油酸二乙醇酰胺磷酸酯對潤滑油生物降解及抗磨減摩性能的影響

梁 愷，陳波水，張 楠，方建華

（解放軍后勤工程學(xué)院油料應(yīng)用與管理工程系，重慶401311）

脂肪酸烷醇酰胺磷酸酯是一類應(yīng)用廣泛的表面活性劑，具有良好的酸堿穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和耐電離性和生物降解性。隨著研究的不斷深入，人們還發(fā)現(xiàn)此類表面活性劑具有優(yōu)良的潤濕、增溶、乳化、防銹、緩蝕、分散和抗污垢再沉積等作用［1－3］。在紡織印染工業(yè)中可作為抗靜電劑和漂白劑，在高分子乳液、農(nóng)藥和化妝品中可作為乳化劑，此外在洗滌劑、金屬潤滑劑和廢紙脫墨等方面也有廣泛的應(yīng)用［4］。

當(dāng)前，發(fā)展環(huán)境友好潤滑劑已成為全球性的共識，而良好的生物降解性是環(huán)境友好潤滑劑的最重要標(biāo)志之一［5］。礦物潤滑油是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的潤滑劑之一，但礦物潤滑油生物降解性差，在環(huán)境中滯留時(shí)間長，易造成環(huán)境污染［6］。因此，提高礦物潤滑油的生物降解性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究表明，在礦物潤滑油中加入某些含氮、磷等元素的化合物可促進(jìn)礦物潤滑油生物降解［7－8］。為此，本課題以油酸、二乙醇胺和五氧化二磷為原料合成油酸二乙醇酰胺磷酸酯（簡稱OEAP），通過考察OEAP對礦物潤滑油生物降解性、抗磨減摩性和抗腐蝕性的影響，研究OEAP作為環(huán)境友好潤滑油添加劑的可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 OEAP的合成

1.1.1 主要試劑 油酸、五氧化二磷，均為分析純，成都科龍化工試劑廠生產(chǎn)；二乙醇胺，分析純，佳木斯化學(xué)試劑廠生產(chǎn)；氫氧化鉀，分析純，天津

大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)；甲苯，分析純，重慶川東化工（集團(tuán)）有限公司生產(chǎn)。

1.1.2 油酸二乙醇酰胺的合成 在帶有溫度計(jì)、分水器、冷凝回流裝置的500mL四頸燒瓶中加入34.0g油酸，升溫至70℃，保溫20min。取4.2g二乙醇酰胺和適量甲苯加入燒瓶中。通氮?dú)獗Ｗo(hù)，當(dāng)氣流穩(wěn)定時(shí)，打開攪拌和加熱裝置，升溫至150℃。通過觀察分水器中生成水的量監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)行的程度，當(dāng)不再有水生成時(shí)，向燒瓶中加入8.4g二乙醇酰胺和適量氫氧化鉀，在150℃條件下反應(yīng)至無水生成。將反應(yīng)所得產(chǎn)物在70℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，除去溶劑，得到棕黃色油狀液體，即為油酸二乙醇酰胺。反應(yīng)方程式見式（1）和式（2），式中，R代表CH3（CH2）7CH＝CH（CH2）7—。

1.1.3 OEAP的合成 在帶有溫度計(jì)、冷凝回流裝置的500mL四頸燒瓶中加入44.3g油酸二乙醇酰胺、適量甲苯。通氮?dú)獗Ｗo(hù)，當(dāng)氣流穩(wěn)定時(shí)，打開攪拌和加熱裝置，控制溫度在80℃。分2批向燒瓶中加入14.2g五氧化二磷，反應(yīng)4h。然后在80℃下加入適量蒸餾水，將可能生成的聚磷酸酯水解，水解時(shí)間為2h。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物在室溫下自然冷卻，再將產(chǎn)物在70℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，除去溶劑，得到淡棕紅色軟膏狀OEAP。反應(yīng)方程式見式（3），式中，R代表CH2（CH2）7CH＝CH（CH2）7—。

1.2 OEAP結(jié)構(gòu)表征

采用美國PE spectrum 400紅外光譜儀對OEAP的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

1.3 生物降解性能測定

采用自行建立的潤滑油生物降解性快速測定方法評定OEAP的生物降解性能［9］。以生物降解指數(shù)BDI（相同條件下受試物降解生成的CO2與基準(zhǔn)物油酸降解生成的CO2的比值）為降解指標(biāo)，BDI值越大，生物降解性越好。

1.4 抗磨減摩性能測定

將OEAP按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%，1.0%，1.5%加入HVI 350礦物油中，采用廈門試驗(yàn)機(jī)廠的MQ－800型四球試驗(yàn)機(jī)，按GB/T 3142—1992評價(jià)潤滑油的最大無卡咬負(fù)荷（PB）及燒結(jié)負(fù)荷（PD）。采用濟(jì)南宏試金試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的MMW－1P型雙顯式立式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行長磨試驗(yàn)，在載荷392N下測定鋼球的磨斑直徑及摩擦因數(shù)的變化。試驗(yàn)條件為轉(zhuǎn)速1 500r/min，所用鋼球?yàn)橹貞c鋼球廠生產(chǎn)的Φ12.7mm的二級GCrl5鋼球，硬度59～6lHRC。

1.5 抗腐蝕性能測定

將OEAP按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%加入HVI 350礦物油中，參照GB/T 5096—1985石油產(chǎn)品銅片腐蝕試驗(yàn)方法測定其抗腐蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 OEAP的紅外光譜

OEAP的紅外光譜見圖1。由圖1可見：位于3 408cm－1處的峰為—OH的伸縮振動(dòng)吸收峰；位于3 009.4cm－1處的峰為C═ C—H上碳?xì)湔駝?dòng)吸收峰，以小肩峰形式存在；位于2 925、2 854.8cm－1處的峰為甲基、亞甲基的伸縮振動(dòng)吸收峰，位于1 463.7、1 376.6cm－1處的峰為甲基、亞甲基的彎曲振動(dòng)吸收峰；位于1 652cm－1處的峰為酰胺的羰基伸縮振動(dòng)峰，位于1 078.7cm－1處的峰為酰胺的C—N伸縮振動(dòng)吸收峰，說明產(chǎn)物含有酰胺鍵；位于1 312cm－1處的峰為P═ O的伸縮振動(dòng)吸收峰，位于969.09cm－1處的峰為P—O—C的伸縮振動(dòng)吸收峰，說明產(chǎn)物為磷酸酯；位于724.6cm－1處的峰為（CH2）n（n＞4）的碳鏈骨架振動(dòng)，說明碳鏈為長鏈。

圖1 OEAP的紅外光譜

2.2 OEAP對潤滑油生物降解性的影響

在HVI 350潤滑油中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，1.0%，1.5%的OEAP后進(jìn)行生物降解性能的測定，結(jié)果見表1。從表1可以看出，在HVI 350中加入OEAP后，隨著OEAP添加量的增加，油品的生物降解性能顯著提高，當(dāng)OEAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，BDI由32.51%提高到64.31%。原因可能是OEAP含微生物生長所必須的氮、磷等營養(yǎng)元素，可促進(jìn)微生物的生長；同時(shí)OEAP作為表面活性劑可以增大油－水界面面積，降低界面張力，加強(qiáng)石油烴向液相中的分散，從而便于細(xì)胞與較大油滴之間的直接接觸，加速石油烴的降解［10］。

表1 生物降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 OEAP對潤滑油抗磨減摩性的影響

在HVI 350潤滑油中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，1.0%，1.5%的OEAP，測定油品的PB值和PD值，結(jié)果見圖2和圖3。由圖2可見：在HVI 350潤滑油中添加OEAP后，HVI 350的PB值明顯增大；當(dāng)OEAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，油品的PB值最高，達(dá)到637N，繼續(xù)增加OEAP的用量，油品的PB值反而降低。由圖3可以看出：在HVI 350潤滑油中添加OEAP后，HVI 350的PD值明顯增大；當(dāng)OEAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，油品的PD值由784N提高到981N，繼續(xù)增加OEAP的用量，油品的PD值變化不大。

圖2 PB值隨OEAP添加量的變化

圖3 PD值隨OEAP添加量的變化

在載荷為392N、長磨時(shí)間為30min、轉(zhuǎn)速為1 500r/min的條件下，采用添加不同量OEAP的HVI 350礦物油作為潤滑劑時(shí)，鋼球磨斑直徑和摩擦過程中摩擦因數(shù)的變化見圖4和圖5。由圖4和圖5可以看出，添加OEAP后，鋼球磨斑直徑和摩擦因數(shù)都有所減小，當(dāng)OEAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，鋼球磨斑直徑和摩擦因數(shù)最小。

圖4 鋼球磨斑直徑隨OEAP添加量的變化

圖5 摩擦因數(shù)隨OEAP添加量的變化—HVI 350； —0.5%OEAP； —1.0%OEAP；—1.5%OEAP

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，OEAP能夠在一定程度上提高HVI 350潤滑油的承載能力和抗燒結(jié)負(fù)荷，并具有較好的抗磨、減摩性能。這可能是因?yàn)镺EAP分子中的活性基團(tuán)在摩擦過程中吸附在鋼球表面，在低載荷下起到減磨作用，在高載荷下與金屬表面發(fā)生反應(yīng)生成化學(xué)反應(yīng)膜，從而起到抗磨、減摩的作用。

2.4 OEAP對潤滑油抗腐蝕性的影響

參照GB/T 5096—1985石油產(chǎn)品銅片腐蝕試驗(yàn)方法，比較了HVI 350潤滑油加入OEAP添加劑前后的腐蝕等級。結(jié)果表明，在HVI 350潤滑油中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的OEAP后，HVI 350的腐蝕級別由1b提高到1a，表明OEAP在一定程度上可提高HVI 350潤滑油的抗腐蝕性能。

3 結(jié) 論

以油酸、二乙醇胺和五氧化二磷為原料可制備OEAP。所合成的OEAP可促進(jìn)HVI 350礦物油生物降解，在一定程度上提高HVI 350潤滑油的承載能力和抗燒結(jié)負(fù)荷，并具有較好的抗磨、減摩和抗腐蝕性能，是一種多功能的環(huán)境友好潤滑油添加劑。

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