李興陽，揭斌華，鄒小蕓，龍宇臻

(1.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510630;2.中國石化潤滑油有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525011)

0 引言

隨著造紙機(jī)日益向大型化、寬幅化、高速化以及自動化等方向發(fā)展，高速造紙機(jī)被國內(nèi)各大造紙廠廣泛引進(jìn)應(yīng)用，而現(xiàn)代造紙機(jī)高速、重負(fù)荷、長周期運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備工況，對造紙機(jī)潤滑油提出更高的要求[1]。其中造紙機(jī)的干部工況最為苛刻，經(jīng)過軸承的蒸汽溫度可達(dá)150～180 ℃，軸承溫度約為110 ℃[2]，在高溫潮濕的工作環(huán)境容易引起潤滑油氧化變質(zhì)、金屬磨粒和水分等雜質(zhì)含量增加，導(dǎo)致抗乳化性、抗氧化、極壓抗磨性以及黏度等重要性能指標(biāo)下降，從而影響造紙機(jī)的正常運(yùn)行[3]。因此，要求造紙機(jī)循環(huán)潤滑油具備以下性能[4]：①優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和熱氧化安定性，確保長期在高溫條件下無沉渣、沉積物產(chǎn)生，延長油品的使用壽命；②優(yōu)異的抗乳化性，使混入油中的水快速實現(xiàn)分離，保證油品的使用性能；③良好的承載性能，防止軸承和齒輪在低速高扭矩和高速沖擊負(fù)荷下磨損和擦傷[5]；④良好的過濾性，防止精密過濾元件的堵塞，保證油品的清潔度；⑤良好的防銹性和水解安定性等[6]。

造紙機(jī)循環(huán)潤滑油按基礎(chǔ)油分類，可分為礦物油型和全合成型，其中全合成型造紙機(jī)循環(huán)油采用高黏度指數(shù)的全合成基礎(chǔ)油[7]。與礦物油型相比，全合成型具有優(yōu)良的高低溫性能，在高溫下能保持足夠的油膜，低溫下保持良好的流動性能，并具有更優(yōu)異的熱安定性和氧化安定性，可延長換油期，同時，全合成型的價格昂貴，為礦物油型價格的5倍以上。2006年由中國石化潤滑油有限公司牽頭，起草制定了合成型造紙機(jī)循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑油的輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2767-2006[8]，其中220號合成型造紙機(jī)循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑油的要求和試驗方法見表1，由于受制于高黏度指數(shù)的全合成基礎(chǔ)油資源，目前國內(nèi)造紙廠使用的全合成型造紙機(jī)循環(huán)油基本為國外潤滑油公司產(chǎn)品，如?？松梨赟HC PM220、殼牌Morlina S4 B220、道達(dá)爾MAP SH220、雪佛龍Clarity Synthetic Machine Oil等[9]。

表1 220號合成型造紙機(jī)循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑油的要求和試驗方法

為打破國外潤滑油公司產(chǎn)品市場壟斷，推進(jìn)合成造紙機(jī)循環(huán)油的國產(chǎn)化替代，提高國產(chǎn)高檔潤滑油在造紙行業(yè)的市場影響力，文中采用國產(chǎn)mPAO基礎(chǔ)油原料，通過開展添加劑主劑、輔助抗氧劑的篩選，研制滿足我國輕工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的220號合成循環(huán)造紙機(jī)油，同時，對破乳性能進(jìn)行優(yōu)化，以提高其快速分水性能。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所采用的原料見表2。

表2 主要原料

1.2 實驗儀器

實驗所采用的實驗儀器見表3。

表3 主要實驗儀器

1.3 PAO基礎(chǔ)油的性質(zhì)

實驗所采用的基礎(chǔ)油的主要理化數(shù)據(jù)見表4。

表4 基礎(chǔ)油的主要理化性能

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 添加劑主劑的確定

造紙機(jī)油的添加劑分為有灰和無灰添加劑，其中無灰添加劑因具有良好的氧化安定性、高溫下沉渣產(chǎn)生的傾向性更小，良好的分水性能、極壓抗磨性能和過濾性能，更適用于高速、高溫、高負(fù)荷的現(xiàn)代化造紙設(shè)備工況，而得到廣泛應(yīng)用[7]。以國產(chǎn)PAO8、mPAO40為基礎(chǔ)油，分別加入2%無灰復(fù)合劑F1、F2、F3調(diào)制220號合成造紙機(jī)油，考察不同無灰添加劑對220號合成造紙機(jī)油的性能影響，試驗結(jié)果見表5。

表5 不同無灰添加劑對220號合成造紙機(jī)油的性能影響

由表5可知，不同無灰復(fù)合添加劑調(diào)制的220號合成造紙機(jī)油性能不盡相同，其中復(fù)合劑F2的抗乳化性能、極壓性能、抗磨性能、抗腐蝕性能均優(yōu)于復(fù)合劑F1和F3，因此，選用無灰復(fù)合劑F2作為220號合成造紙機(jī)油的主劑，同時，考慮到旋轉(zhuǎn)氧彈試驗的氧化誘導(dǎo)時間為506 min，略高于指標(biāo)值，為進(jìn)一步改善220號合成造紙機(jī)油的抗氧化性能，仍需繼續(xù)補(bǔ)加輔助抗氧劑。

2.2 輔助抗氧劑的選擇

對于潤滑油配方研究而言，如何平衡抗氧化性與抗磨性是關(guān)鍵。隨著抗氧劑的加入，可能與主劑中的抗磨劑在金屬表面產(chǎn)生競爭吸附作用，從而影響油品的抗磨性能[10]，因此，在國產(chǎn)PAO8、mPAO40基礎(chǔ)油、2%復(fù)合劑F2調(diào)制的220號合成造紙機(jī)油中，分別加入0.4%抗氧劑K1、抗氧劑K2、抗氧劑K3、抗氧劑K4，并考察輔助抗氧劑加入后對油品旋轉(zhuǎn)氧彈試驗的氧化誘導(dǎo)時間和磨斑直徑的影響，試驗結(jié)果見表6。

表6 輔助抗氧劑對抗氧化性能和抗磨性能的影響

由表6可知，隨著輔助抗氧劑的加入，油品的旋轉(zhuǎn)氧彈試驗的氧化誘導(dǎo)時間增大，但磨斑直徑也增大，其中加入抗氧劑K4后旋轉(zhuǎn)氧彈試驗的氧化誘導(dǎo)時間最大，且對磨斑直徑影響相對較小，因此，選用抗氧劑K4作為220號合成造紙機(jī)油的輔助抗氧劑。

2.3 不同PAO基礎(chǔ)油對220號造紙機(jī)油性能的影響

分別在國產(chǎn)mPAO40、進(jìn)口PAO40-1、進(jìn)口PAO40-2中加入2%復(fù)合劑F2、0.4%抗氧劑K4和適量國產(chǎn)PAO8基礎(chǔ)油調(diào)制得到220號合成造紙機(jī)油，考察不同PAO基礎(chǔ)油對220號合成造紙機(jī)油性能的影響，考察結(jié)果見表7。

表7 不同PAO基礎(chǔ)油對220號造紙機(jī)油性能的影響

由表7可知，采用3種PAO40基礎(chǔ)油調(diào)制的220號合成造紙機(jī)油均滿足QB/T 2767-2006指標(biāo)要求，由于3種基礎(chǔ)油的性能差異，調(diào)制的220號合成造紙機(jī)油性能也有所差異。同進(jìn)口PAO40-1相比，國產(chǎn)mPAO40調(diào)制的合成造紙機(jī)油的黏溫特性(黏度指數(shù))、抗乳化性能、抗磨性能(磨斑直徑)和低溫性能更優(yōu)，而抗氧化性能(旋轉(zhuǎn)氧彈試驗的氧化誘導(dǎo)時間)略差。同進(jìn)口PAO40-2相比國產(chǎn)mPAO40調(diào)制的合成造紙機(jī)油的抗磨性能、抗氧化性能和低溫性能更優(yōu)，而黏溫特性略差。綜合性能對比，國產(chǎn)mPAO40替代進(jìn)口PAO40用于生產(chǎn)220號合成造紙機(jī)油是可行的。

2.4 快速分水性能的改進(jìn)

2.4.1 不同破乳劑對82 ℃快速分水性能的影響

造紙機(jī)設(shè)備長期與紙漿水、水蒸汽等接觸，油品乳化是造紙機(jī)潤滑過程中的常見現(xiàn)象，進(jìn)入油品中的水易導(dǎo)致添加劑水解，加速油品變質(zhì)、黑色金屬腐蝕，因此要求造紙機(jī)油具有優(yōu)異的抗乳化性能，可實現(xiàn)油水快速分離，并將沉降分離水及時排出油箱[11]。為進(jìn)一步提升220號合成造紙機(jī)油的快速分水性能，分別加入100 μg/g破乳劑P1、破乳劑P2、破乳劑P3、破乳劑P4，按照GB/T 7305《石油和合成液水分離性測定法》，分別記錄82 ℃下0.5 min、1 min、5 min的分水量以及40-37-3 mL的時間，并與加入前的油品進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表8所示。

表8 不同破乳劑對82 ℃抗乳化性的影響

由表8可知，隨著不同破乳劑的加入，220號合成造紙機(jī)油的82 ℃抗乳化性均較加入前的油品有所提升，40-37-3 mL時間下降，這是由于破乳劑可降低油-水界面膜的強(qiáng)度，使乳狀液的穩(wěn)定性下降，從而降低油水分離時間[12]。但從0.5 min、1 min、5 min的分水量來看，不同破乳劑的分水量差異較大，這可能是由于不同破乳劑的結(jié)構(gòu)差異，對油-水界面膜的作用不同，4種不同類型的破乳劑82 ℃抗乳化快速分水效果依次是：P1﹥P4﹥P2>P3。

2.4.2 不同破乳劑對54 ℃快速分水性能的影響

一般造紙機(jī)中心潤滑站的油品溫度為40～65 ℃[13]，為模擬220號合成造紙機(jī)油在油箱中的快速分水性能，按照GB/T 7305《石油和合成液水分離性測定法》，分別記錄54 ℃下0.5 min、1 min、5 min的分水量以及40-37-3 mL的時間，并與加入前的油品進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表9所示。

表9 不同破乳劑對54 ℃抗乳化性的影響

由表9可知，與82 ℃的抗乳化性的數(shù)據(jù)相比，54 ℃的分水量和分水時間均變差，這是由于隨著溫度的降低，油水密度差增大，黏度變大，同時分子布朗運(yùn)動減緩，破乳劑在油水界面的作用也減弱，從而影響破乳化的速度[14]。加入破乳劑后的220號合成造紙機(jī)油54 ℃抗乳化性40-37-3 mL時間均有所下降，而從0.5 min、1 min、5 min的分水量來看，不同破乳劑的分水量差異更加顯著，破乳劑P2和P3在0.5 min、1 min、5 min的分水量與加劑前相差不大，幾乎無改善效果；破乳劑P1在1 min中內(nèi)分水快，分水量多，但1 min后分水速度變得緩慢；破乳劑P4一直保持較快的分水性能，且40-37-3 mL時間最短，為17.0 min，說明破乳劑P4在54 ℃的快速分水性能最佳。

2.4.3 不同水質(zhì)對快速分水性能的影響

采用國產(chǎn)PAO8、mPAO40基礎(chǔ)油、2%復(fù)合劑F2、0.4%抗氧劑K4和100 μg/g破乳劑P4調(diào)制得到220號合成造紙機(jī)油，按照GB/T 7305《石油和合成液水分離性測定法》試驗方法，分別考察82 ℃和54 ℃試驗溫度下，蒸餾水、新鮮水、冷卻水對220號合成造紙機(jī)油抗乳化性能的影響，考察結(jié)果見表10、表11所示。

表10 不同水質(zhì)的82 ℃抗乳化性能

表11 不同水質(zhì)的54 ℃抗乳化性能

由表10和表11可知，220號合成造紙機(jī)油在蒸餾水、自來水、循環(huán)水中的分水效果差異較大，這是由于水的總硬度越高，pH值越大，水中的極性物質(zhì)越多，多于油水分離[15]。由表12不同類型的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)可知，冷卻水的總硬度最高、水質(zhì)最差，自來水其次，蒸餾水水質(zhì)最優(yōu)，因此，220號合成造紙機(jī)油在82 ℃和54 ℃下的分水效果依次是：蒸餾水﹥自來水﹥冷卻水。同時，從冷卻水82 ℃和54 ℃下的抗乳化試驗數(shù)據(jù)可知，40-37-3 mL時間小于30 min，0.5 min、1 min、5 min的分水量也較大，說明破乳劑P4在82 ℃和54 ℃的快速分水效果較好，在工業(yè)應(yīng)用中也可快速實現(xiàn)油水分離。

表12 不同類型的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

2.5 合成循環(huán)造紙機(jī)油的性能分析

對調(diào)制的220號合成造紙機(jī)油開展全性能分析，并與輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2767-2006《220號合成型造紙機(jī)循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑油》的要求進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表13所示。

表13 220號合成造紙機(jī)油的性能分析

由表13可知，采用國產(chǎn)mPAO40調(diào)制的220號合成造紙機(jī)油的分析結(jié)果均滿足輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2767-2006《220號合成型造紙機(jī)循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑油》的指標(biāo)要求。

3 結(jié)論

(1)采用國產(chǎn)mPAO40、PAO8基礎(chǔ)油、2%復(fù)合劑F2、0.4%抗氧劑K4和100 ppm破乳劑P4調(diào)制的220號合成造紙機(jī)油，滿足輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2767-2006《220號合成型造紙機(jī)循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑油》的指標(biāo)要求。且經(jīng)綜合性能對比，國產(chǎn)mPAO40替代進(jìn)口PAO40用于生產(chǎn)220號合成造紙機(jī)油是可行的。

(2)經(jīng)過篩選得到的破乳劑P4可進(jìn)一步改善220號合成造紙機(jī)油抗乳化性能，82 ℃和54 ℃的快速分水效果較好，在工業(yè)冷卻水中也可實現(xiàn)油水快速分離。