基礎油與潤滑脂性能的關聯性研究

劉妍,宮衛華,雍新民,鄧雪峰,李玉靚

(1.中國石油克拉瑪依潤滑油廠,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)

基礎油與潤滑脂性能的關聯性研究

劉妍1,宮衛華1,雍新民1,鄧雪峰2,李玉靚2

(1.中國石油克拉瑪依潤滑油廠,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、不同精制深度基礎油作為潤滑脂生產原料,通過潤滑脂的制作實驗和潤滑脂性能測定考察基礎油理化性能和潤滑脂性能的關聯性。通過改變潤滑油基礎油的性能來達到改善潤滑脂膠體性能的目的,為潤滑脂的生產研究提供數據支持。

基礎油;潤滑脂;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

中國潤滑脂產量由 1985年 7.8萬 t增長到2006年 27.43萬 t,20年增加了 3.5倍,躍居世界潤滑脂生產大國行列。美國潤滑脂協會 (NLGI)發布的 2006潤滑脂產量調查統計報告指出,世界潤滑脂產量為 96萬 t。我國潤滑脂的產量大致占世界的1/4。預計 2010年國內潤滑脂需求量將達到 30萬 t。

潤滑脂是將一種 (或幾種)稠化劑分散到一種(或幾種)液體潤滑油基礎油中而形成的一種固體到半固體的產物。在潤滑脂中,基礎油的含量約占70%～95%,所占比例最大,它對潤滑脂的結構穩定性、粘溫特性、稠化能力、制脂工藝過程及原材料成本都有很重要的影響。

實驗室采用 9種環烷基基礎油和石蠟基基礎油及其調合配制的樣品,分別考察基礎油對潤滑脂特性的影響及基礎油與硬脂酸溶解溫度試驗,從而找出相同粘度、不同粘度指數潤滑油基礎油與潤滑脂性能的相關性。

1 潤滑脂實驗

1.1 實驗目的產品的選擇

我國潤滑脂市場是一個典型的一枝獨秀的市場,鋰基脂是目前的主流產品,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制得鋰皂,由鋰皂稠化基礎油制成。符合 GB 7324-94的3#通用鋰基脂標準見表1。

表1 3#通用鋰基潤滑脂技術要求

續表

選擇 3#鋰基脂作為目的產品有以下原因:

(1)12-羥基硬脂酸稠化的潤滑脂,只有兩個相變溫度,第一相變溫度 (即從偽凝膠態到凝膠態)一般在 170℃以上,第二相變溫度(即從凝膠態到溶膠態)一般在 200℃以上,因此鋰基潤滑脂的滴點較高,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,纏結在一起成紐帶狀,因此具有良好的機械安定性。

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

(4)堿金屬中的鋰對水的溶解度較小,因此,鋰基潤滑脂具有較好的抗水性。

(5)12-羥基硬脂酸鋰皂對礦物油或合成油的稠化能力都比較強,因此鋰基潤滑脂與鈣基、鈉基潤滑脂相比,稠化劑用量可以降低 1/3,壽命延長一倍至數倍。

(6)12-羥基硬脂酸稠化脂具有較小的摩擦系數。

1.2 實驗材料

結構改善劑:水。作用機理: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增大,使基礎油膨化到皂纖維內的量增大。此外,皂纖維內外表面增大,皂油間的吸附也就增大。因此,在結構改善劑存在時,可使皂和基礎油形成穩定的膠體結構。

抗氧化添加劑:二苯胺。作用機理:打斷氧化反應之鏈鎖反應的反應鏈,從而終止氧化反應的進一步進行。皂基潤滑脂中的金屬對氧化有催化作用,能加速潤滑脂的氧化。

皂:12-羥基硬脂酸、硬脂酸、氫氧化鋰。

潤滑油基礎油:試驗所采用的基礎油為:淺精制環烷基油A——遼河潤滑油廠生產,深精制環烷基油B——克拉瑪依潤滑油廠生產,石蠟基油 C——克拉瑪依潤滑油廠生產,D-1、D-2和 D-3為 A與C兩組分基礎油調合產品,E-1、E-2和 E-3為B與 C兩組分基礎油調合產品,基礎油調合方案見表 2。基礎油理化性質分析結果見表 3。

表2 基礎油調合方案

表3 基礎油理化性質分析結果

續表

2 潤滑脂制作試驗

以不同精制深度、不同粘度指數潤滑油為基礎油,以 12-羥基硬脂酸鋰皂為稠化劑,采用實驗室小釜反應器制備出相同反應條件不同稠度的 18種潤滑脂,進行潤滑油基礎油性能與潤滑脂性能的相關性研究。

2.1 試驗原材料參數

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

2.2 實驗室小釜制備潤滑脂工藝流程

實驗室小釜生產潤滑脂工藝流程見圖 1。

圖1 實驗室潤滑脂生產工藝流程

3#通用鋰基脂工藝流程概述:

①將基礎油 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;壓力到 0.35 MPa時停止加熱。當壓力達到 0.4 MPa時,溫度為 150～160℃時,開始皂化反應,時間是 1 h。

②皂化反應完成后,卸壓排氣,加入減三線基礎油 300 L和二苯胺 3.5 kg,快速升溫攪拌到 210℃,將皂化釜中物料轉入成脂釜中。

③預先將基礎油 500 L轉入成脂釜中,當皂化釜中物料轉入成脂釜后,開始急冷攪拌,急冷后溫度應為 150～160℃;最后補加基礎油 280 L溫度應達到 120～130℃。

④按照需要加入染料。

⑤開始剪切,剪切時間 1.5 h,壓力 0.5～0.8 MPa。

⑥剪切完畢后過一次均質機,壓力 19～22 MPa。

⑦均質后進脫氣罐脫氣。

⑧成品出料時溫度為 90～110℃。

2.3 潤滑脂質量檢測項目

采用不同類型、不同粘度指數基礎油制作出的潤滑脂進行相應的性能檢測,以考察基礎油與潤滑脂性能之間的關聯性。實驗室檢測項目如下:

①滴點:指在規定的條件下加熱,達到一定流動性時的溫度。它大體上可以決定潤滑脂的使用溫度(滴點比使用溫度高 15～30℃)。

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

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

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

⑤蒸發損失:指在規定條件下,其損失量所占總量的百分數。它是影響潤滑脂使用壽命的一項重要因素。

3 試驗結論

3.1 相似錐入度時皂用量的比較

在潤滑脂的生產配方中,基礎油的選擇不僅與產品特性有關,而且與生產成本的控制密切相關。生產成本最重要的是考慮達到某一脂級別所需皂量的多少。基礎油的溶解性能直接影響潤滑脂的皂含量。因此我們進行試驗以確定環烷基油和石蠟基油之間所需皂含量的區別。

相似錐入度時,不同類型油品所需皂量對比見表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 潤滑脂使用不同基礎油制成時所需皂含量

由表 4中對比數據可以看出:相似錐入度的潤滑脂,同粘度不同類型潤滑油基礎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)。把苯胺點最低的環烷基油A和石蠟基油C相比較,溶解能力較高的環烷基油可節省皂消耗量多達 25%。

3.2 相同皂含量時潤滑脂性能比較

同粘度級別的環烷基油、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滑脂性能結果見表5。

表5 相同皂含量潤滑脂性能比較

由表 5中對比數據可以看出:

(1)錐入度反映潤滑脂的軟硬程度,是設備潤滑選擇潤滑脂的重要指標。錐入度對比結果:A＜B＜C(超過標準)。

(2)滴點是指潤滑脂從固態變成液態的溫度點,反映潤滑脂的高溫使用性能。滴點對比結果:A＜B＜C。

(3)鋼網分油率反映潤滑脂常溫下的膠體安定性。鋼網分油對比:A＜B＜C。

(4)延長錐入度是指潤滑脂在工作器中經過 10萬次剪切后的錐入度測定值,一般情況下潤滑脂經過剪切后會變稀。延長錐入度對比結果:A＜B＜C。

相同皂含量條件下,淺精制環烷基油A鋼網分油、錐入度結果最小;石蠟基油 C錐入度和延長錐入度結果最大,滴點較高;深精制環烷基油性能居中。說明環烷油的溶解能力較高表現出其對皂的較高親合力,使皂在油脂內更加均勻地分布。與由石蠟油制成的油脂相比,環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,與皂結構的粘合比較密切,從油脂中分離出來或滲出的傾向較低;而在石蠟油脂中,大多數油品以物理方式而不是以相互作用方式截留在皂結構中,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。

3.3 硬脂酸溶解溫度的考察

考察三種精制程度不同的環烷油和石蠟基油中羥基硬脂酸溶解溫度,見表 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

潤滑脂的生產是能源消耗。在稠化潤滑脂時,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險。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的典型濃度。圖 2溶解溫度結果表明:與石蠟基油相比,所有環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基礎油對潤滑脂性能影響

相似錐入度時,達到相同皂含量條件下,考察不同粘度指數的油品制成的潤滑脂性能差異見表 7。

表 7 不同粘度指數潤滑油制成的潤滑脂性能

由表 7中對比數據可以看出,由環烷基油和石蠟基油調制不同粘度指數的潤滑油制成潤滑脂,在相同皂含量時:D系列淺精制的油品和 E系列深精制的油品表現出隨著粘度指數的降低,錐入度減小,滴點降低,鋼網分油下降。

潤滑脂的氧化安定性是指在貯存和使用過程中抵抗空氣(氧氣)的作用而保持其性質不發生永久性變化的能力。基礎油的氧化穩定性和熱分解溫度對潤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。因此基礎油抗氧化能力的高低決定著潤滑脂的氧化安定性好壞。實驗室采用DSC差熱分析法測定不同基礎油制作的潤滑脂初始氧化溫度,結果見表 8。

表8 潤滑脂性能測定

綜上所述,采用差式量熱掃描儀測定出潤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論:由粘度指數較高的基礎油制作的潤滑脂初始氧化溫度較高,增發損失較小。

4 結論

以 3#通用鋰基脂為標準,采用精制程度遞增的環烷基油A、B和一種石蠟基油 C、粘度相近不同粘度指數的基礎油制作潤滑脂,針對潤滑脂幾個關鍵檢測項目考察的規律性結果如下:

(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)。把苯胺點最低的環烷基油A和石蠟基油 C相比較,溶解能力較高的環烷基油可節省皂消耗量多達 25%。

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

(3)硬脂酸溶解溫度說明:與石蠟基油相比,含有環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)初始氧化溫度說明,基礎油粘度指數高,相應潤滑脂抗氧化安定性好。

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

[1]徐桂云.潤滑脂流變和輸送特性研究[M].江蘇:中國礦業大學出版社,2005.

[2]孟書鳳.環保型潤滑劑的發展及應用[J].潤滑油,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年畢業于青島科技大學化學工程專業,碩士,高級工程師,從事潤滑油研究工作 11年,已公開發表論文6篇。

1002-3119(2010)03-0055-05