潤滑油結焦行為的實驗室評價

楊 睿，杜 斌，張志凌，謝續明，安武昭典，嬉野絢子

（1.清華大學 化工系，北京100084；2.Nagasaki R ＆D Center，Mitsubishi Heavy Industries，LTD.，長崎，日本）

鍋爐或發動機工作狀態下的溫度可達160℃，某些部位如軸承、噴嘴等有時可達280℃［1］。在這樣的高溫條件下工作的潤滑油品極易發生熱氧化，并在發動機內壁等部位生成結焦沉積。結焦會降低設備的熱交換效率，使得管壁變窄，堵塞噴嘴，嚴重阻礙流體輸送，還會腐蝕內壁，最終導致設備的損壞。因此研究和評價油品的結焦行為對于其安全使用十分必要。

工業上通常用發動機臺架試驗來測試油品高溫結焦行為，從而評價其使用安全性。但是這種試驗費用不菲，且十分費時。油品（如潤滑油）氧化安定性評價的標準方法［2-6］主要是通過測定氧化誘導期、氧化后油的黏度、酸值、壓力降或沉積物的比例，最后給出氧化安定性達標與否的結論。與此同時，一些實驗室的模擬評價方法也逐漸建立發展，例如微 氧 化 法 （PSMO）［7-8］、 高 壓 DSC 法 （PDSC）［9］、Kauffman方法［10］等。PSMO法是將約40μL油樣在1個金屬杯中鋪展成一薄層油膜，在20mL／min的空氣流速下加熱到特定溫度（225～325℃），保持一定時間后冷卻稱量出殘余油質量；用四氫呋喃（THF）洗滌殘油并測定其凝膠滲透色譜（GPC），以高相對分子質量部分（氧化產物）與低相對分子質量部分（油品）之比表征油品的氧化安定性。PDSC法是將不超過1mg油樣注入1個特殊設計的樣品盤中，通入一定流速和壓力的氧氣，在程序升溫過程中得到有2個放熱峰的DSC曲線。主氧化峰A代表發生了氧化的油量，次氧化峰B代表生成的沉積物的量，用峰B與峰A的面積之比來表征油品的高溫穩定性，比值越小，穩定性越好。Kauffman方法［10］是將50～500μL油樣加入一開口的小玻璃瓶中，加熱到275～325℃，每20～30min取樣分析抗氧劑含量、殘余油量及其中結焦和結焦前驅物的量。此外，還可以通過氣相色譜（GC）和紅外光譜（IR）方法，以羥值［11］、油品氧化生成的各種官能團以及抗氧劑的消耗［12-13］來反映油品的氧化情況。這些方法通常只是在確定條件下判斷油品的穩定性是否達標，對于油品在不同條件下的氧化、尤其是結焦行為缺乏足夠的認識，從而也無法指導油品的安全使用。

筆者參考以上方法，搭建了1套油品高溫結焦性能的實驗室評價裝置，研究了2種潤滑油的高溫結焦行為，以及溫度、時間等因素對結焦的影響，并據此確定其安全使用范圍。該方法同樣可以用于其他油品的實驗室評價。

1 實驗部分

1.1 試樣

汽油機油（SE 15W-40）和柴油機油（CD 15W-40），均由中國石油化工股份有限公司潤滑油分公司提供。

1.2 實驗裝置和步驟

實驗裝置如圖1所示。約50mg油樣滴入1個預先稱量的不銹鋼皿中，形成一層薄的油膜。將不銹鋼皿放入1個帶有進出氣路的玻璃容器底部，然后置于控溫烘箱中，在不同溫度（200～280℃）和空氣流量（0～50mL／min）下進行不同時間（4～24h）的氧化結焦實驗。每組實驗重復4次取平均結果。

1.3 結焦產物分離分析

結焦產物的分離分析過程如圖2所示。將實驗后的不銹鋼皿冷卻到室溫，稱量得到沉積物的總質量。先用正己烷溶解分離出沉積物中的非極性部分，再用氯仿溶解分離其中的極性部分，這兩部分可溶物為結焦的前驅物，最后的不溶物為結焦。分別稱重可溶部分和結焦，并進行FT-IR、GC／MS等分析。

圖1 油品氧化結焦實驗室評價裝置Fig.1 Experimental evaluation apparatus for coking of oils

圖2 油品氧化結焦產物分離分析流程圖Fig.2 Schematic of separation and analysis of deposit after aging of oil

2 結果與討論

2.1 汽油機油的結焦性能

汽油機油產生的沉積物總量、不溶于正己烷的沉積物量和最終的結焦量隨溫度的變化如圖3所示。從圖3可見，沉積物的總量隨著溫度的升高呈下降趨勢，在240℃后基本趨于穩定。200℃以下，所有的沉積物都能溶于正己烷，氧化程度較低，主要為油品中的重組分，輕組分基本揮發掉（汽油機油各組分的碳數分布為17～38）；溫度升高，油品發生顯著的氧化交聯和環化反應，相對分子質量增大，不溶于正己烷的部分和結焦量迅速增加；240℃以后，所有的沉積物都成為結焦。

圖3 汽油機油沉積物及各組分相對含量隨溫度的變化Fig.3 Relative amounts of deposit and components of gas engine oil vs temperature

對不同溫度下所得結焦進行紅外光譜分析，結果如圖4所示。顯然，在加熱過程中，汽油機油發生了明顯的氧化反應。羰基和羥基的生成表明酮、酯、羧酸等的產生。不飽和基團和芳香環的生成表明有環化和交聯反應發生。將紅外光譜各特征峰的強度對溫度作圖，得到圖5。可以看到，烷烴的相對含量隨溫度升高而下降，而芳烴和烯烴的相對含量則隨溫度升高而上升。表明隨著溫度升高，汽油機油中的飽和烷烴組分逐漸通過氧化交聯和環化反應，使得相對分子質量增大，最終以氧化產物和多環芳烴的形式成為結焦。

圖4 不同溫度下汽油機油結焦的紅外光譜Fig.4 FT-IR spectra of cokes of gas engine oil at different temperatures

圖5 汽油機油結焦中各組分相對含量隨溫度的變化Fig.5 Relative amounts of components in coke of gas engine oil vs temperatures

2.2 柴油機油的結焦性能

柴油機油產生的沉積物總量、不溶于正己烷的沉積物量和最終的結焦量隨溫度的變化如圖6所示。從圖6可見，沉積物總量隨溫度升高明顯減少，240℃后下降趨緩，在200℃以下沒有結焦生成。200～240℃之間，隨著溫度升高，不溶于正己烷的部分和結焦量都明顯增多，表明氧化和交聯產物的迅速增多；240℃以后，所有的沉積物都是結焦，前驅體不復存在；在更高溫度下，可能有燃燒現象發生，使得結焦量繼續下降。同樣條件下，柴油機油的沉積物明顯多于汽油機油，這是因為柴油機油雖然和汽油機油的碳數范圍基本一致，但重組分含量相對較多。

圖6 柴油機油沉積物及各組分相對含量隨溫度的變化Fig.6 Relative amounts of deposit and components of diesel engine oil vs temperature

對不同溫度下柴油機油的結焦進行紅外光譜分析，結果示于圖7。與汽油機油類似，柴油機油在加熱過程中，也發生了明顯的氧化反應，并伴隨著酮、羧酸、芳烴和不飽和基團的生成。結焦中各種組分的相對含量隨溫度的變化示于圖8。從圖8可見，在柴油機油中，烷烴的減少、芳烴和氧化產物的增大趨勢都非常明顯，且均在240℃后加速，烯烴的變化不很明顯。

綜合分析汽油機油和柴油機油的高溫結焦行為可以發現，在較低溫度下（200℃以下），主要表現為輕組分的揮發，此時氧化反應不明顯，沉積物基本上都溶于正己烷。溫度稍高時（220～240℃），氧化反應增多，表現為生成了一定量不溶于正己烷，但可溶于氯仿的極性沉積物。同時伴隨增大相對分子質量的聚合、交聯和環化反應。此時的可溶性沉積物中一部分是潤滑油中的組分，另一部分是聚合物。交聯和環化反應產物則為結焦。在較高溫度下（240℃以上），劇烈的氧化反應導致分子間強烈的交聯及環化，產生多環芳烴和交聯大分子，基本上沒有可溶物殘留，全部都生成了結焦。

圖7 不同溫度下柴油機油結焦的紅外光譜Fig.7 FT-IR spectra of cokes of diesel engine oil at different temperatures

圖8 柴油機油結焦中各組分相對含量隨溫度的變化Fig.8 Relative amounts of components in coke of diesel engine oil vs temperatures

2.3 潤滑油結焦行為的溫度-時間效應

從上述討論可以看到，溫度對潤滑油結焦行為的影響非常顯著。此外，時間的影響也很重要。220℃下，2種潤滑油中沉積物總量、不溶于正己烷的沉積物量和結焦量隨時間的變化如圖9所示。顯然，在短時間內，氧化反應程度較低，結焦量也較小；隨著時間的延長，氧化程度不斷加深，出現了極性可溶的沉積物組分，同時結焦量也增大，直至最后所有的沉積物都成為結焦。在240℃和更高溫度下，沒有可溶性沉積物產生，只有結焦生成；隨著時間的延長，結焦量變化不大或緩慢減少。在所研究的空氣流量范圍內（0～50mL／min），空氣流量的影響不顯著。

因此，溫度和時間是影響結焦的關鍵因素，高溫、長時間會導致結焦量的明顯增加，且2個因素相互影響。圖10給出了其結焦量-溫度-時間的三維圖。不同的顏色代表結焦量的大小，紅色表示結焦量大，而藍色表示結焦量小。在實際操作中，可以根據能夠接受的結焦量劃定安全區域，只要在安全區域中進行操作，油品的氧化穩定性就可以保證。

圖9 汽油機油和柴油機油沉積物及各組分相對含量隨時間的變化Fig.9 Relative amounts of deposit and components of gas engine oil and diesel engine oil vs time

圖10 汽油機油和柴油機油的結焦量-溫度-時間三維圖Fig.10 3Ddiagram of coke amount-temperature-time of gas engine oil and diesel engine oil

3 結 論

（1）搭建了1套油品高溫氧化結焦的實驗裝置，用于2種潤滑油結焦行為的評價。

（2）潤滑油的結焦過程經歷了輕組分揮發、氧化及相對分子質量增大、交聯環化成焦3個階段。隨著溫度的升高和時間的延長，氧化程度加深，生成結焦的傾向增大。

（3）給出了2種潤滑油結焦量-溫度-時間的三維圖，從圖中可以得到不同溫度、時間條件下的結焦量，以此確定實際使用的安全操作區域。此方法也可用于其他油品的氧化安定性評價，或用于指導油品的安全使用。

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