劉妍,宮衛(wèi)華,雍新民,鄧雪峰,李玉靚

(1.中國(guó)石油克拉瑪依潤(rùn)滑油廠,新疆克拉瑪依 834003;2.新疆克拉瑪依飛豹特種油品有限公司,新疆克拉瑪依 834000)

基礎(chǔ)油與潤(rùn)滑脂性能的關(guān)聯(lián)性研究

劉妍1,宮衛(wèi)華1,雍新民1,鄧雪峰2,李玉靚2

(1.中國(guó)石油克拉瑪依潤(rùn)滑油廠,新疆克拉瑪依 834003;2.新疆克拉瑪依飛豹特種油品有限公司,新疆克拉瑪依 834000)

選擇不同類型、不同精制深度基礎(chǔ)油作為潤(rùn)滑脂生產(chǎn)原料,通過(guò)潤(rùn)滑脂的制作實(shí)驗(yàn)和潤(rùn)滑脂性能測(cè)定考察基礎(chǔ)油理化性能和潤(rùn)滑脂性能的關(guān)聯(lián)性。通過(guò)改變潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的性能來(lái)達(dá)到改善潤(rùn)滑脂膠體性能的目的,為潤(rùn)滑脂的生產(chǎn)研究提供數(shù)據(jù)支持。

基礎(chǔ)油;潤(rùn)滑脂;性能

Abstract:The relationsh ip betw een base o ils′physicochem ical properties and grease p roperties w as studied through the p reparation and perfo r m ance evaluat ion of the grease w hich m anufacture m aterials w ere different types and refining depth base oils.Consequently,the grease colloid perform ance w as imp roved by changing lubricant base o ilproperties.It p rovides data support for grease production and research.

Key words:base oil;grease;perform ance

0 前言

中國(guó)潤(rùn)滑脂產(chǎn)量由 1985年 7.8萬(wàn) t增長(zhǎng)到2006年 27.43萬(wàn) t,20年增加了 3.5倍,躍居世界潤(rùn)滑脂生產(chǎn)大國(guó)行列。美國(guó)潤(rùn)滑脂協(xié)會(huì) (NLGI)發(fā)布的 2006潤(rùn)滑脂產(chǎn)量調(diào)查統(tǒng)計(jì)報(bào)告指出,世界潤(rùn)滑脂產(chǎn)量為 96萬(wàn) t。我國(guó)潤(rùn)滑脂的產(chǎn)量大致占世界的1/4。預(yù)計(jì) 2010年國(guó)內(nèi)潤(rùn)滑脂需求量將達(dá)到 30萬(wàn) t。

潤(rùn)滑脂是將一種 (或幾種)稠化劑分散到一種(或幾種)液體潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油中而形成的一種固體到半固體的產(chǎn)物。在潤(rùn)滑脂中,基礎(chǔ)油的含量約占70%～95%,所占比例最大,它對(duì)潤(rùn)滑脂的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、粘溫特性、稠化能力、制脂工藝過(guò)程及原材料成本都有很重要的影響。

實(shí)驗(yàn)室采用 9種環(huán)烷基基礎(chǔ)油和石蠟基基礎(chǔ)油及其調(diào)合配制的樣品,分別考察基礎(chǔ)油對(duì)潤(rùn)滑脂特性的影響及基礎(chǔ)油與硬脂酸溶解溫度試驗(yàn),從而找出相同粘度、不同粘度指數(shù)潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油與潤(rùn)滑脂性能的相關(guān)性。

1 潤(rùn)滑脂實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康漠a(chǎn)品的選擇

我國(guó)潤(rùn)滑脂市場(chǎng)是一個(gè)典型的一枝獨(dú)秀的市場(chǎng),鋰基脂是目前的主流產(chǎn)品,約占 83%,其他為鈣基脂、鈉基脂等。鋰基脂是由硬脂酸或 12-羥基硬脂酸與氫氧化鋰反應(yīng)制得鋰皂,由鋰皂稠化基礎(chǔ)油制成。符合 GB 7324-94的3#通用鋰基脂標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 3#通用鋰基潤(rùn)滑脂技術(shù)要求

續(xù)表

選擇 3#鋰基脂作為目的產(chǎn)品有以下原因:

(1)12-羥基硬脂酸稠化的潤(rùn)滑脂,只有兩個(gè)相變溫度,第一相變溫度 (即從偽凝膠態(tài)到凝膠態(tài))一般在 170℃以上,第二相變溫度(即從凝膠態(tài)到溶膠態(tài))一般在 200℃以上,因此鋰基潤(rùn)滑脂的滴點(diǎn)較高,一般在 180℃以上。

(2)12-羥基硬脂酸稠化脂的皂纖維形成雙股的,纏結(jié)在一起成紐帶狀,因此具有良好的機(jī)械安定性。

(3)12-羥基硬脂酸鋰和硬脂酸鋰對(duì)皂纖維表面液相的結(jié)合強(qiáng)度以及對(duì)晶格內(nèi)液相結(jié)合強(qiáng)度都是較大的,因此鋰基潤(rùn)滑脂具有較好的膠體安定性。

(4)堿金屬中的鋰對(duì)水的溶解度較小,因此,鋰基潤(rùn)滑脂具有較好的抗水性。

(5)12-羥基硬脂酸鋰皂對(duì)礦物油或合成油的稠化能力都比較強(qiáng),因此鋰基潤(rùn)滑脂與鈣基、鈉基潤(rùn)滑脂相比,稠化劑用量可以降低 1/3,壽命延長(zhǎng)一倍至數(shù)倍。

(6)12-羥基硬脂酸稠化脂具有較小的摩擦系數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

結(jié)構(gòu)改善劑:水。作用機(jī)理:由于含有極性基因,能吸附在皂分子極性端間,使皂纖維中的皂分子排列距離相應(yīng)增大,使基礎(chǔ)油膨化到皂纖維內(nèi)的量增大。此外,皂纖維內(nèi)外表面增大,皂油間的吸附也就增大。因此,在結(jié)構(gòu)改善劑存在時(shí),可使皂和基礎(chǔ)油形成穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)。

抗氧化添加劑:二苯胺。作用機(jī)理:打斷氧化反應(yīng)之鏈鎖反應(yīng)的反應(yīng)鏈,從而終止氧化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。皂基潤(rùn)滑脂中的金屬對(duì)氧化有催化作用,能加速潤(rùn)滑脂的氧化。

皂:12-羥基硬脂酸、硬脂酸、氫氧化鋰。

潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油:試驗(yàn)所采用的基礎(chǔ)油為:淺精制環(huán)烷基油A——遼河潤(rùn)滑油廠生產(chǎn),深精制環(huán)烷基油B——克拉瑪依潤(rùn)滑油廠生產(chǎn),石蠟基油 C——克拉瑪依潤(rùn)滑油廠生產(chǎn),D-1、D-2和 D-3為 A與C兩組分基礎(chǔ)油調(diào)合產(chǎn)品,E-1、E-2和 E-3為B與 C兩組分基礎(chǔ)油調(diào)合產(chǎn)品,基礎(chǔ)油調(diào)合方案見(jiàn)表 2?；A(chǔ)油理化性質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表 3。

表2 基礎(chǔ)油調(diào)合方案

表3 基礎(chǔ)油理化性質(zhì)分析結(jié)果

續(xù)表

2 潤(rùn)滑脂制作試驗(yàn)

以不同精制深度、不同粘度指數(shù)潤(rùn)滑油為基礎(chǔ)油,以 12-羥基硬脂酸鋰皂為稠化劑,采用實(shí)驗(yàn)室小釜反應(yīng)器制備出相同反應(yīng)條件不同稠度的 18種潤(rùn)滑脂,進(jìn)行潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油性能與潤(rùn)滑脂性能的相關(guān)性研究。

2.1 試驗(yàn)原材料參數(shù)

12-羥基硬脂酸酸值:185.88 mgKOH/g;硬脂酸分子量:205.99;

2.2 實(shí)驗(yàn)室小釜制備潤(rùn)滑脂工藝流程

實(shí)驗(yàn)室小釜生產(chǎn)潤(rùn)滑脂工藝流程見(jiàn)圖 1。

圖1 實(shí)驗(yàn)室潤(rùn)滑脂生產(chǎn)工藝流程

3#通用鋰基脂工藝流程概述:

①將基礎(chǔ)油 700 L、12-羥基硬脂酸 125 kg、硬脂酸 33 kg、氫氧化鋰 23.6 kg、水 4 kg、二苯胺 2 kg加入皂化釜升溫反應(yīng);壓力到 0.35 MPa時(shí)停止加熱。當(dāng)壓力達(dá)到 0.4 MPa時(shí),溫度為 150～160℃時(shí),開(kāi)始皂化反應(yīng),時(shí)間是 1 h。

②皂化反應(yīng)完成后,卸壓排氣,加入減三線基礎(chǔ)油 300 L和二苯胺 3.5 kg,快速升溫?cái)嚢璧?210℃,將皂化釜中物料轉(zhuǎn)入成脂釜中。

③預(yù)先將基礎(chǔ)油 500 L轉(zhuǎn)入成脂釜中,當(dāng)皂化釜中物料轉(zhuǎn)入成脂釜后,開(kāi)始急冷攪拌,急冷后溫度應(yīng)為 150～160℃;最后補(bǔ)加基礎(chǔ)油 280 L溫度應(yīng)達(dá)到 120～130℃。

④按照需要加入染料。

⑤開(kāi)始剪切,剪切時(shí)間 1.5 h,壓力 0.5～0.8 MPa。

⑥剪切完畢后過(guò)一次均質(zhì)機(jī),壓力 19～22 MPa。

⑦均質(zhì)后進(jìn)脫氣罐脫氣。

⑧成品出料時(shí)溫度為 90～110℃。

2.3 潤(rùn)滑脂質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目

采用不同類型、不同粘度指數(shù)基礎(chǔ)油制作出的潤(rùn)滑脂進(jìn)行相應(yīng)的性能檢測(cè),以考察基礎(chǔ)油與潤(rùn)滑脂性能之間的關(guān)聯(lián)性。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)項(xiàng)目如下:

①滴點(diǎn):指在規(guī)定的條件下加熱,達(dá)到一定流動(dòng)性時(shí)的溫度。它大體上可以決定潤(rùn)滑脂的使用溫度(滴點(diǎn)比使用溫度高 15～30℃)。

②錐入度:指在規(guī)定的溫度和負(fù)荷下試驗(yàn)錐體在 5 s內(nèi)自由垂直刺入油脂中的深度 (單位為 1/10 mm)。它是潤(rùn)滑脂稠度和軟硬程度的衡量指標(biāo)。

③膠體安定性(析油性):指在外力作用下潤(rùn)滑脂能在其稠化劑的骨架中保存油的能力,用分油量來(lái)判定。當(dāng)潤(rùn)滑脂的析油量在 5%～20%時(shí),此潤(rùn)滑脂基本上不能使用。

④機(jī)械安定性:指在機(jī)械工作條件下抵抗稠度變化的能力。機(jī)械安定性差,易造成潤(rùn)滑脂的稠度下降。

⑤蒸發(fā)損失:指在規(guī)定條件下,其損失量所占總量的百分?jǐn)?shù)。它是影響潤(rùn)滑脂使用壽命的一項(xiàng)重要因素。

3 試驗(yàn)結(jié)論

3.1 相似錐入度時(shí)皂用量的比較

在潤(rùn)滑脂的生產(chǎn)配方中,基礎(chǔ)油的選擇不僅與產(chǎn)品特性有關(guān),而且與生產(chǎn)成本的控制密切相關(guān)。生產(chǎn)成本最重要的是考慮達(dá)到某一脂級(jí)別所需皂量的多少?；A(chǔ)油的溶解性能直接影響潤(rùn)滑脂的皂含量。因此我們進(jìn)行試驗(yàn)以確定環(huán)烷基油和石蠟基油之間所需皂含量的區(qū)別。

相似錐入度時(shí),不同類型油品所需皂量對(duì)比見(jiàn)表4和圖2。

表 4 相似錐入度不同類型油品消耗的皂含量

圖 2 潤(rùn)滑脂使用不同基礎(chǔ)油制成時(shí)所需皂含量

由表 4中對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出:相似錐入度的潤(rùn)滑脂,同粘度不同類型潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油需要皂含量由多到少為:C(石蠟基油)＞B(深度精制)＞A(淺度精制)。把苯胺點(diǎn)最低的環(huán)烷基油A和石蠟基油C相比較,溶解能力較高的環(huán)烷基油可節(jié)省皂消耗量多達(dá) 25%。

3.2 相同皂含量時(shí)潤(rùn)滑脂性能比較

同粘度級(jí)別的環(huán)烷基油、石蠟基油A、B、C制作3#通用鋰基脂,在皂含量相同的前提下潤(rùn)滑脂性能結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 相同皂含量潤(rùn)滑脂性能比較

由表 5中對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出:

(1)錐入度反映潤(rùn)滑脂的軟硬程度,是設(shè)備潤(rùn)滑選擇潤(rùn)滑脂的重要指標(biāo)。錐入度對(duì)比結(jié)果:A＜B＜C(超過(guò)標(biāo)準(zhǔn))。

(2)滴點(diǎn)是指潤(rùn)滑脂從固態(tài)變成液態(tài)的溫度點(diǎn),反映潤(rùn)滑脂的高溫使用性能。滴點(diǎn)對(duì)比結(jié)果:A＜B＜C。

(3)鋼網(wǎng)分油率反映潤(rùn)滑脂常溫下的膠體安定性。鋼網(wǎng)分油對(duì)比:A＜B＜C。

(4)延長(zhǎng)錐入度是指潤(rùn)滑脂在工作器中經(jīng)過(guò) 10萬(wàn)次剪切后的錐入度測(cè)定值,一般情況下潤(rùn)滑脂經(jīng)過(guò)剪切后會(huì)變稀。延長(zhǎng)錐入度對(duì)比結(jié)果:A＜B＜C。

相同皂含量條件下,淺精制環(huán)烷基油A鋼網(wǎng)分油、錐入度結(jié)果最小;石蠟基油 C錐入度和延長(zhǎng)錐入度結(jié)果最大,滴點(diǎn)較高;深精制環(huán)烷基油性能居中。說(shuō)明環(huán)烷油的溶解能力較高表現(xiàn)出其對(duì)皂的較高親合力,使皂在油脂內(nèi)更加均勻地分布。與由石蠟油制成的油脂相比,環(huán)烷油制成的油脂中普遍存在著油與皂的相互作用,膠體安定性好,與皂結(jié)構(gòu)的粘合比較密切,從油脂中分離出來(lái)或滲出的傾向較低;而在石蠟油脂中,大多數(shù)油品以物理方式而不是以相互作用方式截留在皂結(jié)構(gòu)中,從油脂中分離或滲出的傾向高。但石蠟基油較好的粘溫性能賦予油脂較高的滴點(diǎn)。

3.3 硬脂酸溶解溫度的考察

考察三種精制程度不同的環(huán)烷油和石蠟基油中羥基硬脂酸溶解溫度,見(jiàn)表 6和圖 3。

表6 硬脂酸溶解溫度

圖 3 油中羥基硬脂酸(濃度30%)溶解所需要的溫度

潤(rùn)滑脂的生產(chǎn)是能源消耗。在稠化潤(rùn)滑脂時(shí),必須提高溫度直至脂肪酸分解為止。顯然,所需溫度越高消耗的能量就越多,較高溫度也增加皂氧化的風(fēng)險(xiǎn)。在各種油品中,羥基硬脂酸的濃度都是30%,這是羥基硬脂酸在油脂稠化時(shí)的典型濃度。圖 2溶解溫度結(jié)果表明:與石蠟基油相比,所有環(huán)烷油中脂肪酸溶解的溫度低得多,在A和B中情況尤其如此。含有環(huán)烷油的油脂所需的溫度較低,原因是其溶解能力較高;溶解能力較高的油品溶解添加劑的能力就較高。

3.4 相同粘度不同粘度指數(shù)基礎(chǔ)油對(duì)潤(rùn)滑脂性能影響

相似錐入度時(shí),達(dá)到相同皂含量條件下,考察不同粘度指數(shù)的油品制成的潤(rùn)滑脂性能差異見(jiàn)表 7。

表 7 不同粘度指數(shù)潤(rùn)滑油制成的潤(rùn)滑脂性能

由表 7中對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出,由環(huán)烷基油和石蠟基油調(diào)制不同粘度指數(shù)的潤(rùn)滑油制成潤(rùn)滑脂,在相同皂含量時(shí):D系列淺精制的油品和 E系列深精制的油品表現(xiàn)出隨著粘度指數(shù)的降低,錐入度減小,滴點(diǎn)降低,鋼網(wǎng)分油下降。

潤(rùn)滑脂的氧化安定性是指在貯存和使用過(guò)程中抵抗空氣(氧氣)的作用而保持其性質(zhì)不發(fā)生永久性變化的能力。基礎(chǔ)油的氧化穩(wěn)定性和熱分解溫度對(duì)潤(rùn)滑脂在抗磨軸承中的最高使用溫度和使用壽命有著決定性的影響。因此基礎(chǔ)油抗氧化能力的高低決定著潤(rùn)滑脂的氧化安定性好壞。實(shí)驗(yàn)室采用DSC差熱分析法測(cè)定不同基礎(chǔ)油制作的潤(rùn)滑脂初始氧化溫度,結(jié)果見(jiàn)表 8。

表8 潤(rùn)滑脂性能測(cè)定

綜上所述,采用差式量熱掃描儀測(cè)定出潤(rùn)滑脂樣品的初始氧化溫度,由于儀器分析有 10%左右的誤差允許范圍,因此基本上可以得出如下結(jié)論:由粘度指數(shù)較高的基礎(chǔ)油制作的潤(rùn)滑脂初始氧化溫度較高,增發(fā)損失較小。

4 結(jié)論

以 3#通用鋰基脂為標(biāo)準(zhǔn),采用精制程度遞增的環(huán)烷基油A、B和一種石蠟基油 C、粘度相近不同粘度指數(shù)的基礎(chǔ)油制作潤(rùn)滑脂,針對(duì)潤(rùn)滑脂幾個(gè)關(guān)鍵檢測(cè)項(xiàng)目考察的規(guī)律性結(jié)果如下:

(1)在錐入度相似的條件下,同粘度不同精制深度的基礎(chǔ)油需要皂含量由多到少為:C(石蠟基油)＞B(深度精制)＞A(淺度精制)。把苯胺點(diǎn)最低的環(huán)烷基油A和石蠟基油 C相比較,溶解能力較高的環(huán)烷基油可節(jié)省皂消耗量多達(dá) 25%。

(2)相同皂含量條件下:淺精制環(huán)烷基油 A鋼網(wǎng)分油最低,錐入度合格;深精制環(huán)烷基油性能居中;石蠟基油錐入度超標(biāo),滴點(diǎn)較高。說(shuō)明環(huán)烷油的溶解能力較高表現(xiàn)出其對(duì)皂的較高親合力。環(huán)烷油與皂結(jié)構(gòu)的粘合比較密切,因而從油脂中分離出來(lái)或滲出的傾向較低。但石蠟基油較好的粘溫性能賦予油脂較高的滴點(diǎn)。

(3)硬脂酸溶解溫度說(shuō)明:與石蠟基油相比,含有環(huán)烷油的油脂所需溫度較低,原因是其溶解能力較高;溶解能力較高的油品溶解添加劑的能力就較高。

(4)初始氧化溫度說(shuō)明,基礎(chǔ)油粘度指數(shù)高,相應(yīng)潤(rùn)滑脂抗氧化安定性好。

高壓加氫環(huán)烷基基礎(chǔ)油具有環(huán)烷烴含量高,低溫性能好的優(yōu)勢(shì)。與石蠟基油相比,生產(chǎn)的潤(rùn)滑脂所需皂分低,膠體安定性好,鋼網(wǎng)分油小,是普通皂基脂最好的基礎(chǔ)油。采用環(huán)烷基與石蠟基油調(diào)合的方式,獲得具有一定粘度指數(shù) (V I在 20左右)的環(huán)烷基油能提高抗氧化性能,同時(shí)保持高溶解能力和優(yōu)良的低溫特性,使環(huán)烷基油在最終產(chǎn)品質(zhì)量和成本方面都成為十分有利的選擇。

[1]徐桂云.潤(rùn)滑脂流變和輸送特性研究[M].江蘇:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[2]孟書(shū)鳳.環(huán)保型潤(rùn)滑劑的發(fā)展及應(yīng)用[J].潤(rùn)滑油,2003, 18(1):11-16.

S tudy on the Re la tionship be tween Base O il and G rease Prop e rties

L IU Yan1,GONGW ei-hua1,Y ONG Xin-m in1,DENG Xue-feng2,LI Yu-liang2
(1.PetroChina Karam ay B lending Plant,Karam ay 834003,China;
2.Xinjiang Karam ay Fe iBao SpecialO il Products Ltd.,Karam ay 834000,China)

TE626.4

A

2009-09-09。

劉妍(1976-),女,2007年畢業(yè)于青島科技大學(xué)化學(xué)工程專業(yè),碩士,高級(jí)工程師,從事潤(rùn)滑油研究工作 11年,已公開(kāi)發(fā)表論文6篇。

1002-3119(2010)03-0055-05