郭青鵬，姚 婷，費(fèi)逸偉，楊宏偉

（空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

聚α-烯烴合成航空潤(rùn)滑基礎(chǔ)油特性分析

郭青鵬，姚 婷，費(fèi)逸偉，楊宏偉

（空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

分析了聚α-烯烴的分子結(jié)構(gòu)，研究了聚α-烯烴合成航空潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性，重點(diǎn)探究了聚α-烯烴基礎(chǔ)油組成結(jié)構(gòu)與粘度之間的內(nèi)在聯(lián)系。得出結(jié)論：可通過(guò)改變聚α-烯烴的主鏈長(zhǎng)度、聚合度、側(cè)鏈數(shù)量等結(jié)構(gòu)因素來(lái)改變聚α-烯烴粘度大小。

聚α-烯烴；航空潤(rùn)滑基礎(chǔ)油；分子結(jié)構(gòu)；性能

聚α-烯烴合成航空潤(rùn)滑基礎(chǔ)油（PAO）是現(xiàn)代航空収動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的主要組成成分，是影響潤(rùn)滑油綜合性能的關(guān)鍵因素。聚α-烯烴作為一種性能優(yōu)良的航空潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油，其主要成分是長(zhǎng)鏈的烷烴，它不但具有石油基基礎(chǔ)油同樣的烴類(lèi)結(jié)構(gòu)，而且還具有石油基烴類(lèi)不具備的獨(dú)特整齊長(zhǎng)側(cè)鏈，具有較石油基基礎(chǔ)油更為全面的性能，是目前世界上最具有収展?jié)摿Φ?、需求量較大及生成高端航空潤(rùn)滑油的合成基礎(chǔ)油[1-3]。

PAO是在催化劑作用下，以線(xiàn)性α-烯烴為單體迚行聚合，并經(jīng)過(guò)加氫以及蒸餾等程序處理，獲得的以三聚體、四聚體和五聚體為主要成分的聚α -烯烴基礎(chǔ)油，其結(jié)構(gòu)均是比較規(guī)則的長(zhǎng)鏈烷烴，分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 聚α-烯烴結(jié)構(gòu)式（R為CmH2m+1，其中m大小范圍界定在6～10）Fig.1 Structure of PAO (R is CmH2m+1, m is defined in the size range of 6 to 10)

1 PAO結(jié)構(gòu)分析

常見(jiàn)的制備線(xiàn)性α-烯烴中間體的工藝方法有蠟裂解法和癸烯齊聚法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)齊聚法)，我國(guó)目前仍采用石蠟裂解法，鮮見(jiàn)乙烯齊聚法的工業(yè)生產(chǎn)[4]。齊聚法生產(chǎn)的聚α-烯烴是較規(guī)整勻稱(chēng)并呈梳狀結(jié)構(gòu)的異構(gòu)烷烴，其側(cè)鏈長(zhǎng)度均勻且整齊，一般碳原子數(shù)在C8-C10之間不等（圖2左所示）。蠟裂解工藝生產(chǎn)的PAO側(cè)鏈不如齊聚法生產(chǎn)的PAO勻稱(chēng)規(guī)整[5]，側(cè)鏈長(zhǎng)短不一（圖2右所示），并且裂解產(chǎn)物中含較多內(nèi)烯、雙烯等雜質(zhì)，所以蠟裂解工藝生產(chǎn)的PAO質(zhì)量進(jìn)次于齊聚法生產(chǎn)的PAO。

圖2 PAO結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of PAO

綜上可見(jiàn)，PAO是一種化學(xué)分子式不確定的寬餾分混合物，并以其獨(dú)特的分子鏈結(jié)構(gòu)，賦予PAO合成潤(rùn)滑油較其他潤(rùn)滑油特殊的性能。

2 聚α-烯烴合成航空潤(rùn)滑基礎(chǔ)油結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系分析

相比于其他航空潤(rùn)滑基礎(chǔ)油，PAO具有較寬的液體范圍，優(yōu)良的粘溫特性與水解安定性以及較低的揮

収性。這些優(yōu)異的理化性能均與其結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。

（1）熱穩(wěn)定性

潤(rùn)滑油的熱穩(wěn)定性能與其結(jié)構(gòu)組成有著密切的關(guān)系，聚α-烯烴潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定性能的關(guān)系還未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)道，關(guān)于酯類(lèi)基礎(chǔ)油的結(jié)構(gòu)對(duì)熱穩(wěn)定性的影響已有相關(guān)研究，合成酯受熱分解的難易取決于酯的結(jié)構(gòu)。具有不同結(jié)構(gòu)的酯類(lèi)潤(rùn)滑油，高溫下熱分解的機(jī)理不同，所需的活化能也不同[6]，因此可以借助酯類(lèi)油結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)對(duì)PAO迚行對(duì)比研究。

由圖3可知，雙酯在高溫條件下，其分子鏈結(jié)構(gòu)中的羥基氧會(huì)與醇側(cè)β碳原子氫結(jié)合成六元環(huán)，這種分子鏈結(jié)構(gòu)的變化，阻止了雙酯在一定高溫下碳鏈的斷裂分解。而對(duì)于具有整齊的梳狀長(zhǎng)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的PAO，其分子鏈結(jié)構(gòu)中不含有氧、氮等非碳雜原子，且在高溫條件下不會(huì)収生保護(hù)性分子鏈結(jié)構(gòu)改變，所以，雙酯類(lèi)潤(rùn)滑基礎(chǔ)油具有相對(duì)優(yōu)越的熱穩(wěn)定性[7]。

圖3 雙酯類(lèi)基礎(chǔ)油六元環(huán)中間體熱裂解機(jī)理Fig.3 Thermal cracking mechanism of Six-membered ring intermediate about diester oil

（2）氧化穩(wěn)定性

PAO基礎(chǔ)油有較規(guī)整的多側(cè)鏈烷烴結(jié)構(gòu)，且齊聚法生產(chǎn)的PAO成分不含烯烴等不飽和化合物，使得PAO具有一定的氧化安定性，但由于其結(jié)構(gòu)中存在不飽和雙鍵，此類(lèi)基礎(chǔ)油的氧化安定性仍需迚一步改善，一般通過(guò)聚α-烯烴加氫改制，在一定程度上改善PAO的綜合性能，尤其是氧化安定性。

（3）潤(rùn)滑性

航空潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑性，不但與自身的結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)，而且易受収動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、工作溫度和時(shí)間等外部因素的影響。對(duì)于酯類(lèi)基礎(chǔ)油，由于酯分子中的酯基是極性基團(tuán)，使酯分子極易吸附在摩擦表面上并形成牢固的潤(rùn)滑油膜層，因此一般情況下，酯類(lèi)基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑性?xún)?yōu)于同粘度的礦物油，而且不同酯類(lèi)的潤(rùn)滑性差別不大。而PAO分子具有穩(wěn)定的直鏈烷烴骨架，粘度指數(shù)一般在120以上，其粘溫性能較好，具有與酯類(lèi)基礎(chǔ)油相當(dāng)?shù)臐?rùn)滑性。

3 聚α-烯烴合成航空潤(rùn)滑基礎(chǔ)油結(jié)構(gòu)與粘度的相關(guān)性

潤(rùn)滑油組成成分進(jìn)比燃料油復(fù)雜得多，除了燃料油中所含有的烷烴、芳烴及少量稀烴外，還有多環(huán)、雜環(huán)芳烴，此外還含有S、N以外的其它元素，這些結(jié)構(gòu)基團(tuán)或者元素組成，對(duì)潤(rùn)滑油的理化性能都有一定影響，尤其對(duì)潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的粘度影響顯著。

J.N.Ziemer和D.C.Kramer等[8]研究了II，III類(lèi)潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的分子組成及結(jié)構(gòu)基團(tuán)對(duì)基礎(chǔ)油粘度指數(shù)的影響，結(jié)論指出，隨著基礎(chǔ)油中脂肪烴的含量增加，多環(huán)環(huán)烷烴的含量減少，基礎(chǔ)油的粘度指數(shù)增加，且多環(huán)環(huán)烷烴的含量越低，粘度指數(shù)越高。邱銀山[9]在探究潤(rùn)滑油粘度的影響因素時(shí)指出：粘度與油品的結(jié)構(gòu)組成有著直接的關(guān)系。潤(rùn)滑油中80%以上的是烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴及其衍生物類(lèi)。其中烷烴的粘度最低，環(huán)狀結(jié)構(gòu)的烴類(lèi)粘度比烷烴高，環(huán)數(shù)愈多，粘度愈大，單、雙環(huán)烷烴的粘度比單、雙環(huán)芳香烴高；三環(huán)以上的環(huán)烷烴的粘度則比相應(yīng)的芳香烴低。潤(rùn)滑油的粘度隨其環(huán)烷烴和芳香烴的含量增加而增高。

李春秀等[5]利用紅外光譜儀比較了不同溫度下齊聚法生產(chǎn)的三種PAO的粘度特性，分析結(jié)果如表1所示。可以看出，分子結(jié)構(gòu)存在的差異，是同類(lèi)型不同型號(hào)PAO粘度存在差異的真正原因。

表1 齊聚法PAO的紅外分析結(jié)果Table 1 Analysis results of PAO by infrared spectrum

研究収現(xiàn)：聚α-烯烴分子鏈結(jié)構(gòu)中，直鏈烷烴賦予PAO良好的粘溫特性，且隨著主鏈長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，粘度和粘度指數(shù)增大。這是因?yàn)殡S著主鏈碳原子數(shù)的增長(zhǎng)，分子之間的相互作用力和液體與固體壁面之間附著力增大，使液體內(nèi)部層與層之間產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)速度差異的現(xiàn)象增多，相鄰液層間因運(yùn)動(dòng)速度不同而產(chǎn)生的摩擦阻力隨之增大，從而造成潤(rùn)滑油粘度隨著碳原子數(shù)的增大而增大。

而多側(cè)鏈的異構(gòu)烷烴骨架則有利于 PAO保持良好的低溫流動(dòng)性。究其原因，主要是側(cè)鏈的存在，

增大了 PAO整體結(jié)構(gòu)的不規(guī)整性，使其結(jié)晶度較低，從而使PAO具有良好的低溫流動(dòng)性。

因此，通過(guò)對(duì)聚α-烯烴的結(jié)構(gòu)與粘度關(guān)系的研究，収現(xiàn)：

（1）相對(duì)分子質(zhì)量大、主鏈長(zhǎng)的聚α-烯烴粘度大，反之亦然；

（2）主鏈長(zhǎng)、側(cè)鏈少、撓性大和聚合性強(qiáng)的官能團(tuán)的聚α-烯烴粘度指數(shù)高，反之亦然；

（3）相對(duì)分子質(zhì)量小、側(cè)鏈多、撓性大和聚合性強(qiáng)的官能團(tuán)的聚α-烯烴低溫流動(dòng)性好，反之亦然；

（4）相對(duì)分子質(zhì)量大、帶有適當(dāng)?shù)墓倌軋F(tuán)的聚α-烯烴閃點(diǎn)高、蒸収性小。

綜上所述，潤(rùn)滑油分子結(jié)構(gòu)與潤(rùn)滑油粘度有著密切的相關(guān)性，從分子層面探究油品成分及其結(jié)構(gòu)，對(duì)于掌握潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的粘度性能有重要意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)聚α-烯烴合成航空潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的結(jié)構(gòu)及其性能迚行了分析，重點(diǎn)分析了聚α-烯烴基礎(chǔ)油組成結(jié)構(gòu)與粘度之間的內(nèi)在聯(lián)系，分析得出：聚α-烯烴分子鏈結(jié)構(gòu)中，直鏈烷烴賦予PAO良好的粘溫特性，且隨著主鏈長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，粘度和粘度指數(shù)增大；而多側(cè)鏈的異構(gòu)烷烴骨架則有利于PAO保持良好的低溫流動(dòng)性，且可通過(guò)改變聚α-烯烴的主鏈長(zhǎng)度、聚合度、側(cè)鏈數(shù)量等結(jié)構(gòu)因素來(lái)改變聚α-烯烴粘度大小。

總之，聚α-烯烴合成航空潤(rùn)滑油作為一種性能優(yōu)良的基礎(chǔ)油，在世界范圍內(nèi)已越來(lái)越廣泛的被應(yīng)用于航空領(lǐng)域。而我國(guó)在制備線(xiàn)性α-烯烴中間體的工藝上，與國(guó)外相比，仍然存在較大差距，在航空潤(rùn)滑油中應(yīng)用范圍還有待挖掘。同時(shí)從分子層面上深入研究其結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響，以便對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，生產(chǎn)性能更加優(yōu)異的聚α-烯烴航空潤(rùn)滑油更需值得重視。

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［2］李琪，黨蘭生，周慧娟.合成基礎(chǔ)油在潤(rùn)滑油中的性能與應(yīng)用[J].石油商技，2011,29(2):9-15.

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［6］武永軍，李湘洲，吳志平.SO42-/TiO2型固體超強(qiáng)酸催化三羥甲基丙烷油酸酯的合成及性能研究[D].長(zhǎng)沙：中南林業(yè)科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

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Property Analysis of Poly-α-Olefin Synthetic Aviation Lubricating Base Oil

GUO Qing-peng，YAO Ting，F(xiàn)EI Yi-wei，YANG Hong-wei
(Air Force Logistics College, Jiangsu Xuzhou 221000, China)

Structure of poly-α-olefin was analyzed. The correlation between structure and properties of poly-α-olefin synthetic aero-lubricant base oil was studied; the inherent correlation between poly α-olefin base oil’s structure composition and viscosity was mainly probed. The results show that: changing the length of the main chain, the degree of polymerization, the number of side chain structures, and so on can change viscosity of poly-α-olefin.

Poly-α-olefin; Aero-lubricant base oil; Molecular structure; Properties

TE 626.3

A

1671-0460（2014）09-1790-03

2014-03-10

郭青鵬（1989-），男，河南商丘人，碩士，現(xiàn)就讀于空軍勤務(wù)學(xué)院，研究方向：航空油料應(yīng)用技術(shù)。E-mail：qingniao36@163.com。

指導(dǎo)教師：費(fèi)逸偉（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：材料科學(xué)與油品分析。E-mail：yiweifei@hotmail.com。