利用正交試驗法開發(fā)高效防銹油配方的研究

李丹丹，周辰，李久盛

(中國科學院上海高等研究院先進潤滑材料實驗室，上海 201210)

0 引言

金屬腐蝕是由于金屬材料與周圍環(huán)境之間的相互作用而產(chǎn)生破壞的自發(fā)現(xiàn)象[1]，每年由于金屬材料腐蝕造成的直接經(jīng)濟損失估計高達數(shù)十億美元，造成巨大的經(jīng)濟損失和社會危害[2-3]。金屬材料銹蝕的防護一直以來都是影響國家經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的重要因素[4-5]。

磺酸鹽作為最早被廣泛使用的一種防銹劑，具有優(yōu)異的防銹效果[6-10]。近年來，國內(nèi)外對于高效防銹油品的需求日益增加，但國內(nèi)對于高效防銹油品配方的開發(fā)工作關注較少，常用的防銹油配方單一、防銹周期較短，對于嚴苛的防銹環(huán)境，較多使用國外添加劑包的形式，導致成本高、核心技術(shù)水平難以提升[11-15]。為了改變這一現(xiàn)狀，提高國產(chǎn)防銹油技術(shù)水平，急需開發(fā)高效的防銹添加劑配方。

本文選擇中性二壬基萘磺酸鋇(NA-SUL BSN)、重烷基苯磺酸鋇(T701)為防銹主劑，另外多種常用防銹劑作為配方原料，150SN為基礎油，采用正交設計方法對防銹油配方進行了篩選，中性鹽霧試驗評價優(yōu)化配方的性能，得到兩組性能優(yōu)于國外市場樣品的高效防銹油配方。

1 實驗部分

1.1 試驗材料

10#鋼片(符合標準ZB E41 010A，80 mm×60 mm×(1～3) mm)；砂紙(240#)；Q-panel(R-36，符合標準ASTM A1008，76 mm×152 mm×0.81 mm)。

1.2 防銹劑篩選

選擇NA-SUL BSN(中性二壬基萘磺酸鋇)和T701(重烷基苯磺酸鋇)作為主添加劑，分別與其他類型的防銹劑進行復配正交試驗，進而得到BSN體系和T701體系兩組優(yōu)化配方。羧酸類包括：十二烯基丁二酸(T746)、正油烯基肌氨酸(Sarkosyl O)、油酸；酯類防銹劑包括：山梨糖醇酐單油酸酯(Span80)、羊毛脂。

為了評價優(yōu)化配方的性能，選擇磺酸鹽單劑(Control-A)與市售進口防銹復合劑(Control-B)作為對比樣品。

1.3 防銹油配方的正交設計

防銹油配方正交設計過程：

(1)確定試驗因素和水平數(shù)；

(2)選用合適的正交表；

(3)列出試驗方案，通過鹽霧試驗得到每組配方的防銹性能評價結(jié)果；

(4)對正交試驗設計結(jié)果進行直觀分析；

(5)通過效應曲線圖確定最優(yōu)水平組合。

1.4 中性防銹油鹽霧試驗

采用鹽霧試驗箱(型號HYW-050/B，上海宏澤試驗設備有限公司)評價防銹劑的防銹性能，條件為：溫度35 ℃，pH值6.5～7.2，5%NaCl鹽霧。

具體操作方法：將防銹油涂覆在打磨、清洗后的10#鋼板上，并掛置在鹽霧試驗箱中，參照SH/T 0081-1991標準方法，觀察10#鋼板測試面的銹蝕情況，當銹蝕面積大于5%時，該時間即為鹽霧試驗時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 BSN體系高效防銹油配方

選擇NA-SUL BSN作為BSN體系防銹油的主防銹劑，其他組分為T701、油酸、T746、Sarkosyl O、羊毛脂。通過對防銹劑成分的性能評價, 制定了正交試驗因素位級表，包括6個因素、5個水平。根據(jù)正交試驗規(guī)律，選用標準正交表L25(56)進行試驗。對各配方的防銹油品進行鹽霧性能的評價，每組試驗三個平行試片，得到鹽霧試驗時間及正交設計試驗結(jié)果如表1所示。

其中ki值表示每個因素在i水平上的平均鹽霧試驗時間，決定了水平中最佳因素的選取。試驗結(jié)果的計算，以第一列為例，均值k的計算過程如下。

k1=(4+10+11+23+11)÷5=11.8

k2=(23+10+46+11+46)÷5=27.2

k3=(48+25+5+48+29)÷5=31

k4=(36+29+36+48+36)÷5=37

k5=(36+68+47+36+53)÷5=48

表1 BSN體系正交設計試驗結(jié)果

表1(續(xù))

第一列的極差計算：RK= 48-11.8=36.2，可以根據(jù)極差的大小，來判斷各因素對鹽霧性能的影響大小順序。經(jīng)過上述計算可得各因素影響主次順序為：RA>RC>RD>RF>RB>RE，即NA-SUL BSN>油酸>T746>羊毛脂>T701>Sarkosyl O，說明不同組分對鹽霧性能的影響大小是不同的。其中第22號試驗的防銹效果最好，鹽霧時間為68 h。

由表1中的k值可得到6因素5水平的效應曲線圖，如圖1所示，可得到以下結(jié)論。

①在試驗范圍內(nèi), 隨著A含量的增加, 防銹時間顯著升高；②B因素含量較低時對防銹時間影響不大，超過一定量后隨著B含量的增加，防銹時間也在增長；③對于C因素，添加量的增加帶來了負面影響，說明該體系不適合添加C因素；④隨著D含量的增加, 防銹時間呈上升趨勢；⑤隨著E因素含量的增加，防銹時間先升高后降低；⑥隨著F因素含量的增加，防銹時間逐漸增加，到達最優(yōu)值后又降低；⑦BSN體系中具有最佳鹽霧性能的最優(yōu)組合(BSN-26)為A5B5C1D5E3F4。

圖1 BSN體系效應曲線

由圖1結(jié)果分析可知，A、B、D是該防銹油的主要防銹成分，A因素對防銹性的影響最大；B和D因素次之；C因素的加入沒有起到增加防銹性的作用，因此不適合在該體系中添加；適量的E和F對防銹油的防銹性能有一定促進作用。

為了對比正交試驗得到的最優(yōu)配方BSN-26與磺酸鹽單劑(NA-SUL BSN)和國外市場樣品(NA-SUL CA-1259)的防銹性能，將磺酸鹽單劑配制成5%濃度的參比防銹油Control A，將進口復合劑配制成5%濃度的參比防銹油Control B；分別進行鹽霧試驗，將得到的試驗結(jié)果與優(yōu)化配方BSN-26的鹽霧結(jié)果對比，如圖2所示。

圖2 BSN體系優(yōu)化配方防銹性能對比

由圖2可以看出，優(yōu)化配方BSN-26相比于磺酸鹽單劑的鹽霧性能有了大幅度的提升，同時優(yōu)于進口樣品的防銹性能。

2.2 T701體系高效防銹油配方

選擇T701作為主防銹劑，其他組分為T746、Span 80、羊毛脂。通過對防銹劑成分的試驗與分析,制定了正交試驗因素位級表，包括4個因素、3個水平。根據(jù)正交試驗規(guī)律，選用標準正交表L9(34)進行試驗。同樣采用試驗部分1.4中所述的鹽霧試驗方法，以出現(xiàn)銹蝕面積大于5%時的試驗時間，即鹽霧試驗時間，作為衡量試驗的指標。對各配方的防銹油品進行鹽霧性能的評價，每組試驗三個平行試片，得到鹽霧銹蝕時間及正交設計試驗結(jié)果如表2所示。

表2 T701體系正交設計試驗結(jié)果

試驗結(jié)果的計算與2.1中所述例子相同，由表2中極差Rk可以判斷各因素對結(jié)果的重要程度為RA=RC=RD>RB，即T701、Span 80和羊毛脂對防銹性的影響最大，T746對防銹性的影響最小。其中第7號試驗的防銹效果最好(72 h)，其相應的水平組合是目前的最佳水平搭配。

由表2中的k值可得到4因素3水平的效應曲線圖，如圖3所示?？傻玫浇Y(jié)論：①在試驗范圍內(nèi)，隨著A(或C)含量的增加，防銹時間增加；②隨著B含量的增加，防銹時間有所降低；③隨著D含量的增加，防銹時間先升高后降低；④T701體系中具有最佳鹽霧性能的最優(yōu)組合(T701-10)為：A3B1C3D2。

圖3 T701體系效應曲線

由試驗結(jié)果可知，因素A、C、D是該防銹油配方體系的重要組分，其含量高低對防銹性能的影響較大；因素B為該防銹油體系中的輔助成分，添加少量的B對防銹油的防銹性能有一定促進作用。

同樣，為了對比最優(yōu)配方T701-10與磺酸鹽單劑(T701)和國外市場樣品(NA-SUL CA-1259)的防銹性能，將T701配制成5%濃度的參比防銹油Control C。對市場樣品油(Control B)、單劑參比油(Control C)和優(yōu)化配方T701-10分別進行鹽霧試驗，得到鹽霧銹蝕時間結(jié)果如圖4所示。

圖4 T701體系優(yōu)化配方防銹性能對比

由圖4可以看出，優(yōu)化配方T701-10相比于磺酸鹽單劑的鹽霧性能有了大幅度的提升，同時略優(yōu)于國外市場樣品的防銹性能。

3 結(jié)論

通過正交設計的方法，結(jié)合中性鹽霧試驗的方法來評價油品的防銹性能，得到了兩組高效防銹油配方體系BSN-26和T701-10，性能均優(yōu)于國外市場樣品。

由結(jié)果可得結(jié)論如下：

(1)高效防銹油配方BSN-26的鹽霧試驗時間為83 h。不同組分對鹽霧性能的影響大小不同，各因素對防銹性的影響大小關系為：NA-SUL BSN>油酸>T746>羊毛脂>T701>Sarkosyl O。在該防銹油體系中NA-SUL BSN、T701、T746是主要防銹成分，NA-SUL BSN對防銹性的影響最大；T701和T746次之；油酸的加入沒有起到增加防銹性的作用，不適合在該體系中添加；少量的Sarkosyl O和羊毛脂對防銹油的防銹性能有一定促進作用。

(2)高效防銹油配方T701-10的鹽霧試驗時間為72 h。各因素對防銹性能的影響大小關系為：T701=Span 80=羊毛脂>T746。在該防銹油體系中T701、Span 80和羊毛脂是主要成分，其含量高低對防銹油的防銹性影響較大；T746對防銹性的影響最小，少量的T746對防銹油的防銹性能有一定促進作用。