聚(桐油-甲基丙烯酸甲酯)多功能潤(rùn)滑油添加劑的合成

丁麗芹，張彥平，劉思凡，蘇碧云，2，梁生榮

(1.西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué) 陜西省綠色低碳能源材料與過(guò)程工程技術(shù)研究中心， 陜西西安 710065；3.西安石油大學(xué) 西安市高碳資源低碳化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065； 4. 西安石油大學(xué) 現(xiàn)代分析檢測(cè)中心，陜西 西安 710065)

潤(rùn)滑油是由基礎(chǔ)油與各類添加劑經(jīng)調(diào)配得到的復(fù)合產(chǎn)品，由于受到化學(xué)組成和族組成的限制，潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油不具備商品潤(rùn)滑油所需要的各項(xiàng)性能，因此，在潤(rùn)滑油中加入具有降凝、改善黏-溫性能、抗磨等功能的添加劑，對(duì)于機(jī)械設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行是非常必要的[1]。石油基潤(rùn)滑油及添加劑性能良好，但其功能單一，且由于其具有生態(tài)毒性而對(duì)環(huán)境有一定的危害。關(guān)注可持續(xù)發(fā)展和追求能源效率使石油基潤(rùn)滑油及其添加劑面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，開發(fā)多功能的“綠色”潤(rùn)滑油添加劑勢(shì)在必行[2]。植物油具有環(huán)境友好性、黏度指數(shù)高、揮發(fā)性低以及抗磨性良好等優(yōu)勢(shì)，其分子結(jié)構(gòu)中有大量的反應(yīng)位點(diǎn)能夠被化學(xué)修飾，因此，將植物油改性作為潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油或植物油衍生物作為“綠色”高分子潤(rùn)滑油添加劑的研究日益增多[3-5]。

桐油(TO)是從木本油料作物桐油樹種子中提取的一種生物可降解的油脂，有一定的毒性，不可食用。中國(guó)是世界上最大的桐油生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量約為1.0×105t/a[6]。與其他植物油不同，桐油的主要成分為桐油酸甘油酯，含有77%～84%的α-桐油酸，具有高度不飽和共軛三烯結(jié)構(gòu)，平均每個(gè)甘油三酯分子中含有9個(gè)碳-碳雙鍵[7-8]。

研究較多的是利用桐油脂肪鏈中的共軛雙鍵與乙烯基苯和丙烯酸酯等單體進(jìn)行熱聚合、陽(yáng)離子聚合或自由基聚合，從而獲得從彈性體到剛性聚合物等各種產(chǎn)品[9-11]，然而桐油共聚物作為潤(rùn)滑油添加劑的研究鮮有報(bào)道。鑒于聚丙烯酸酯類是一種傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油添加劑，筆者所在課題組在其合成方面[12-13]以及蓖麻油基雙功能潤(rùn)滑油添加劑合成方面[14]有一定的研究基礎(chǔ)，本著將有毒不可食用的桐油合成為無(wú)毒的聚合物的宗旨，拓展桐油基聚合物的應(yīng)用范圍，以桐油(TO)為原料，與甲基丙烯酸甲酯(MMA)功能基團(tuán)進(jìn)行自由基聚合，合成了聚(桐油-甲基丙烯酸甲酯)(PTOM)共聚物，并利用FT-IR、1H NMR等手段對(duì)共聚物結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，探討了其作為潤(rùn)滑油降凝劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑和抗磨劑的性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及試劑

桐油，精煉級(jí)，廣州潤(rùn)權(quán)化工有限公司產(chǎn)品；甲基丙烯酸甲酯(MMA，AR，質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%，減壓蒸餾精制后使用)，上海Aladdin試劑有限公司產(chǎn)品；甲苯(AR，常壓精餾精制后使用)，上海渥克化學(xué)有限公司產(chǎn)品；偶氮二異丁腈(AIBN，AR，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%，重結(jié)晶精制后使用)，上海麥克林生化科技有限公司產(chǎn)品；工業(yè)酒精(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥95%，工業(yè)級(jí))，天津市天力化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；潤(rùn)滑油餾分(350～395 ℃，凝點(diǎn)(Tsp)26 ℃，黏度指數(shù)(VI)95)，玉門油田提供。

1.2 共聚反應(yīng)路線

將3 g桐油與甲基丙烯酸甲酯加入聚合管中密封并連接到Schlenk裝置上，抽真空充氮?dú)?～5次，最后一次充氮?dú)鈺r(shí)加入AIBN的甲苯溶液，之后將聚合管置于70～110 ℃的恒溫油浴中進(jìn)行聚合反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后將聚合管置于冰水浴中終止反應(yīng)，所得產(chǎn)物經(jīng)室溫工業(yè)酒精沉降、純化和40 ℃真空干燥后得到聚(桐油-甲基丙烯酸甲酯)(PTOM)共聚物，不同反應(yīng)條件下制備的桐油與甲基丙烯酸甲酯共聚物樣品分別命名為PTOM 1～15，詳見表1。共聚物的收率(y)基于共聚物的質(zhì)量(mp)和單體總質(zhì)量(mt)進(jìn)行計(jì)算，即：y=(mp/mt)×100%。依據(jù)共聚物的結(jié)構(gòu)分析可知，桐油和甲基丙烯酸甲酯可能發(fā)生的理想自由基聚合反應(yīng)路線如圖1所示。

1.3 共聚物表征

采用美國(guó)Thermo Electron公司生產(chǎn)的Nicolet5700型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)共聚物進(jìn)行FT-IR表征；采用德國(guó)Bruker公司生產(chǎn)的DRX-300型核磁共振波譜儀對(duì)共聚物進(jìn)行1H NMR表征；采用瑞士Mettled Toledo公司生產(chǎn)的TGA-DSC 1型熱重分析儀測(cè)定共聚物的熱穩(wěn)定性；采用美國(guó)Agilent公司生產(chǎn)的PL-GPC50型凝膠滲透色譜儀測(cè)定共聚物的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量(Mn)和重均相對(duì)分子質(zhì)量(Mw)及其多分散性指數(shù)(PDI)。

TO—Tung oil；MMA—Methyl methacrylate；AIBN—Azobisisobutyronitrile；PTOM—Poly (tung oil-methyl methacrylate)圖1 聚(桐油-甲基丙烯酸甲酯)的合成反應(yīng)路線示意圖Fig.1 Synthetic route of poly(tung oil-methyl methacrylate)

1.4 共聚物性能測(cè)定

根據(jù)GB/T 510—2018《石油產(chǎn)品凝點(diǎn)測(cè)定法》測(cè)定油品凝點(diǎn)(Tsp)，以加入共聚物前后潤(rùn)滑油的凝點(diǎn)差值(ΔTsp)為指標(biāo)，探究共聚物的降凝效果。根據(jù)GB 265—88《石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定法和動(dòng)力黏度計(jì)算法》測(cè)定油品40和100 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度；依據(jù)GB/T 1995—1998《石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度指數(shù)計(jì)算法》計(jì)算油品的黏度指數(shù)(VI)，以加入共聚物前后潤(rùn)滑油的黏度指數(shù)差值(ΔVI)為指標(biāo)，考察共聚物的增黏效果。根據(jù)NB/SH/T0189—2017《潤(rùn)滑油抗磨損性能的測(cè)定(四球法)》測(cè)定共聚物的磨斑直徑(DWS)，以加入共聚物前后的磨斑直徑差值(ΔDWS)為指標(biāo)，考察共聚物的抗磨效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合反應(yīng)工藝條件的優(yōu)化

通過(guò)控制桐油和甲基丙烯酸甲酯2種單體的質(zhì)量比(m(TO)∶m(MMA))、引發(fā)劑用量(w(AIBN)，單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù))、反應(yīng)溫度(T)和反應(yīng)時(shí)間(t)4個(gè)變量，采用單因素實(shí)驗(yàn)法，考察物料配比和反應(yīng)條件對(duì)聚合產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 物料配比和反應(yīng)條件對(duì)收率(y)的影響Table 1 Effect of monomer mass ratio and reaction conditions on the yield (y)

在引發(fā)劑AIBN占單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、反應(yīng)溫度90 ℃、反應(yīng)時(shí)間6 h條件下，首先考察了單體質(zhì)量比對(duì)收率的影響(PTOM-1～PTOM-3)。由表1可見：隨著m(TO)∶m(MMA)的增加，桐油含量增大，大分子鏈的桐油使得聚合體系的黏度急劇增加，不利于聚合反應(yīng)，導(dǎo)致收率下降[15]，在m(TO)∶m(MMA)=2.0∶8.0時(shí)僅得到微量共聚物，因此，較適宜的單體比為m(TO)∶m(MMA)=1.5∶8.5。

在m(TO)∶m(MMA)=1.5∶8.5、反應(yīng)溫度90 ℃、反應(yīng)時(shí)間6 h條件下，考察引發(fā)劑AIBN在單體中質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.5%、1.0%、1.3%和1.5%時(shí)對(duì)收率的影響(PTOM-2、PTOM-4～PTOM-7)。由表1可見：隨著引發(fā)劑AIBN用量的增大，聚合體系中活性中心較多，鏈引發(fā)和鏈增長(zhǎng)反應(yīng)進(jìn)行充分，反應(yīng)收率增大；但AIBN用量過(guò)大(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.3%)時(shí)，產(chǎn)生的活性自由基在桐油分子上吸附增加，而使引發(fā)聚合的自由基相對(duì)減少，收率下降[16]。因此較適宜的引發(fā)劑用量為在單體中質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%。

在m(TO)∶m(MMA)=1.5∶8.5、引發(fā)劑AIBN在單體中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、反應(yīng)時(shí)間6 h條件下，考察反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響(PTOM-2、PTOM-8～PTOM-11)。由表1可見：反應(yīng)溫度的升高加快了AIBN的分解速率，體系中自由基濃度增大，單體與自由基碰撞的幾率也增加，使鏈增長(zhǎng)速率加快，收率增大；但當(dāng)溫度達(dá)到90 ℃時(shí)，引發(fā)劑快速分解，體系內(nèi)自由基濃度迅速增加，鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移速率高于鏈增長(zhǎng)速率，低聚物增多，經(jīng)沉降純化后，共聚物收率降低[17]。因此較適宜的反應(yīng)溫度為80 ℃。

在m(TO)∶m(MMA)=1.5∶8.5、引發(fā)劑AIBN在單體中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、反應(yīng)溫度為80 ℃條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響(PTOM-9、PTOM-12～PTOM-15)。隨著聚合反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，體系中單體含量下降，而高相對(duì)分子質(zhì)量共聚物的數(shù)量不斷增加，由自由基反應(yīng)原理可知，單體轉(zhuǎn)化為共聚物的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。由表1可見：共聚物的收率隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，6 h之后收率變化不大。因此較適宜的反應(yīng)時(shí)間為6 h。

綜上所述，在m(TO)∶m(MMA)=1.5∶8.5、AIBN用量在單體中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、反應(yīng)溫度80 ℃、反應(yīng)時(shí)間6 h的較優(yōu)工藝條件下，得到桐油和甲基丙烯酸甲酯共聚物PTOM-9。下面分析共聚物PTOM-9的結(jié)構(gòu)并考察其性能。

2.2 共聚物(PTOM)結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 紅外分析

圖2為桐油及其共聚物(PTOM-9)的FT-IR譜圖。由圖2可見：3011、1643和991 cm-1處的峰，分別對(duì)應(yīng)于桐油中脂肪酸的3個(gè)共軛不飽和雙鍵的=C—H伸縮振動(dòng)、—C=C—伸縮振動(dòng)和=C—H彎曲振動(dòng)[10]。1463和1167 cm-1處為酯基中的—C—O—的對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，1743 cm-1處的峰為酯基碳氧雙鍵的伸縮振動(dòng)，2850 cm-1處的峰為烷基長(zhǎng)鏈上碳?xì)滏I的伸縮振動(dòng)。

圖2 桐油與共聚物(PTOM-9)的FT-IR譜圖Fig.2 FT-IR spectra of the tung oil and copolymer (PTOM-9)

由圖2中共聚物(PTOM-9)的譜圖可見：甲基(—CH3)和亞甲基(—CH2—)的伸縮振動(dòng)吸收峰分別出現(xiàn)在波數(shù)2994 cm-1和2930 cm-1處，酯羰基(C=O)的伸縮振動(dòng)特征峰出現(xiàn)在波數(shù)1737 cm-1處，酯基的碳氧鍵(—C—O—)的對(duì)稱伸縮振動(dòng)特征峰出現(xiàn)在波數(shù)1454和1146 cm-1處。若該聚合產(chǎn)物為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，則1635 cm-1處的C=C雙峰鍵會(huì)消失[18-20]。同時(shí)，相對(duì)于桐油原料，3011、1635和991 cm-1處脂肪酸3個(gè)共軛不飽和基團(tuán)的C—H伸縮振動(dòng)、C=C伸縮振動(dòng)和=C—H彎曲振動(dòng)特征峰的消失或變?nèi)鮗10，21-22]，證明聚合反應(yīng)發(fā)生在脂肪酸的共軛不飽和基團(tuán)處，即成功制備出聚(桐油-甲基丙烯酸甲酯)共聚物。

2.2.2 核磁分析

圖3為桐油及其共聚物(PTOM-9)的1H NMR譜圖。由圖3中桐油的1H NMR譜圖可見：化學(xué)位移為6.37～5.68處是桐油分子中共軛三烯上的質(zhì)子峰，化學(xué)位移為2.20～2.00處為鄰近共軛三烯的亞甲基峰，化學(xué)位移為5.26、4.28～4.12處為甘油三酯結(jié)構(gòu)上的質(zhì)子峰[23]，化學(xué)位移為1.61～1.51處為脂肪酸結(jié)構(gòu)上的非鄰近共軛三烯的亞甲基質(zhì)子峰[21]。

圖3 桐油與共聚物(PTOM-9)的1H NMR譜圖Fig.3 1H NMR spectra of tung oil and copolymer (PTOM-9)

由圖3中共聚物(PTOM-9)的1H NMR譜圖可知，若該聚合產(chǎn)物為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，則化學(xué)位移5.31～5.40處和2.32處不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)子峰[18，24]。然而，由圖3中共聚物(PTOM-9)的1H NMR譜圖可見：化學(xué)位移5.31～5.40處出現(xiàn)了共軛雙烯上的質(zhì)子峰，化學(xué)位移3.73處出現(xiàn)了酯基上甲基的質(zhì)子峰，化學(xué)位移2.32處出現(xiàn)了鄰近共軛雙鍵的次甲基的質(zhì)子峰，化學(xué)位移5.68～6.37處共軛三烯上的質(zhì)子峰消失[21，25]，化學(xué)位移5.60～6.00處未出現(xiàn)由于Diels-Alder反應(yīng)生成的六元環(huán)烯烴不飽和雙鍵對(duì)應(yīng)的質(zhì)子峰[26]，說(shuō)明在共軛三烯結(jié)構(gòu)上主要發(fā)生了自由基聚合反應(yīng)，形成共軛雙烯結(jié)構(gòu)，得到聚(桐油-甲基丙烯酸甲酯)。

2.2.3 GPC分析

圖4為優(yōu)化條件下共聚物(PTOM-9)的GPC圖。由圖4可見：共聚物的GPC峰型對(duì)稱，呈單峰分布，說(shuō)明桐油和甲基丙烯酸甲酯發(fā)生了共聚反應(yīng)[27-28]。共聚物PTOM-9的重均相對(duì)分子質(zhì)量Mw=28289，多分散性指數(shù)PDI=3.6。

圖4 共聚物(PTOM-9)的GPC圖Fig.4 GPC spectrum of the copolymer (PTOM-9)

3 共聚物的性能

3.1 降凝性能

探究了所合成的共聚物在不同添加量時(shí)對(duì)潤(rùn)滑油品降凝性能的影響。選取PTOM-9添加到潤(rùn)滑油餾分(350～390 ℃)中，考察不同共聚物PTOM-9添加量對(duì)油品降凝性能的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 PTOM-9添加量對(duì)潤(rùn)滑油品的降凝效果Table 2 Effects of PTOM-9 additive amount on the solidification point of lubricants

由表2可見：隨著共聚物PTOM-9添加量的增加，降凝幅度先增大后趨于穩(wěn)定，當(dāng)PTOM-9添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%時(shí)，降凝效果最佳(ΔTsp=6 ℃)。這可能是因?yàn)镻TOM-9添加量為0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，共聚物的非極性長(zhǎng)鏈烷烴與基礎(chǔ)油中的蠟晶分子結(jié)構(gòu)相似，進(jìn)入蠟晶生長(zhǎng)的晶格中，發(fā)生共晶效應(yīng)，而共聚物的極性基團(tuán)則起到屏蔽作用，阻礙蠟晶的生長(zhǎng)，使油品的凝點(diǎn)降低，隨著共聚物添加量的增多，過(guò)量的共聚物不再參與共晶作用[29-30]，降凝效果趨于穩(wěn)定。

3.2 增黏性能

將共聚物PTOM-9按照不同比例添加到潤(rùn)滑油餾分(350～390 ℃)中，考察共聚物PTOM-9添加量對(duì)潤(rùn)滑油品黏-溫性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 PTOM-9添加量對(duì)潤(rùn)滑油品黏度指數(shù)(VI)的影響Table 3 Effect of PTOM-9 additive amount on the viscosity index (VI)of lubricants

由表3可見：隨著共聚物PTOM-9添加量的增加，潤(rùn)滑油餾分的黏度指數(shù)改進(jìn)幅度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)PTOM-9添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，可將潤(rùn)滑油品黏度指數(shù)提高69。這可能是因?yàn)楸M管潤(rùn)滑油的黏度隨溫度升高而降低，但聚合物分子隨溫度升高而膨脹，在油中形成的膠束尺寸增大，彌補(bǔ)了潤(rùn)滑油黏度的降低；隨著聚合物含量的增加，油中聚合物膠束的總體積增加，黏度指數(shù)提高[31-32]。共聚物添加量至0.7%時(shí)，側(cè)鏈數(shù)增多使分子鏈不能充分展開，黏度指數(shù)改進(jìn)效果隨之降低。

3.3 抗磨性能

將共聚物PTOM-9按照不同比例添加到潤(rùn)滑油餾分(350～395 ℃)中，以加入共聚物前、后的磨斑直徑(DWS)降幅(ΔDWS)為標(biāo)準(zhǔn)，考察共聚物PTOM-9添加量對(duì)潤(rùn)滑油品抗磨性能的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 PTOM-9添加量對(duì)潤(rùn)滑油品抗磨性能的影響Table 4 Effect of PTOM-9 additive amount on the anti-wear performance of lubricants

由表4可見：隨著共聚物PTOM-9添加量的增加，磨斑直徑呈現(xiàn)先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，在PTOM-9添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%時(shí)，可將潤(rùn)滑油品磨斑直徑縮小0.314 mm，說(shuō)明此時(shí)抗磨性能最好?？赡苁且?yàn)殡S著共聚物添加量的增加，共聚物的酯氧基極性基團(tuán)吸附在鋼球表面，形成致密的吸附膜，從而減少了鋼球之間的摩擦，使磨斑直徑減??；共聚物添加量為1.0%時(shí)，磨斑直徑變化幅度不大，這可能是由于共聚物在鋼球表面的吸附達(dá)到了飽和狀態(tài)，共聚物分子在鋼球表面的吸附和剝離達(dá)到了一定的平衡，形成了相對(duì)穩(wěn)定的保護(hù)膜[33-34]。

綜上所述，合成的聚(桐油-甲基丙烯酸甲酯)共聚物對(duì)潤(rùn)滑油餾分不僅具有降凝效果，還可改善潤(rùn)滑油品的黏-溫性能和抗磨性能，可以作為一種具有降凝、增黏和抗磨多重功能的潤(rùn)滑油添加劑。

4 結(jié) 論

(1)在桐油中引入甲基丙烯酸甲酯功能基團(tuán)，以偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑，合成了聚(桐油-甲基丙烯酸甲酯)共聚物，可作為一種替代傳統(tǒng)石油基添加劑的多功能潤(rùn)滑油添加劑。

(2)單體質(zhì)量比m(TO)∶m(MMA)=1.5∶8.5、引發(fā)劑AIBN在單體中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、反應(yīng)溫度為80 ℃、反應(yīng)時(shí)間為6 h條件下，共聚物的收率較高(44.99%)，所得共聚物的重均相對(duì)分子質(zhì)量為28289，多分散性指數(shù)為3.6。

(3)在潤(rùn)滑油餾分(350～395 ℃)中添加聚(桐油-甲基丙烯酸甲酯)共聚物，當(dāng)PTOM-9添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，降凝效果最佳(ΔTsp=6 ℃)，并可將潤(rùn)滑油品磨斑直徑降低0.314 mm；當(dāng)PTOM-9添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，可將潤(rùn)滑油品黏度指數(shù)提高69。因此，所合成的聚(桐油-甲基丙烯酸甲酯)共聚物是一種具有良好降凝、增黏和抗磨性能的多功能潤(rùn)滑油添加劑。