高溫鏈條油的研制與應用

劉功德　崔光淑　郗　杰　王　輝

摘要：以高性能酯類油為基礎油，開發了全合成型高溫鏈條油，產品具有高溫熱氧化安定性好、蒸發損失低、高溫結焦少及抗磨性能好的優點，特別適用于雙軸拉伸聚酯（BOPET）及雙軸拉伸聚丙烯（BOPP）等苛刻工況下使用。

關鍵詞：高溫鏈條油；酯類油；斜板結焦

中圖分類號：TE626.3 文獻標識碼：A

Study and Application of High Temperature Chain Oils

LIU Gong-de1, CUI Guang-shu1, XI Jie2, WANG Hui1

(1.PetroChina Dalian Lubricating Oil R&D Institute, Dalian 116032, China; 2.PetroChina Dalian Blending Plant, Dalian 116032, China)

Abstract:Full synthetic high temperature chain oils were developed based on superior ester base oils and multifunctional complex additives, which show outstanding high temperature thermal oxidation stability, low evaporation loss and depositing tendency, and good anti-wear property. They are especially suitable for the chain lubrication under harsh circumstance such as in BOPET and BOPP industries.

Key words:high temperature chain oil; ester oil; panel coking test

0 前言

鏈傳動不但適于在大扭矩和低轉速下使用，而且在腐蝕性、潮濕環境及高速傳動中使用都能顯示出優越性。在鏈條的各鉸鏈部位加入潤滑油能緩和鏈條沖擊，減少摩擦，降低磨損，從而提高鏈傳動的平穩性、承載能力和使用壽命。雙軸拉伸聚丙烯(BOPP)、雙軸拉伸聚酯（BOPET）薄膜具有優良的性能，近年來得到很大的發展。在雙向拉伸薄膜生產過程中，橫向拉伸工藝處于最薄弱階段，因此對橫拉機的性能要求很高。在高溫和高速運轉下，鏈條平穩、無抖動地運行，是保證橫向拉伸時不破膜的先決條件。鏈條的平穩運行和鏈節的靈活自如及減小磨損依賴于鏈條潤滑系統的良好潤滑效果。鏈條潤滑系統要將耐高溫的潤滑油定時、定量地注入鏈條的銷軸和套筒之間的間隙來保證良好的潤滑效果和減小潤滑油的消耗［1］。

通常用作高溫潤滑油基礎油的酯類油是由阻化醇與直鏈脂肪酸反應制得，這類油通常具有粘度小、粘度指數高、凝固溫度低和低溫粘度小的優點，能滿足在極低溫度下航空發動機的正常啟動和高溫下的潤滑與冷卻。但在紡織、建材、造紙、塑料薄膜等行業中的烘房、烤箱、熱爐、拉伸拉幅機等設備的鏈條傳送及齒輪驅動系統中，需要熱氧化性能好、蒸發損失小、潤滑極壓性能好、粘附性強及粘度和粘度指數均較高的高溫潤滑油，這為酯類油的性能提出了更高的挑戰。要獲得粘度較高的酯類油，通常是制成復酯或在酯結構中引入支鏈酸來達到。因復酯的分子結構中不可避免會產生較寬的分子量分布，低分子量組分含量較高，致使復酯的蒸發損失較大。而雙季戊四醇有機酸酯具有高的粘度和高溫熱氧化安定性能，常被用作高性能高溫鏈條油的首選基礎油［2］。本項目通過對基礎油及添加劑的篩選與復配，開發了全合成型高溫鏈條油產品，主要性能與國外進口優質高溫鏈條油相當，滿足用戶的使用要求。

1 高溫鏈條油的研制

1.1 基礎油的選擇

多元醇酯具有很好的高溫熱氧化安定性，是使用最為廣泛的合成潤滑油基礎油之一，在航空發動機油等耐高溫潤滑油中得到廣泛應用。酯類油的性能受其結構的影響很大，自其上世紀40年代問世以來，酯類油經歷了3個階段的發展。第一階段，40年代初至50年代末，發展了雙酯型潤滑油，使用溫度達140～175 ℃。第二階段，60年代初至60年代末，發展了新戊基多元醇酯。新戊基多元醇酯因沒有β氫，其熱氧化穩定性較雙酯要好得多，使用溫度提高至175～200 ℃，它是現今使用最為廣泛的酯類基礎油。第三階段，即70年代初至今，發展了全阻化酯，使用溫度高達230 ℃［3］。

表1所列為各基礎油的基本理化性能。a樣是不含異構酸的雙季戊四醇酯，g樣系異構酸含量相對最多的雙季戊四醇酯，從a樣到g樣，異構酸的含量依次增加。如表1所示，隨異構酸含量的增加，油的粘度增大，粘溫性能變差，粘度指數降低。不含異構酸的雙季戊四醇酯在常溫下呈固態。隨油品中異構酸含量的增加，油品的傾點降低，但進一步增加異構酸的含量，反而使傾點升高。 說明欲得到較好低溫性能的高粘度酯類油，應保持適當的異構酸含量。

注：a,b,c,d,e,f,g酯類油試樣結構中支鏈酸含量依次增加。

圖1所示為各基礎油的紅外譜圖。如圖所示，在1750 cm-1附近出現酯羰基的特征吸收，在1460 cm-1及1380 cm-1波數附近呈現甲基及亞甲基的特征C-H振動吸收［4］。在3470 cm-1附近出現酯羥基的弱吸收峰，各試樣在該位置的吸收峰形狀及峰面積相近，說明各基礎油均具有很高的轉化率且酯化程度相近。

注：a,b,c,d,e,f,g酯類油試樣結構中支鏈酸含量依次增加。

表2所示為不同結構基礎油的抗熱氧化性實驗結果。由表2中數據可以看出，適當的異構酸含量，可提高基礎油的熱氧化性能。

酯類油的氧化機理，普遍認為與烴類相同，是在光、熱和金屬催化劑的影響下，少數被活化的酯首先與氧作用，生成有強氧化能力的過氧化物或過氧化自由基。過氧化基對酯結構中氫的攻擊，是有一定選擇性的，傾向于吸收分解能最低的C-H鍵中的氫。因此，C-H鍵易氧化的程度為叔鍵＞仲鍵＞伯鍵。酯類油的熱分解機理則與氧化機理不同，對雙酯，在高溫下其羰基與醇側的β碳原子上的氫結合形成六元環，受高溫作用， C-H鍵發生分解反應，生成羧酸和烯烴。

用烷基取代酯基中醇側的β碳原子上的氫，可制得熱安定性好的新戊基多元醇酯。這種酯的熱分解不同于雙酯，它不經過六元環發生β-C-H鍵的斷裂，而是按自由基機理進行裂解，不僅生成羧酸和烯烴，而且引起醇部分碳骨架的重排，這需要更高的活化能，因而新戊基多元醇酯的熱穩定性更好。

酯中酸部分上的α-H和β-H用烷基取代后，酯的熱安定性就會提高，因為阻化醇酯的熱分解可由酸的α-H轉移進行，β位的烷基一般能阻礙α-H的分離。酯結構中支鏈酸(3,5，5-三甲基已酸)的引入，一方面酸中β-H的取代提高了油品的熱安定性，但由氧化機理可知，因為叔氫的存在，會使油品氧化性能變差。因此可以認為，含異構酸的有機酸酯的熱氧化安定性是熱安定性與氧化安定性的綜合反應。如果酯類油結構的變化使其熱安定性的提高優于對氧化安定性的破壞，則油品總的熱氧化安定性升高；反之，如果油品熱安定性的提高差于氧化安定性的降低，則油品的熱氧化安定性降低。參照前述的熱氧化實驗結果，可以得出，適量的支鏈酸含量可提高油品的熱氧化安定性，而過多的支鏈酸含量會使油品的熱氧化安定性變差是由其結構所決定的。根據高溫鏈條油對高溫性能及粘溫性能的要求，選擇了粘度較高，支鏈酸含量適中的多元醇酯為基礎油。

1.2 高溫蒸發損失

鏈條油在使用過程中通常是在高溫、強空氣對流情況下使用，如果油品的蒸發損失過大，不但耗油量大，更為嚴重的是蒸發的油品會污染產品等，嚴重影響產品質量和工作環境。雙季戊四醇酯高溫性能好，高溫蒸發損失低，但由于其本身粘度仍然較低，必須加入一定量的增粘劑以提高油品粘度。如表3所示，樣1 的蒸發損失與國外樣品A、B基本相當，所用增粘劑a為聚酯型產品。采用PMMA型增粘劑的樣品蒸發損失都很大，這可能與其分子量分布較寬所致。而乙丙共聚物（OCP）的高溫性能較差，在高溫下容易結焦，且其在基礎油中的溶解性較差，故在高溫鏈條油中選用高粘度復酯為增粘劑。

高分子復酯通常是由多元醇和多元酸經脫水反應而制成的高分子量聚酯，具有良好的高溫熱氧化安定性和粘附性，在高溫下，能粘附在金屬表面，有利于表面油膜的形成，避免干摩擦發生，具有一定的減摩抗磨功能，也常用作輔助抗磨添加劑。

1.3 抗氧化性能研究

胺型和酚型抗氧劑復配是提高油品高溫抗氧性能有效手段，在耐高溫潤滑油中得到廣泛應用。而胺型抗氧劑又常用烷基化二苯胺及芳香胺復配使用，不但可進一步提高油品的高溫抗氧化性能，還可有效抑制高溫油泥的生成。用差熱法研究了不同抗氧劑及協合抗氧劑等添加劑對油品氧化誘導期的影響，結果如表4所示。

從表4數據可知，抗氧劑1、2、3與抗腐劑及潤滑添加劑的復合具有很好的抗氧化性能，氧化誘導期較鏈條油A更長。

合成油氧化腐蝕試驗是在鋼、銅、鋁、鎂四種金屬的催化作用及一定空氣流量下，高溫氧化油品一定時間，測定油品性能及金屬片質量變化，是研究油品在高溫條件下抗氧化性能的有效方法。利用合成油的氧化腐蝕試驗方法，研究了油品的高溫氧化腐蝕性能，結果如表5所示。

從表5數據可以看出，與鏈條油A相比，樣1、樣2氧化后粘度、酸值增長更小，表明其具有更好的抗氧化腐蝕性能。

1.4 潤滑性能研究

鏈條的失效機理通常是張力、疲勞和磨損造成的，其中張力是指鏈條的負荷超過了材料的屈服應力而引起鏈條的直接損壞，疲勞磨損則是在重復應力作用下產生的鏈條破壞，是在長時間使用過程中發生的一種材料破壞機制，合理潤滑可有效延長設備的疲勞壽命。而磨損則是由于潤滑不良而直接造成的鏈條破壞，根據其磨損機理不同，又可分為粘著磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損等多種。高溫鏈條油起著潤滑鏈節間連接軸承、減少磨損、降低運行中噪音的作用，合理的潤滑，可延長鏈條壽命10倍以上。由于高溫鏈條油通常是在相對敞開的系統中使用，且其與產品直接接觸的可能性較大，故在高溫鏈條油的組分中一般不選擇高活性、強刺激性氣味的添加劑，以減小其對環境和產品的影響。不同極壓抗磨劑對油品抗磨性能的影響見表6。結果顯示，磷劑及磷氮劑的復配可提高油品的抗磨性能。

注：+符號越多表示加量越大。

1.5 高溫結焦性能研究

高溫鏈條油通常是在高溫、與空氣充分接觸的條件下使用，如果油品抗高溫結焦性能不好，高溫下結焦量太多，造成鏈節間運動受阻，磨損加劇，鏈條運轉不平穩，影響產品質量，所以高溫鏈條油的抗結焦性能尤為重要。

實驗室中模擬高溫鏈條油的實際使用工況，設計并制造了專門用于高溫鏈條油高溫結焦性能測試的斜板結焦試驗儀。如圖2所示，潤滑油以一定的流量流經高溫金屬板，一定時間后，測定金屬板的質量變化來表示油品結焦量的大小。同時可計算試驗前后油品質量變化來表示油品在高溫下蒸發損失量的大小。

如表7所示，經對高溫清凈分散劑及抗氧劑等添加劑的優化，油品高溫斜板結焦性能很好，在300 ℃、

6 h條件下，結焦量僅1.7 mg，且板面非常清潔，而鏈條油A結焦量為7.6 mg。

1.6 高溫鏈條油典型理化性能及使用結果

針對不同基礎油的結構與性能研究及粘附劑、抗氧抗腐劑、極壓抗磨劑的研究，開發了全合成型高溫鏈條油，其典型理化性能分析見表8。

在完成實驗室研制工作基礎上，經與四川某絕緣材料股份有限公司協商，決定在其雙軸拉伸聚酯薄膜（BOPET）生產線上使用。為確保使用安全，在正式使用前，模擬高溫鏈條油的實際使用工況，在鼓風烘箱中進行了實驗油與在用油的高溫蒸發及抗結焦性能對比，見圖3。烘箱試驗表明，在試驗的前40 h，在用油失重速度最快，表明在用油的輕組分較多。在40 h后，在用油的失重速度減慢，并在56 h后，失重速度小于KCL T250和KCL T320試驗油。80 h取樣進行結焦分析表明，在用油結焦量為5%，是KCL T250和KCL T320結焦量的兩倍多。隨實驗時間的延長，結焦量增加，在128 h，在用油的結焦量達13.1%，遠大于KCL T250和KCL T320兩油的結焦量。結焦分析結果也解釋了為什么在56 h后，在用油的蒸發速度變小的原因，因為此時由于油品結焦而減少了蒸發損失。烘箱實驗結果表明研制油在高溫蒸發及抗結焦性能方面優于在用油，決定在生產線上使用。

生產線上的使用結果表明，研制油在使用過程中鏈條運轉平衡，耗油量低，鏈條表面清潔，無明顯結焦現象，完全能滿足使用要求。生產的BOPET薄膜外觀、電性能等一切指標正常，保證了生產的正常進行和市場供應。

2 結論

高溫鏈條油通常在高溫、與空氣充分接觸下使用，要求油品具有高溫抗氧化腐蝕性能好、高溫結焦少、高溫蒸發損失低等特點。經對基礎油及添加劑的研究，開發了高性能全合成高溫鏈條油產品。在雙軸拉伸聚酯薄膜（BOPET）生產線上使用結果表明，該油品在使用過程中鏈條運轉平衡，鏈條表面清潔，無明顯結焦現象及耗油量低的特點，完全能滿足使用要求。生產的BOPET薄膜外觀、電性能等一切指標正常，保證了生產的正常進行和市場供應。

參考文獻：

［1］ 王廷鴻.BOPP生產線模拉機潤滑系統的改造［J］.中國設備工程，2002（4）:50.

［2］ Mc Henry, Michael A Carr, Dale D Hutter,et al. High Temperature Lubricant Composition［P］. US:6436881.

［3］ 顏志光,楊正宇. 合成潤滑材料［M］. 北京:中國石化出版社，1996:11-32.

［4］ 唐恢同.有機化合物的光譜鑒定［M］. 北京:北京大學出版社，1992:128.

收稿日期:2008-07-03。

作者簡介：劉功德（1969-），男，材料學博士，2003年畢業于四川大學材料學專業，現主要從事發動機油及合成潤滑油的研究及管理工作，已發表論文數篇。