潤滑油基礎油組成對其性能的影響

作者:    日期:2017-10-11

  化工科技市場潤滑油基礎油組成對其性能的影響高善彬\劉和彬2王新苗\遲克彬3 \譚明偉1(1中國石油大慶化工研究中心,大慶1637142中國工商銀行大慶分行;3中國石油大學(北京)重質油國家重點實驗室)能的影響,指出哪些烴類是基礎油的理想組分,并從結構組成的角度分析了不同基礎油性質的差異,提出未來基礎油研究和生產的發展方向。


  分數備4且都為輕芳烴。另外于經過加氫趾也得到廣泛應用恤reserved.近年來,高檔潤滑油基礎油的需求不斷增加,潤滑油基礎油的生產技術得到了飛躍發展,但由于基礎油化學組成的復雜性,且缺乏有效的分離手段,對基礎油更深層次的認識以及從結構組成上研究基礎油性能,一直難以深入進行。隨著分析手段的不斷完善,一些先進的分析方法的產生和綜合利用,推動了對礎油結構組成及其性能的研究,對基礎油加氫技術和催化劑的開發具有重要意義。


  1潤滑油基礎油結構組成及分析方法1.1潤滑油基礎油的結構組成基礎油中的烴類含量占絕大部分,而硫、氮化合物的含量相對很小,因此,盡管潤滑油的組分非常復雜,但從族組成看,它主要由飽和烴(鏈烷烴和環烷烴)、芳烴和極性化合物組成。


  不同加工工藝的基礎油結構組成也存在差異,因而不可一概而論。采用“老三套”工藝生產的基礎油,飽和烴質量分數<90%,芳烴質量分數> 10%,主要為輕芳烴,也含有少量的中芳烴和重芳烴,硫氮含量較高,油品質量較差。而加氫異構化基礎油的飽和烴質量分數可高達99%以上,芳烴質量理或加氫裂化,基礎油中硫、氮含量也極低。從上海高橋的溶劑精制油(S)和某加氫異構油(HI)的質譜分析數據發現111,HI由中鏈烷烴約為RS由的2倍,RS由中環烷烴含量略高于H軸,H軸中一環環烷烴質量分數大于RS油,約7%,二環環烷含量與RS油相當,三環環烷含量是RS油的1/2基本不含四環環烷烴,而RS油中四環環烷的質量分數達到了79%,這些結構組成上的不同也決定了兩種,基礎油性能上的差異。合成基礎油PAO和GTL中,組成全部為飽和烴,且不含硫、氮,因此,也具有優異的性能。


  2潤滑油基礎油組成分析方法由于基礎油結構組成對其性能有重要影響,因此,通過對結構組成進行分析也越發重要。研究基礎油的結構組成是控制基礎油質量和開發潤滑油產品最基礎的工作。目前,分析基礎油化學組成的方法主要有經典柱色譜法、高效液相色譜法、薄層色譜法、紅外光譜法、紫外吸收光譜法、質譜法和核磁共振等121.其中,紫外吸收光譜、紅外吸收光譜、質譜和核磁共振(簡稱“四譜”堤有機化合物結構分析最常用的現代物理測試技術在潤滑油研究領域22結構組成對基礎油低溫性能的影響局品質的基礎油不僅需要有局黏度指數,還必須具有良好的低溫性能,即低傾點、良好的冷啟動性除傾點夕卜,冷啟動性和低溫泵送性也是衡量基和低溫泵送性?;A油加氫異構脫蠟反應中,將正礎油低溫性能的重要指標,當潤滑油處于低溫并有2潤滑油基礎油結構組成對其性能的影響基礎油的主要性能低溫性能、黏溫性、安定性、揮發性和清凈分散性等。不同的組成對基礎油的性能有著不同程度的影響,而同一組分,對基礎油性質的影響往往又是多重的,有時甚至是矛盾的,為得到性能優異的基礎油,了解不同結構組成對基礎油性能有何影響是必要的。


  21結構組成對基礎油黏溫性能的影響基礎油的黏溫性是其化學組成的函數,用黏度指數(VI)衡量,V樾高說明黏溫性能越好。八dhvary等研究認為,黏度指數的高低主要取決于正異構烷烴的含量,他們發現黏度指數與平均烷基鏈長之間的線性關系顯著|4-51.就烴類本身而言,其黏度指數的差別很大,鏈烷烴的黏度指數最高,黏溫性能最好;其次是具有烷烴側鏈的單環、雙環環烷和單環、雙環芳烴;最差的是重芳香烴、多環環烷烴和環烷芳烴16.從鏈烷烴的分子結構看,鏈烷烴骨架結構亦與基礎油黏溫性能有關。表1為Co正異構烷烴黏度指數差異。從表1可以看出,烷基側鏈的分支程度增加時,黏度指數將會下降。同碳數異構烷烴的黏度指數比正構烷烴的低,異構分支程度愈大者,黏度指數愈??;支鏈的長度增加,黏度指數也將下降。H柚中含有大量的異構烷烴,但其支鏈取代數目并不多,一般一個直鏈上含有1~3個支鏈,且支鏈較短,因此,鏈烷烴的這種取代位置、取代程度、支鏈大小在滿足基礎油低溫性能的條件下,兼顧了基礎油的黏溫性能及氧化性能,構成了H柚的優勢|71.表1正異構烷烴黏度指數差異烷烴骨架結構黏度指數烷烴骨架結構黏度指數構烷烴轉化為異構烷烴,就是在保證高黏度指數的同時,降低產品的傾點。Adhvay等|81,應用核磁共振分析技術,研究了基礎油結構組成與物性的關系,結果發現,傾點的高低主要與正構烷基和芳香環或環烷環a位亞甲基含量有關,即正構烷烴傾點較高,而異構烷烴傾點較低。王強等|10,用經過加氫處理的DAO行加氫異構,結果表明,產品中各餾分傾點都較原料得到大幅度降低。通過分析,產品中主要以異構烷烴和單環烷烴為主,這些化合物具備很好的低溫性質。Bin等|11,研究傾點和黏度的關系結果表明,帶有長支鏈的單環烷烴也具備良好的低溫性能和黏度性質。表2給出的是幾種烴的傾點。


  蠟分子定向排列,形成針狀或片狀結晶,并相互聯結成三維網狀結構,同時將低熔點油通過吸附或溶劑化包于其中,致使整個油品喪失流動性。當異構烷烴比例較大時,基礎油則表現出較好的低溫性能112.基礎油中的膠質、浙青質等極性組分和芳烴雖不是基礎油中的理想組分,但卻能阻止石蠟晶體間的黏結作用,降低石蠟的結晶溫度,有利于改善其低溫性能。


  雖然異構烷烴具有較好的低溫性能,但并不是支化度越高越好,因為支化度不僅與基礎油的低溫性能有關,還與產品的黏溫性相關。支化度越高,雖然傾點越低,但隨著支化度的增大,黏溫性質越來越差113.因此,支化度的大小應兼顧到基礎油的黏溫性與低溫性能。


  23結構組成對基礎油安定性的影響231氧化安定性潤滑油的氧化通常按自由基反應機理進行1101.一般來說,飽和烴中鏈烷烴的氧化穩定性優于環烷烴,鏈烷烴中支鏈越多,氧化穩定性越差;環烷烴也是比較穩定的,有側鏈時比烷烴稍差,而多環環烷烴是氧化反應中極不穩定的組分;對于芳烴而言,苯是穩定的,但帶有側鏈的烷基苯就使側鏈易受自由基攻擊而氧化。以上提到的氧化安定性僅僅是低溫安定性,一旦氧化溫度高于120°Q飽和的脂肪族化合物就會被氧化激發,而且隨著氧化時間的延長,氧化程度加深|141.有研究表明|151,在不加抗氧劑的條件下,各烴類的氧化安定性順序:多環芳烴>雙環芳烴>飽和烴>環烷烴>單環芳烴。


  另外,結構組成中硫、氮等極性化合物歷來被證明對基礎油的氧化安定性有很大影響1161.以蘭州煉油廠加氫基礎油而言1171,其極性部分的極限質量分數為0.03%大于此值時,潤滑油的抗氧化安定性會大大降低,這是由于隨著含氮化合物和含硫化合物含量的變化,以及各自作用的強弱不同造成的。


  一般認為,含氮化合物對油品的氧化起促進作用,而含硫化合物則能抑制油品的氧化。


  有研究人員研究喹啉、吲哚、噻吩等含硫、氮的雜原子化合物對基礎油氧化性能影響時發現,飽和烴中喹啉、吲哚的加入,并未使飽和烴氧化安定性變差,相反飽和烴的氧化起始溫度稍有提高,這與一些研究的結果是相脖的1181.但分析喹啉、吲哚所處的環境,可能是在飽和烴穩定的化學環境下,很難從烴分子中得到活潑氫,產生相應的自由基在有芳烴的吩的加入則提高了飽和烴的氧化起始溫度,這與前人的研究是一致的。


  232光安定性光安定性是指油品在光照條件下發生變色、渾濁、沉淀的程度,這是一種輕度的氧化過程。在基礎油的光氧化過程中,主要是芳烴組分(尤其是多環芳烴)發生結構組成變化,從而導致更多、極性更大的化學物質產生。與“老三套”工藝生產的基礎油相比,加氫基礎油本身的飽和烴含量很高,具有傾點低、黏度指數高、氧化安定性好等優點,但飽和烴對極性較大的物質溶解能力較差,它們很容易以不溶物形式從體系中沉淀出來,因此,存在光安定性差的缺點119.Gilbert0研究加氫基礎油的結構組成,發現少量部分加氫的多環芳烴是使油品變色、產生沉淀的主要組分。UhO211將基礎油分離為飽和烴、輕質芳烴、中質芳烴、重質芳烴和硫氮化合物,分別考察了各組分對光安定性的影響,發現飽和烴的光安定性最好,而三至六環芳烴和芳香、環烷的混合環狀烴,雜有少量的硫、氮化合物以及七環的芳烴是造成基礎油光安定性差的主要原因。


  24結構組成對基礎油揮發性的影響基礎油的閃點和蒸發損失是衡量揮發性和基礎油能否安全儲存、運輸和使用的一個重要指標。閃點低的基礎油,揮發性高,容易著火;蒸發損失大,造成潤滑油消耗量大,使用壽命短,同時低黏度組分的損失,導致油品的黏度上升,增加動力消耗,嚴重時會因為黏度太大而導致供油不足,潤滑失敗,損壞設備。在相同黏度下,飽和烴含量高的基礎油沸點較高,不易揮發。H;油的結構組成特點就決定了其具有較低的揮發性,蒸發損失遠小于SR油?;诤舜殴舱穹治龅慕Y構參數表明17 221,石蠟基的中性油(包括PAO)的揮發度較低,芳烴的較高,環烷烴最高。另外,隨著黏度的增加,樣品的揮發度降低。


  25結構組成對基礎油清凈分散性的影響目前,發動機油和其它工業潤滑油對基礎油的高溫清凈性和低溫分散性提出了新的要求,良好的清凈分散性可以延長換油周期,提高被潤滑設備和元件的使用壽命,增強潤滑油的燃料經濟性。


  對于高溫清凈性|231,由于H基礎油的結構組成以飽和烴為主,基本不含芳香烴,在成焦過程中難以形成大量的大分子氧化聚合產物和縮合產物,對于沉積物開始迅速增加的起始沉積溫度(環境下4才起至基反應的促進劑作用。至于噻仙也有更好的高溫清凈性。但研究同時發現對蓋礎油bookmark2油的DI要比H柚低30°Q說明H柚比S油具清凈性的影響是各組分共同作用的宏觀結果,利用質譜對各組分進行細分,同一族的不同組分對高溫清凈性的影響并不是一致的,具體原因還有待詳細研究。


  對低溫分散性而言,基礎油中的芳烴組分易氧化、聚合生成的油泥物質,使基礎油低溫分散性變差。SPP等bricaniEae)iSsLubi;LinJ.Since王強,沈本賢,凌昊,等?;谔紨捣植己妥褰M成分析的脫瀝于軍,郭小軍。發動機油低溫泵送性及其保持性的影響因陳士鋒,吳良英,翁惠新,等。潤滑油基礎油的清凈分散性能一基礎油的高溫清凈性研究J.華東理工大學學報:自然科學版,2005催化劑及潤滑油加氫工藝研究工作。


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