

圖2 4種清凈劑在金屬表面摩擦2h后金屬表面的原子力照片及厚度

利用高堿值磺酸鈣和中性磺酸鈣在邊界潤(rùn)滑下的摩擦，Tomoo［16］等人對(duì)于保護(hù)膜的組成和厚度進(jìn)行了研究。試驗(yàn)顯示，能夠起到明顯抗磨作用的只有高堿值磺酸鈣。金屬表面摩擦區(qū)及附近的元素分布如圖3所示，顏色越淺代表離子濃度越高。

圖3 中性磺酸鈣（樣品N）和高堿值磺酸鈣（樣品OB）在摩擦區(qū)及附近的TOF－SIMS分析

從圖中可以看出，對(duì)于中性磺酸鈣，Ca+、S－和SO－3在摩擦區(qū)的濃度要高于非摩擦區(qū)，說(shuō)明中性

3，F(xiàn)e+和CaO+在保護(hù)膜中的分布:CaO+只存在于高堿值磺酸鈣的摩擦區(qū);CaO+在金屬表面240 nm處仍可以檢查到，F(xiàn)e+濃度在240 nm處明顯提高，這表明保護(hù)膜的厚度約為240 nm;CaCO－3和SO－3在金屬表面16 nm處仍可以檢測(cè)到，此時(shí)CaO+開始有信號(hào)，因此作者認(rèn)為保護(hù)膜由CaCO3和CaO組成。

從以上試驗(yàn)可以看出，高堿值磺酸鈣的保護(hù)膜形成機(jī)理為:高堿值磺酸鈣首先吸附于金屬表面，在摩擦作用下，處于金屬表面間的納米磺酸鈣膠束隨金屬間摩擦強(qiáng)度的不斷增大，磺酸鈣上的碳鏈被切斷，釋放出納米碳酸鈣顆粒。在摩擦產(chǎn)生的高溫高壓下，碳酸鈣顆粒發(fā)生分解反應(yīng)，生成氧化鈣保護(hù)膜。摩擦表面未發(fā)生分解反應(yīng)的碳酸鈣和下層的氧化鈣共同起到隔離作用，降低金屬間的磨損。

1.2 碳酸鈣晶型對(duì)高堿值磺酸鈣抗磨性的影響

高堿值磺酸鈣由烷基苯磺酸鈣和碳酸鈣內(nèi)核組成，在基礎(chǔ)油中以1～100 nm的膠粒形式存在［17］。方解石型和無(wú)定型碳酸鈣是高堿值磺酸鈣中常見的晶型，兩者可以通過(guò)紅外［18］或X射線衍射［19］來(lái)區(qū)分。有人認(rèn)為碳酸鈣的晶型對(duì)高堿值磺酸鈣的抗磨性影響很大［20－23］。Eckard［20］利用Falex極壓、四球磨損和Reichert磨損證明，方解石磺酸鈣性能要優(yōu)于無(wú)定型磺酸鈣。Michael［23］利用X－射線光電子能譜和俄歇電子能譜，研究了無(wú)定型和晶型高堿值磺酸鈣在金屬表面的保護(hù)膜，兩者都是由較薄的Ca-CO3和較厚的CaO組成，但方解石型磺酸鈣的保護(hù)膜厚度要大于無(wú)定型磺酸鈣。Michael［24］還研究了無(wú)定型和晶型高堿值磺酸鈣對(duì)ZDDP和MoDTC抗磨性的影響。這兩種晶型高堿值磺酸鈣都會(huì)對(duì)ZDDP和MoDTC的抗磨性產(chǎn)生對(duì)抗作用，與無(wú)定型高堿值磺酸鈣相比，方解石型高堿值磺酸鈣與ZDDP對(duì)抗作用更明顯。

張建榮［21－22］等認(rèn)為碳酸鈣晶型是影響極壓性能的主要因素，方解石碳酸鈣極壓性要優(yōu)于無(wú)定型碳酸鈣，并做出了合理解釋。當(dāng)CaCO3為方解石型時(shí)，由于方解石具有層狀結(jié)構(gòu)，容易在摩擦表面形成較厚的保護(hù)膜，且法向耐壓性較高;無(wú)定型碳酸鈣具磺酸鈣能吸附于金屬表面;對(duì)于高堿值磺酸鈣，摩擦區(qū)存在高濃度的Ca+和少量的Fe+，說(shuō)明金屬表面生成較厚的含鈣保護(hù)膜;利用高分辨質(zhì)譜研究CaCO+有各向同性，相對(duì)來(lái)說(shuō)不易在摩擦表面上沉積，法向耐壓性較低，難以形成較厚并有一定強(qiáng)度的保護(hù)膜。

2 其他清凈劑的抗磨機(jī)理

不同種類清凈劑的結(jié)構(gòu)和組成相差很大，表現(xiàn)出各自的摩擦特性。顏皓［25］等人發(fā)現(xiàn)隨著高堿值硫化烷基酚鈣加入量的增加，油品的抗磨性能逐漸提高;能譜（EDS）分析表明，高堿值硫化烷基酚鈣中的S元素與表面的金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了金屬硫化物。姚文釗［23］等人就烷基水楊酸鹽的摩擦磨損性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:鎂鹽的極壓性能較鈣鹽差，但鎂鹽具有更優(yōu)良的抗磨性能;隨著水楊酸鹽堿值的升高，碳酸鹽含量增大，膠體粒徑減小，粒子分布更均勻，其抗摩擦磨損性能也隨之提高。劉依農(nóng)［24］認(rèn)為，高堿值水楊酸鈣中CaCO3及Ca（OH）2的O元素對(duì)于保護(hù)膜的形成起重要作用。高溫下，CaCO3及Ca（OH）2分解，放出活性元素O，進(jìn)入保護(hù)膜，形成微晶體結(jié)構(gòu)化合物。

試驗(yàn)采用HFRR考察全配方汽油機(jī)油中不同種類清凈劑的抗磨性。試驗(yàn)溫度為50℃，頻率為20 Hz，載荷1 kg，磨痕在石油醚中利用超聲波清洗10 min。試驗(yàn)結(jié)果表明，高堿值硫化烷基酚鈣和高堿值磺酸鈣的抗磨性最好，高堿值磺酸鎂抗磨性最差。3種清凈劑的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 高堿值清凈劑在全配方基礎(chǔ)油中的抗磨性

3 清凈劑與ZDDP復(fù)合對(duì)抗磨性的影響

二烷基二硫代磷酸鋅（ZDDP）是一種多效添加劑，具有抗氧抗磨抗腐作用，一般與清凈劑和分散劑等添加劑復(fù)合用于內(nèi)燃機(jī)油中，但清凈劑與ZDDP之間存在著相互作用［28－30］，影響這兩種添加劑抗磨作用的發(fā)揮。

雖然提高水楊酸鹽堿值或含量可以增加其抗磨性，但萬(wàn)勇［28］等人發(fā)現(xiàn)并不是堿值越高越好。ZDDP與水楊酸鈣復(fù)合后其抗磨作用明顯變差，堿值最高的Sal－3和ZDDP的復(fù)配體系最為明顯（見圖4）。

圖4 ZDDP單獨(dú)及和水楊酸鈣復(fù)配使用的抗磨性

圖5是單獨(dú)ZDDP和ZDDP與水楊酸鈣復(fù)配摩擦下保護(hù)膜的磷的L－邊XANES譜圖，a、b、c、d和s五條豎線分別標(biāo)出譜線的特征峰，譜線A、B為模型化合物聚磷酸鋅和Zn3（PO4）2的磷L－邊XANES譜圖; ZDDP與三種堿值水楊酸鈣（Sal－1、Sal－2和Sal－3）復(fù)配使用得到磷L－邊XANES譜線E、F和G，這三條譜圖中出現(xiàn)了與模型化合物Ca3（PO4）2（譜線D）相似的肩峰，并且堿值TBN越大肩峰就越大，說(shuō)明保護(hù)膜中Ca3（PO4）2的含量越多。萬(wàn)勇等認(rèn)為Ca3（PO4）2的生成是復(fù)配體系抗磨性變差的主要原因。

Blalock［32］等人通過(guò)KA24E（程序ⅣA）臺(tái)架試驗(yàn)考察了磺酸鹽清凈劑、分散劑和ZDDP對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，KA24E發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對(duì)這三種添加劑敏感。試驗(yàn)結(jié)果表明:在磺酸鈣濃度高時(shí)，增大ZDDP的量并不能減少磨損;磺酸鈣濃度低時(shí)提高ZDDP濃度可以有效的減少磨損;酚型清凈劑與發(fā)動(dòng)機(jī)磨損無(wú)明顯關(guān)聯(lián)。

圖5 模型化合物及ZDDP和水楊酸鈣復(fù)配使用形成保護(hù)膜的磷L邊XANES譜圖

Kasrai［33］等也發(fā)現(xiàn)水楊酸鹽與ZDDP復(fù)合會(huì)產(chǎn)生對(duì)抗效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)采用電接觸電阻測(cè)量保護(hù)膜厚度，基礎(chǔ)油中添加1.2%ZDDP，在摩擦開始的30 s之內(nèi)就形成較高的阻抗（見圖6），說(shuō)明保護(hù)膜形成很快較厚。水楊酸鎂6.0%與ZDDP（1.2%）復(fù)合，保護(hù)膜至少在經(jīng)歷120 s摩擦之后才能形成，阻抗波動(dòng)較大，說(shuō)明兩者對(duì)抗作用強(qiáng)烈。水楊酸鈣（6.0%）與ZDDP（1.2%）復(fù)合，接觸電阻變小且波動(dòng)幅度很大，說(shuō)明水楊酸鈣能夠阻止ZDDP在金屬表面形成保護(hù)膜;Kasrai認(rèn)為由于水楊酸鹽和ZDDP在金屬表面存在競(jìng)爭(zhēng)吸附，降低了ZDDP的抗磨作用;與元素鋅相比，鈣的堿性更強(qiáng)，鈣離子能夠替換聚磷酸鋅中的鋅離子形成聚磷酸鈣，形成更薄的保護(hù)膜。

圖6 油樣的電接觸電阻（ECR）隨時(shí)間變化譜圖

4 總結(jié)

（1）高堿值清凈劑通過(guò)摩擦能夠在金屬表面生成保護(hù)膜，有效降低金屬之間的磨損。

（2）高堿值清凈劑所含碳酸鈣的晶型對(duì)抗磨和極壓性有影響，方解石型碳酸鈣的抗磨性要優(yōu)于無(wú)定型碳酸鈣。

（3）高堿值清凈劑在金屬表面生成的保護(hù)膜由兩部分組成，上部為沉積或吸附于表面的碳酸鈣顆粒，下部由氧化鈣和鐵元素組成。

（4）高堿值清凈劑與二烷基二硫代磷酸鋅（ZDDP）復(fù)合后起對(duì)抗作用，清凈劑能破壞ZDDP在金屬表面形成的保護(hù)膜組成。

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Study on the Anti－Wear Character of Overbased Detergent

AN Mi，ZHONG Jin－sheng，WU Zhi－qiang
（Research Institute of Petroleum Processing，SINOPEC，Beijing 100083，China）

Overbased detergent is an indispensable additive in engine oil and iswidely used in engine oil to improve the oil＇s performance.Recent research discovered that the overbased detergent has good anti－wear character.In this paper，the anti－wear character of overbased detergent is summarized.Taking overbased sulfonate calcium for example，the appearance，constitution and structure of protective film formed by overbased sulfonate calcium on metal surfaces are introduced.And the anti－wear characters of other kinds of overbased detergents are also introduced and compared.It is reported that the anti－wear character of calcite overbased sulfonate calcium is better than thatofamorphousoverbased sulfonate calcium and the anti－wear character becomeworse when ZDDP combined with overbased detergent.These will be useful to engine oil researchers.

detergent;overbased sulfonate calcium;overbased salicylate calcium;ZDDP;anti－wear;abrasion

TE624.82

A

1002-3119（2012）01-0034-05

2011－09－16。

安謐（1986－），男，碩士在讀，2009年畢業(yè)于中國(guó)海洋大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，同年進(jìn)入中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院從事內(nèi)燃油及添加劑研究，已公開發(fā)表論文2篇。