潤滑油抗泡劑的類型和機理探討

鄧廣勇,劉紅輝,李純錄

(中國石油大連潤滑油研究開發中心,遼寧大連 116032)

潤滑油抗泡劑的類型和機理探討

鄧廣勇,劉紅輝,李純錄

(中國石油大連潤滑油研究開發中心,遼寧大連 116032)

結合潤滑油抗泡沫性能測定法及表面活性劑的基本理論對潤滑油抗泡劑的作用機理進行了探討。認為潤滑油抗泡劑的作用機理并非通常認為的是降低液體與空氣界面間的表面張力,提出能夠降低潤滑油生成泡沫能力的抗泡劑應具有增加油品泡沫的表面張力或降低泡沫表面膜強度及韌性的性能,并對其原理進行了詳細敘述。本文還對目前廣泛使用的三種類型潤滑油抗泡劑,有機硅聚合物、非有機硅聚合物及復合抗泡劑進行了簡單介紹。

抗泡劑;表面活性劑;機理;類型

Abstract:According to the determ ination m ethod of foam ing characteristics for lubricating oils and the principles of surfactant,the defoam ing and antifoam ing m echanism of antifoam er for lubricating oils is described.The author doesn′t think that the m echanism of antifoam er for lubricating oils is debasing the surface tension of the interface of liquid and air.It is pointed out that the antifoam er fo r lubricating o ils should possess the abilities of enhancing tension or debasing intensity and tenacity of foam surface.And its principle is described in detail.Finally,the properties of o rganic silicone antifoam er,non silicone antifoam er and compounded antifoam er are presented briefly also.

Key words:antifoam er;surfactant;m echanism;type

0 前言

現代潤滑油中,不論是發動機潤滑油、工業潤滑油或是傳動潤滑油都含有定量的添加劑,在油品的使用過程中由于油品的輸送或油與機器部件的劇烈振動等原因,都會使油品有生成泡沫的傾向,而穩定泡沫的形成會造成極為不良的后果,不僅造成潤滑油的浪費損失,還降低了油品的使用性能,造成機器的磨損。

潤滑油抗泡沫性能的測定是按照美國試驗與材料協會AST M D892標準實驗方法進行的,在我國相應的標準為 GB/T 12579《潤滑油泡沫特性測定法》。方法的概要為:將一定空氣通入油內 5 min,然后靜止 10 min,分別測量這兩個時間終了時的泡沫體積。在規定的不同溫度下,測出潤滑油的泡沫體積,用來描述被測油品的起泡傾向和泡沫穩定性。

為了防止潤滑油生成泡沫或盡快將生成的泡沫消除,在潤滑油中使用了抗泡沫添加劑,本文對潤滑油中使用的抗泡沫添加劑的作用機理進行了探討并對抗泡劑的類型進行了簡單介紹。

1 抗泡劑作用機理

關于抗泡劑作用機理的研究盡管目前尚不十分清楚,但也提出了若干機理,其中最廣泛的理論認為主要作用是降低液體與空氣界面間的表面張力,從而使泡沫破壞[1]。

結合潤滑油抗泡沫性能測定法及表面活性劑的基本理論,本人亦對潤滑油抗泡劑的作用機理進行探討。潤滑油的起泡能力與表面張力密切相關,從能量觀點考慮,低表面張力對泡沫形成有利,因為生成一定總表面積的泡沫,需要做較少的功 (表面功),而表面張力較大情況下生成一定總表面積的泡沫,需做較多的功,不利于泡沫的形成,因此增加油液與空氣界面的表面張力能夠降低潤滑油起泡傾向。

為了降低泡沫穩定性,必須降低泡沫表面膜的強度和韌性,表面膜的強度一方面與表面吸附分子間的相互作用有關,相互作用力大則表面膜強度也大。另一方面與表面膜的厚度有關,表面膜越厚強度越大,生成的泡沫也越穩定,高粘度油品生成的泡沫較低粘度油品生成的泡沫表面膜要厚,泡沫也穩定;表面膜的韌性也與表面吸附分子間的相互作用有關,如膜中的分子不易自由流動,則韌性差,受到作用力泡沫易消除。

因此,筆者認為:為降低潤滑油生成泡沫的能力,抗泡劑應具有增加油品泡沫的表面張力或降低泡沫表面膜強度及韌性的性能。之所以許多文章及書籍介紹潤滑油抗泡劑機理時認為是降低液體與空氣界面間的表面張力,可能是根據表面活性劑的定義:表面活性劑是指一些在很低的濃度下,能顯著降低液體表面張力 (或界面張力)的物質。該定義是指表面活性劑在純物質中起的作用,而潤滑油抗泡劑是添加在已含有許多表面活性物質,而且表面張力足夠小,易生成泡沫的混合物體系中。加入它的目的就是要改變體系的表面張力小易產生泡沫的傾向,由于表面活性劑的性質決定了其只能是在一定的含表面活性劑體系中適當的增加液體和空氣界面間表面張力。

純物質是不易起泡的,潤滑油之所以易生成穩定的泡沫,是因為油品中通常含有定量的清凈劑、分散劑及其他添加劑,它們大多數是表面活性物質,表面活性物質富集于氣液界面,其非極性基團伸向氣泡內,極性基團指向液體,形成單分子層膜,這種膜的形成降低了界面的張力而使氣泡處于較穩定的熱力學狀態,當氣泡在液體中上浮到液面并逸出時,氣泡膜已形成雙分子層膜了。如再加入另一類表面活性劑,部分替代原氣泡膜中的表面活性劑,從而改變膜層分子間引力,使膜強度降低,泡沫的穩定性下降,就可達到消泡的目的。

消除泡沫的另一種方式是使形成泡沫的液體受地心引力等的作用快速流走,使液膜變薄,從而降低強度,使氣泡破裂。液膜中液體粘度大則不易流走,還會使膜的強度增加,所以要求作為抗泡劑的表面活性劑具有非常好的粘溫性能,在較寬的溫度范圍都有合適的粘度、良好的流動性能。由于其非常好的粘溫性能,許多抗泡劑還常被用來作為要求高粘溫性能場合的潤滑劑;此外,潤滑油抗泡劑在相當低的濃度時就表現出其性能,這是其他潤滑油添加劑所不具備的。

2 常用抗泡劑類型

潤滑油抗泡劑為油溶性表面活性劑,它是由極性基團和非極性基團組成。常用的潤滑油抗泡劑有三類。第一類是有機硅聚合物,最常用的是二甲基硅油,它是由帶有極性基團的 Si和非極性基團的烷基聚合而成,活性基團有OH、CHO、COOH、NH2及SH等,常用的是帶有 OH基團,它由二甲基二氯硅烷 [(CH3)2SiCl2]與少量三甲基一氯硅烷[(CH3)3SiCl]的混合物水解得到,產物經縮聚為含有 Si-O鍵和甲基組成的烷基聚醚,即通常的甲基硅油。有機硅類型抗泡劑的加量通常是 (2～10) μg/g。它能有效抑制泡沫的產生,降低機器磨損并延長油品使用壽命,有機硅聚合物抗泡劑并不溶解于油,它是通過高度分散穩定的膠體狀態而分布于油中,如在酸性油品里,隨著時間的延長,有機硅類型的抗泡劑會不穩定而沉降,聚積造成消泡性能的失效。有機硅聚合物抗泡劑的作用機理為增加液體同空氣的表面張力,使之不易生成氣泡,因此含有機硅聚合物抗泡劑的油品空氣釋放性較差。

第二類是單獨使用的非有機硅聚合物。在汽輪機油及液壓油等酸性油品中,長時間使用后有機硅聚合物會失去消泡性能,這種場合可以使用非硅聚合物抗泡劑。應用最多的非有機硅聚合物潤滑油抗泡劑是丙烯酸酯和烷基丙烯酸共聚物。它們在礦物油中的溶解性好,對調合技術不敏感,用量也很少0.001%～0.05%(質量分數)。這類抗泡劑的抗泡性能受體系已存在的表面活性物質影響較大,抗泡劑的作用效果取決于整個油品體系,因此同一種表面活性劑在一個油品體系中具有降低泡沫的能力,但在另一種情況下則可能完全沒有抗泡性能,某些場合不僅沒有抗泡性能,反而促進油品生成泡沫,在潤滑油體系中存在清凈劑時應特別注意這種情況。這類抗泡劑和有機硅類型抗泡劑相比,能有效地改善油品的空氣釋放性。因為這類非有機硅聚合物抗泡劑的作用機理為部分替代原氣泡膜中的表面活性劑,從而改變膜層分子間引力,使膜強度降低,或韌性降低使泡沫的穩定性下降,達到消泡的目的,因此含這類非有機硅聚合物抗泡劑的油品中的空氣能以氣泡形式放出,具有良好的空氣釋放性。

第三類是復合抗泡劑。由于上述兩類抗泡劑的優點及不足,某些情況下單獨使用不能滿足油品性能要求,因此發展了復合抗泡劑,通過復合增加抗泡效果和提高抗泡劑的穩定性。多數復合抗泡劑是上述兩類抗泡劑的復合,以發揮各自的優點,滿足油品使用性能的要求。此外也有非硅類抗泡劑之間的復合。

3 結束語

選擇抗泡劑類型的原則取決于潤滑油的組成和油品的使用方式,潤滑油中使用的添加劑多為表面活性劑,一種表面活性劑可以兼有數種作用,因此在降低和抑制潤滑油生成泡沫方面應考慮潤滑油配方中使用的其他功能添加劑的類型,象清凈劑、分散劑及抗磨劑等。潤滑油里的清凈劑,如烷基酚鹽、硫化烷基酚鹽;抗氧抗磨劑,如烷基硫代磷酸鹽都具有一定的泡沫抑制作用,烷基分子的高低決定了添加劑的性能和功效,如熱穩定性、清凈性、抗磨性和抗泡性,就泡沫抑制作用來說當烷基為采用低分子醇獲得的上述添加劑時其抗泡效果更好,因為隨著表面活性劑中烷基鏈的加長表面活性增加,起泡性能亦增加。在合成油中加入適量的烷基聚酰胺,不僅可

以改善合成油對加入功能添加劑的溶解效果,還可以降低合成油的起泡性能,并增加油品的分散性。油品中表面活性劑間的相互作用機理是復雜的,許多場合并不能靠理論推理解決問題,要使潤滑油抗泡劑的應用發揮好的效果,必須進行實際油品體系的多方面試驗,另外研究并采用多效添加劑是提高經濟效益和提高油品質量的關鍵,因為,采用多效添加劑可以在滿足油品使用功能的前提下,減少使用功能添加劑的數量,這可以減少潤滑油這個含多種表面活性物質體系的復雜性,減少不確定因素對油品穩定性能的影響,油品的穩定與否是決定其質量的關鍵。

[1]黃文軒.潤滑劑添加劑應用指南[M].北京:中國石化出版社,2004:168.

D iscuss ion on the Typ e and M echanism of Antifoam e r for Lub rica ting O ils

DENG Guang-yong,L IU Hong-hui,LIChun-Lu
(PetroChina Dalian Lubricating O ilR&D Institute,Dalian 116032,China)

TE624.82

A

2009-06-08。

鄧廣勇(1964-),男,高級工程師,1983年畢業于遼寧石油化工大學(原撫順石油學院)應用化學專業,從事過油品分析、潤滑油研究及技術服務工作,已公開發表論文多篇。

1002-3119(2010)03-0041-02