微量水對(duì)高黏度聚α－烯烴性能的影響

張丙伍，李 靜，金理力，李桂云

（中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，蘭州 730060）

潤(rùn)滑油及其調(diào)合原料在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中由于容器不干凈、密封不嚴(yán)和露天存放等原因使空氣中的水分及其它來(lái)源水分侵入，這部分乳化水或溶解水含量較小，一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.03%，按照GB 260《石油產(chǎn)品水分測(cè)定法》中對(duì)水含量的界定，稱之為痕跡水或微量水。水對(duì)潤(rùn)滑油的質(zhì)量和使用性能產(chǎn)生負(fù)面影響，當(dāng)溫度降低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油流動(dòng)性能和黏溫性能變差，會(huì)堵塞油路；當(dāng)溫度升高時(shí)，水會(huì)汽化而導(dǎo)致油路產(chǎn)生氣阻，同時(shí)還會(huì)使油品乳化，破壞油膜，降低潤(rùn)滑效果。另外水會(huì)加劇油品氧化，加快有機(jī)酸對(duì)設(shè)備部件的腐蝕；而且還會(huì)使添加劑水解而失去功效［1］。微量水對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的危害越來(lái)越引起人們的重視。

合成型基礎(chǔ)油聚α－烯烴（PAO）因其優(yōu)異的熱安定性和氧化安定性而廣泛應(yīng)用于工業(yè)用油中，特別是工業(yè)齒輪油中。工業(yè)齒輪的負(fù)荷、速度以及環(huán)境介質(zhì)如微量水等會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油的抗泡沫性、黏度等理化性能產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響。而微量水對(duì)PAO，尤其是高黏度PAO的性能影響的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本課題利用高剪切分散乳化機(jī)將聚α－烯烴中的微量水均勻分散，采用潤(rùn)滑油泡沫特性測(cè)定法、石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定法、石油產(chǎn)品黏度指數(shù)計(jì)算法、閃點(diǎn)測(cè)定法（賓斯基－馬丁閉口杯法）和熱重分析法分別評(píng)價(jià)微量水對(duì)高黏度聚α－烯烴理化性能的影響，以期為工業(yè)用油的開發(fā)積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

蒸餾水，實(shí)驗(yàn)室自制；進(jìn)口PAO 40，基本理化性能見(jiàn)表1。

表1 PAO 40的基本理化性能

1.2 儀器及條件

采用Fluko FA25Model實(shí)驗(yàn)型管線式高剪切分散乳化機(jī)對(duì)油品進(jìn)行在線分散乳化，具有勻度高、無(wú)分散死角等特點(diǎn)。

采用法國(guó)NORMORLAB公司生產(chǎn)的P643油品泡沫特性測(cè)定儀，依據(jù)GB／T 12579標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定油品的泡沫特性；按照GB 265標(biāo)準(zhǔn)方法《運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定法》測(cè)定油品的運(yùn)動(dòng)黏度；按照GB 261標(biāo)準(zhǔn)方法《閉口閃點(diǎn)測(cè)定法》測(cè)定油品的閃點(diǎn)；采用瑞士梅特勒公司生產(chǎn)的METTLER TGA／DSC1熱重分析儀進(jìn)行熱重分析，試驗(yàn)條件：氣體氛圍為高純氮?dú)?，氣體流量100mL／min，在50℃下恒溫1min，按20℃／min的升溫速率升溫至900℃。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

以22000r／min高剪切轉(zhuǎn)速分散PAO 40中的微量蒸餾水，分散時(shí)間為30min，冷卻至室溫后進(jìn)行理化性能分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 微量水的分散

分別在PAO 40中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%，0.005%，0.01%的蒸餾水，用實(shí)驗(yàn)型管線式高剪切分散乳化機(jī)進(jìn)行高速分散，分散結(jié)束后，油品產(chǎn)生許多細(xì)小氣泡，氣泡聚集上升劇烈，油品不透亮，燒杯明顯有發(fā)燙感，1h后泡沫消失，油品清澈透亮，說(shuō)明微量水被均勻分散在PAO 40基礎(chǔ)油中。

2.2 微量水對(duì)PAO 40泡沫特性的影響

泡沫特性是指油品生成泡沫的傾向和泡沫穩(wěn)定性。生成泡沫傾向的大小是以在一定條件下?lián)u動(dòng)或攪拌時(shí)產(chǎn)生的泡沫多少來(lái)評(píng)價(jià)的，泡沫穩(wěn)定性是指生成的泡沫存在時(shí)間的長(zhǎng)短，即泡沫的持久性或存在的壽命，也可以理解為泡沫破滅的難易程度。低黏度PAO的泡沫特性較好，因此選擇高黏度的PAO作為研究對(duì)象。

分別將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%，0.005%，0.01%的蒸餾水分散到PAO 40中，進(jìn)行油品生成泡沫特性和穩(wěn)定性測(cè)試，結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。從表2可以看出，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%和0.005%的蒸餾水后，前24℃時(shí)PAO 40生成泡沫的傾向從530mL分別驟降到5mL和10mL；93.5℃時(shí)從390mL分別驟降到15mL和15mL；后24℃時(shí)從450mL分別驟降到5mL和10mL；加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的蒸餾水后，對(duì)生成泡沫傾向有一定程度的改善，但效果一般。從表3可以看出，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%，0.005%，0.01%的蒸餾水后均能降低PAO 40的泡沫穩(wěn)定性，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%和0.005%的蒸餾水后對(duì)PAO 40的泡沫穩(wěn)定性改善效果最好。

表2 微量水對(duì)PAO 40生成泡沫傾向的影響 mL

表3 微量水對(duì)PAO 40泡沫穩(wěn)定性的影響 mL

抗泡作用機(jī)理比較復(fù)雜，具有代表性的三種觀點(diǎn)是降低部分表面張力、擴(kuò)張和滲透［2－4］。根據(jù)表2和表3數(shù)據(jù)推測(cè)，未加微量水之前的泡沫是由PAO 40液體將大量流動(dòng)性很高的氣體隔開的分散體系，它們有非常大的氣－液界面，為熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，在表面張力作用下具有較強(qiáng)的泡沫傾向性，形成大量的泡沫，泡沫穩(wěn)定性差的原因主要是液膜的排液、膜的破裂及氣體的擴(kuò)散［5］。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%和0.005%的微量水后，微量水破壞了PAO 40和氣泡之間的作用力，泡膜的表面張力局部降低而其余部分保持不變，膜較強(qiáng)張力牽引著較弱張力部分，從而使泡膜破裂。而加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的微量水后，可能是微量水與PAO 40相對(duì)均勻地包裹氣泡膜，反而使得泡沫受力較加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%和0.005%的微量水時(shí)有變平衡趨勢(shì)，表現(xiàn)為泡沫傾向變大。分散微量水后，起泡傾向均有一定程度的改善，因此通氣停止10min后，泡沫穩(wěn)定性都比較低。

2.3 微量水對(duì)PAO 40黏度和閃點(diǎn)的影響

加入微量水對(duì)PAO 40黏度和閃點(diǎn)的影響見(jiàn)表4。從表4可以看出，加入微量水后，100℃運(yùn)動(dòng)黏度及黏度指數(shù)有所降低，而對(duì)40℃運(yùn)動(dòng)黏度影響不大，對(duì)閃點(diǎn)（閉口）基本沒(méi)有影響。黏度是流體黏滯性的一種量度，是流體流動(dòng)力對(duì)其內(nèi)部摩擦現(xiàn)象的一種表示。黏度大表明內(nèi)摩擦力大，平均相對(duì)分子質(zhì)量大，碳?xì)浣Y(jié)合越多，這種力量也越大［6］。而分散微量水后，100℃時(shí)，部分PAO 40分子被水分子所取代，相當(dāng)于稀釋作用，內(nèi)摩擦力變小，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)黏度變小，這與微量水對(duì)PAO 40泡沫特性影響機(jī)理的推測(cè)一致；而40℃時(shí)，PAO 40分子之間的距離較100℃時(shí)小，作用力仍比較強(qiáng)，微量水對(duì)其影響不大，因此運(yùn)動(dòng)黏度變化不大。由于100℃的運(yùn)動(dòng)黏度變化比較大，所以黏度指數(shù)波動(dòng)較大。

表4 微量水對(duì)PAO 40黏度和閃點(diǎn)的影響

2.4 微量水對(duì)PAO 40熱重性質(zhì)的影響

熱重分析測(cè)量的是物質(zhì)的質(zhì)量與溫度的關(guān)系。微量水對(duì)PAO 40熱重性質(zhì)的影響見(jiàn)表5。從表5可以看出，微量水對(duì)PAO 40的熱重性質(zhì)基本沒(méi)有影響。這是因?yàn)槲⒘克赑AO 40中的含量非常小，可忽略不計(jì)。

表5 微量水對(duì)PAO 40熱重性質(zhì)的影響

2.5 微量水對(duì)PAO 40儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響

將加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%，0.005%，0.01%的蒸餾水的PAO 40樣品儲(chǔ)存6個(gè)月后，重新對(duì)這些樣品進(jìn)行泡沫特性分析，結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可以看出，儲(chǔ)存6個(gè)月后樣品的生成泡沫傾向和泡沫穩(wěn)定性與6個(gè)月前基本相當(dāng)，說(shuō)明微量水對(duì)PAO 40的儲(chǔ)存穩(wěn)定性影響很小，微量水可以比較均勻穩(wěn)定地分散在PAO 40中。

表6 微量水對(duì)儲(chǔ)存6個(gè)月的PAO 40生成泡沫傾向和泡沫穩(wěn)定性的影響 mL

3 結(jié) 論

（1）微量水可以長(zhǎng)時(shí)間均勻穩(wěn)定地分散在PAO 40中，降低PAO 40的100℃運(yùn)動(dòng)黏度和黏度指數(shù)，改善PAO 40的生成泡沫傾向，降低PAO 40的泡沫穩(wěn)定性。

（2）微量水對(duì)PAO 40的40℃運(yùn)動(dòng)黏度影響不大，對(duì)其閃點(diǎn)（閉口）和熱重性質(zhì)基本沒(méi)有影響。

［1］楊俊杰.油液檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：52

［2］黃文軒.潤(rùn)滑劑添加劑應(yīng)用指南［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2004：168

［3］王寧，朱元琪.潤(rùn)滑油泡沫性能研究［J］.石油煉制與化工，2000，31（3）：9－12

［4］管飛，李桂云，劉嵐，等.金屬清凈劑在內(nèi)燃機(jī)油中的抗泡性能研究［J］.潤(rùn)滑油，2008，23（3）：53－56

［5］顧惕人.表面化學(xué)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2004：168

［6］楊俊杰.油液檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：48