酯類潤(rùn)滑油的結(jié)構(gòu)對(duì)性能影響研究

姜會(huì)澤 費(fèi)逸偉 姚婷 卞森

摘 要：在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天，潤(rùn)滑油工作條件也愈加苛刻。分析了結(jié)構(gòu)的差異對(duì)酯類油摩擦性能、粘溫性能、低溫性能、氧化安定性和水解安定性的影響，探究了解油品結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，對(duì)研制性能更好、更適用于當(dāng)前環(huán)境的新型潤(rùn)滑油提供科學(xué)的理論支撐。

關(guān) 鍵 詞：航空潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油；合成酯；結(jié)構(gòu)；性能分析

中圖分類號(hào)：TE 624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）07-1570-03

Research on Effect of Ester Lubricant Structure on Its Performance

JIANG Hui-ze， FEI Yi-wei， YAO Ting， BIAN Sen

（Key Laboratory of Aviation Oil Engineering， Air Force Logistics College， Jiangsu Xuzhou 221006， China）

Abstract： Nowadays， when science and technology are developing rapidly， the working environment of the lubricating oil is becoming harsher and harsher. In this paper， effect of different structure of ester lubricant on friction performance， viscosity-temperature performance， low temperature performance， oxidation stability and hdrolytic stability was analyzed. The relationship between structure and performance of product was explored， which could provide reliable theoretical basis and technical supports for development of high-end lubricanting oil.

Key words： Aviation lubricating oil； Synthetic ester； Structure； Performance analysis

隨著人類進(jìn)步和科技發(fā)展，資源和環(huán)境已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展面臨的兩個(gè)重大課題。潤(rùn)滑油是一個(gè)資源性行業(yè)，傳統(tǒng)礦物基基礎(chǔ)油的不可再生性和較低的生物降解性決定了它不會(huì)是未來潤(rùn)滑油的發(fā)展方向。而合成潤(rùn)滑油不僅具有優(yōu)異的使用性能，還在節(jié)能環(huán)保等方面起著重要的作用，越來越受到人們關(guān)注和認(rèn)可，其銷售量也逐年上升[1-3]。

酯類油是一種高性能潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油，在合成油中占有非常重要的地位和相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。酯類油按其結(jié)構(gòu)通常分為雙酯、芳香酯、多元醇酯以及復(fù)酯，酯類油通常具有很好的高低溫性能和高的黏度指數(shù)，對(duì)添加劑和發(fā)動(dòng)機(jī)高溫下生產(chǎn)的油泥有優(yōu)秀的溶解能力[4]。酯類油是為滿足燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑要求而發(fā)展起來，因其具有優(yōu)良的使用性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)油、汽車和船用發(fā)動(dòng)機(jī)油、壓縮機(jī)油、液壓油以及齒輪油等領(lǐng)域。

油品的性能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，早在1947年E.M.Bried等[5]就對(duì)34種結(jié)構(gòu)不同的雙酯類基礎(chǔ)油的化學(xué)穩(wěn)定性、低溫流動(dòng)性和粘溫性能進(jìn)行了研究。本文主要介紹了近年來國(guó)內(nèi)外酯類基礎(chǔ)油的結(jié)構(gòu)與摩擦性能、粘溫性能、低溫性能、氧化安定性和水解安定性等性能相關(guān)性的研究現(xiàn)狀，并對(duì)性能優(yōu)異的合成酯類基礎(chǔ)油進(jìn)行了探討和展望。

1 摩擦性能

酯類油分子結(jié)構(gòu)中含有高活性的酯基團(tuán)，在潤(rùn)滑金屬時(shí)可以吸附在金屬表面，形成牢固的潤(rùn)滑劑膜，所以一般具有良好的摩擦性能。張紅等[6]以己二酸和不同鏈長(zhǎng)的直鏈醇進(jìn)行反應(yīng)，合成了己二酸二正丁酯、己二酸二正己酯等。利用四球機(jī)試驗(yàn)對(duì)以上各酯進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，按GB3142-48方法測(cè)量最大無卡咬載荷（PB）；測(cè)量試驗(yàn)結(jié)束前后鋼球質(zhì)量，以得到實(shí)驗(yàn)中鋼球磨損量，并測(cè)量鋼球摩斑直徑；結(jié)果如下表1。

表1 四球機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

Table 1 Result of four-boll test

基礎(chǔ)油名稱 PB/N 鋼球磨損質(zhì)量/g 鋼球摩斑直徑/mm

己二酸二正丁酯 372 0.005 1 0.921

己二酸二正己酯 393 0.003 3 0.825

己二酸二正辛酯 470 0.003 0 0.745

己二酸二正癸酯 470 0.001 6 0.658

從表1可知：隨著合成酯中有機(jī)酸碳鏈的增加，鋼球的磨損質(zhì)量依次為0.005 1、0.003 3、0.000 3以及0.0016 g，鋼球摩斑直徑分別為0.921、0.852、0.745和0.658 mm?；诖说贸鲭S著鏈長(zhǎng)增加，PB值逐漸增大，雙酯類潤(rùn)滑油的抗磨性能愈優(yōu)秀。

2 粘溫性能

雙酯類基礎(chǔ)油的粘度與粘度指數(shù)與結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān)。相對(duì)于其他潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油，雙酯類基礎(chǔ)油具有較寬的液體范圍、較高的度指數(shù)以及優(yōu)良的粘溫性能。高永建[7]等以不同碳數(shù)的長(zhǎng)鏈二元酸為原料，在雜多酸催化下合成了一系列長(zhǎng)鏈雙酯，并考察了其物化性能。

表2分別列出了含有十一、十二和十三碳原子的二元酸與異辛醇，異壬醇與十一和十二碳二元酸合成雙酯的運(yùn)動(dòng)粘度和粘度指數(shù)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)在相同條件及分子結(jié)構(gòu)下，分子量越大，粘度就越大。

表2 不同酸/醇合成酯的粘度和粘度指數(shù)測(cè)量值

三種油樣的起始氧化溫度的高低順序與其老化過程中酸值的變化大小順序存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，老化前后酸值變化最小的1938起始氧化溫度最高，為246.13 oC，而老化前后酸值變化最大的3959起始氧化溫度最低，為194.13 oC。綜上，判斷潤(rùn)滑油的熱氧化穩(wěn)定性不能只從某個(gè)單個(gè)指標(biāo)判斷，應(yīng)綜合粘度變化、總酸值變化等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行考慮。

5 水解安定性

酯分子水解安定性也與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)不同其水解安定性也不同。陶菲[12]對(duì)酯中含水量、酯的醇度、酯的結(jié)構(gòu)與添加劑的應(yīng)用對(duì)酯的水解安定性影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：酯的水解速度與酯中水含量無關(guān)，而與酯-水界面的面積有關(guān)。同一種酯加入相同含量的水，振蕩情況下酯的水解速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜置情況下的水解速度；同樣的酯類油品，其初始酸值越大，純度越低，水解速度也越大，原因是未完全反應(yīng)的酸會(huì)對(duì)水解起到催化作用，從而加快水解；酯的結(jié)構(gòu)不同，會(huì)對(duì)水解安定性造成較大差異，其中酯分子結(jié)構(gòu)屏蔽酯分子結(jié)構(gòu)可能會(huì)阻滯水解，屏蔽酸鏈部分的效果要強(qiáng)于屏蔽醇鏈部分；添加劑的使用同樣會(huì)對(duì)水解安定性有很大影響，其中加入胺型添加劑會(huì)提升水解安定性，而含磷、氯的添加劑會(huì)使其水解安定性變差。

6 結(jié) 論

（1）酯碳鏈長(zhǎng)度的增加，可以提高油品的摩擦性能、黏度和黏度指數(shù)，但是會(huì)降低低溫流動(dòng)性。

（2）不飽和鍵的存在可以小幅降低油品的黏度，但會(huì)使油品的氧化安定性變差，經(jīng)加氫處理后傾點(diǎn)較未加氫要高。酯碳鏈的支化可以一定程度上改善油品的低溫流動(dòng)性和水解安定性，且支化位置不同產(chǎn)生的效果也會(huì)有差異。

（3）評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的氧化安定性，不能從某個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)判斷，應(yīng)綜合多種指標(biāo)判斷評(píng)價(jià)。酯的水解安定性受酯-水接觸面積、酯的純度和酯分子結(jié)構(gòu)等多個(gè)因素影響。

綜上可知，結(jié)構(gòu)決定性能，酯類基礎(chǔ)油分子結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致其性能千差萬別。在選擇基礎(chǔ)油時(shí)，不同的工作條件對(duì)基礎(chǔ)油的各種性能的要求也各不相同，應(yīng)綜合多種因素進(jìn)行考慮。因此，深入了解酯類基礎(chǔ)油結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，可以為設(shè)計(jì)符合特定工作條件下的基礎(chǔ)油提供理論支撐，也對(duì)未來尋找新型基礎(chǔ)油有著深刻的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉維民，許俊，馮大鵬，王曉波. 合成潤(rùn)滑油的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（1）：91-103.

[2] 朱永進(jìn)，曹毅. 合成潤(rùn)滑劑的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].合成潤(rùn)滑材料，2003，30（2）：41-44.

[3] 謝鳳，鄭發(fā)正，于燁平. 合成基礎(chǔ)油的性能與應(yīng)用[J].潤(rùn)滑與密封，2003，4：90-92.

[4] 費(fèi)逸偉，程治升，楊宏偉，姚婷. 酯類合成航空潤(rùn)滑基礎(chǔ)油特性分析[J].當(dāng)代化工，2013，42（9）：1297-1300.

[5] E.M.BRIED， H.F.KIDDER， C.M.MURRHY， A.ZISMAN. Synthetic Lubricant Fluids from Branched-Chain Diester[J].INDUSTRIAL AND ENGINEERING CHEMISTRY，1947，39（4）：484-491.

[6] 張紅，高新蕾，程忠，吳莉. 合成己二酸酯類潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能研究[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，46（4）：440-443.

[7] 高永建，于得江，韓偉，張光晉. 長(zhǎng)碳鏈二元酸酯的合成及其物化性能[J].過程工程學(xué)報(bào)，2013，13（5）：831-835.

[8] Bryan R.Moser， Brajendra K. Sharma， Kenneth M. Doll， Sevin Z.Erhan. Diesters from Oleic Acid： Synthesis， Low Temperature Properties， and Oxidation Stability[J]. Amer Oil Chem Soc，2007，84：675-680.

[9] G.N.Gurbanov， M.A.Mamedyarov， F.A.Kuli-zade. SYNTHESISAND STUDY OF 1，2-DIMETHYL CYCLOHEX-4-ENE AS LUBRICATING OILS[J].Chemistry and Technology of Fules and Oils，2014，50（1）：5-10.

[10]Niedzielski EL. Neopentylpolyolester Lubricants-Boundary Com- position Limits[J]. Ind Eng Prod Res Dev，1977，16（4）：300-305.

[11]劉建芳，金永亮，向亞玲，錢緒政. 酯類基礎(chǔ)油的熱氧化與水解穩(wěn)定性能研究[J].潤(rùn)滑與密封，2014，39（5）：56-6.

[12]陶菲. 酯類油水解安定性研究[J].科技風(fēng)，2011，17：77.