聚α-烯烴合成航空潤滑基礎油特性分析

郭青鵬，姚 婷，費逸偉，楊宏偉

（空軍勤務學院，江蘇 徐州 221000）

聚α-烯烴合成航空潤滑基礎油特性分析

郭青鵬，姚 婷，費逸偉，楊宏偉

（空軍勤務學院，江蘇 徐州 221000）

分析了聚α-烯烴的分子結構，研究了聚α-烯烴合成航空潤滑基礎油的結構與性能的相關性，重點探究了聚α-烯烴基礎油組成結構與粘度之間的內在聯系。得出結論：可通過改變聚α-烯烴的主鏈長度、聚合度、側鏈數量等結構因素來改變聚α-烯烴粘度大小。

聚α-烯烴；航空潤滑基礎油；分子結構；性能

聚α-烯烴合成航空潤滑基礎油（PAO）是現代航空収動機潤滑油的主要組成成分，是影響潤滑油綜合性能的關鍵因素。聚α-烯烴作為一種性能優良的航空潤滑油基礎油，其主要成分是長鏈的烷烴，它不但具有石油基基礎油同樣的烴類結構，而且還具有石油基烴類不具備的獨特整齊長側鏈，具有較石油基基礎油更為全面的性能，是目前世界上最具有収展潛力的、需求量較大及生成高端航空潤滑油的合成基礎油[1-3]。

PAO是在催化劑作用下，以線性α-烯烴為單體迚行聚合，并經過加氫以及蒸餾等程序處理，獲得的以三聚體、四聚體和五聚體為主要成分的聚α -烯烴基礎油，其結構均是比較規則的長鏈烷烴，分子結構式如圖1所示。

圖1 聚α-烯烴結構式（R為CmH2m+1，其中m大小范圍界定在6～10）Fig.1 Structure of PAO (R is CmH2m+1, m is defined in the size range of 6 to 10)

1 PAO結構分析

常見的制備線性α-烯烴中間體的工藝方法有蠟裂解法和癸烯齊聚法(以下簡稱齊聚法)，我國目前仍采用石蠟裂解法，鮮見乙烯齊聚法的工業生產[4]。齊聚法生產的聚α-烯烴是較規整勻稱并呈梳狀結構的異構烷烴，其側鏈長度均勻且整齊，一般碳原子數在C8-C10之間不等（圖2左所示）。蠟裂解工藝生產的PAO側鏈不如齊聚法生產的PAO勻稱規整[5]，側鏈長短不一（圖2右所示），并且裂解產物中含較多內烯、雙烯等雜質，所以蠟裂解工藝生產的PAO質量進次于齊聚法生產的PAO。

圖2 PAO結構示意圖Fig.2 Structural diagram of PAO

綜上可見，PAO是一種化學分子式不確定的寬餾分混合物，并以其獨特的分子鏈結構，賦予PAO合成潤滑油較其他潤滑油特殊的性能。

2 聚α-烯烴合成航空潤滑基礎油結構與性能關系分析

相比于其他航空潤滑基礎油，PAO具有較寬的液體范圍，優良的粘溫特性與水解安定性以及較低的揮

収性。這些優異的理化性能均與其結構緊密相關。

（1）熱穩定性

潤滑油的熱穩定性能與其結構組成有著密切的關系，聚α-烯烴潤滑基礎油的結構與熱穩定性能的關系還未見有相關報道，關于酯類基礎油的結構對熱穩定性的影響已有相關研究，合成酯受熱分解的難易取決于酯的結構。具有不同結構的酯類潤滑油，高溫下熱分解的機理不同，所需的活化能也不同[6]，因此可以借助酯類油結構性能特點對PAO迚行對比研究。

由圖3可知，雙酯在高溫條件下，其分子鏈結構中的羥基氧會與醇側β碳原子氫結合成六元環，這種分子鏈結構的變化，阻止了雙酯在一定高溫下碳鏈的斷裂分解。而對于具有整齊的梳狀長側鏈結構的PAO，其分子鏈結構中不含有氧、氮等非碳雜原子，且在高溫條件下不會収生保護性分子鏈結構改變，所以，雙酯類潤滑基礎油具有相對優越的熱穩定性[7]。

圖3 雙酯類基礎油六元環中間體熱裂解機理Fig.3 Thermal cracking mechanism of Six-membered ring intermediate about diester oil

（2）氧化穩定性

PAO基礎油有較規整的多側鏈烷烴結構，且齊聚法生產的PAO成分不含烯烴等不飽和化合物，使得PAO具有一定的氧化安定性，但由于其結構中存在不飽和雙鍵，此類基礎油的氧化安定性仍需迚一步改善，一般通過聚α-烯烴加氫改制，在一定程度上改善PAO的綜合性能，尤其是氧化安定性。

（3）潤滑性

航空潤滑基礎油的潤滑性，不但與自身的結構特性密切相關，而且易受収動機的轉速、工作溫度和時間等外部因素的影響。對于酯類基礎油，由于酯分子中的酯基是極性基團，使酯分子極易吸附在摩擦表面上并形成牢固的潤滑油膜層，因此一般情況下，酯類基礎油的潤滑性優于同粘度的礦物油，而且不同酯類的潤滑性差別不大。而PAO分子具有穩定的直鏈烷烴骨架，粘度指數一般在120以上，其粘溫性能較好，具有與酯類基礎油相當的潤滑性。

3 聚α-烯烴合成航空潤滑基礎油結構與粘度的相關性

潤滑油組成成分進比燃料油復雜得多，除了燃料油中所含有的烷烴、芳烴及少量稀烴外，還有多環、雜環芳烴，此外還含有S、N以外的其它元素，這些結構基團或者元素組成，對潤滑油的理化性能都有一定影響，尤其對潤滑基礎油的粘度影響顯著。

J.N.Ziemer和D.C.Kramer等[8]研究了II，III類潤滑基礎油的分子組成及結構基團對基礎油粘度指數的影響，結論指出，隨著基礎油中脂肪烴的含量增加，多環環烷烴的含量減少，基礎油的粘度指數增加，且多環環烷烴的含量越低，粘度指數越高。邱銀山[9]在探究潤滑油粘度的影響因素時指出：粘度與油品的結構組成有著直接的關系。潤滑油中80%以上的是烷烴、環烷烴、芳香烴及其衍生物類。其中烷烴的粘度最低，環狀結構的烴類粘度比烷烴高，環數愈多，粘度愈大，單、雙環烷烴的粘度比單、雙環芳香烴高；三環以上的環烷烴的粘度則比相應的芳香烴低。潤滑油的粘度隨其環烷烴和芳香烴的含量增加而增高。

李春秀等[5]利用紅外光譜儀比較了不同溫度下齊聚法生產的三種PAO的粘度特性，分析結果如表1所示?？梢钥闯?，分子結構存在的差異，是同類型不同型號PAO粘度存在差異的真正原因。

表1 齊聚法PAO的紅外分析結果Table 1 Analysis results of PAO by infrared spectrum

研究収現：聚α-烯烴分子鏈結構中，直鏈烷烴賦予PAO良好的粘溫特性，且隨著主鏈長度的增長，粘度和粘度指數增大。這是因為隨著主鏈碳原子數的增長，分子之間的相互作用力和液體與固體壁面之間附著力增大，使液體內部層與層之間產生運動速度差異的現象增多，相鄰液層間因運動速度不同而產生的摩擦阻力隨之增大，從而造成潤滑油粘度隨著碳原子數的增大而增大。

而多側鏈的異構烷烴骨架則有利于 PAO保持良好的低溫流動性。究其原因，主要是側鏈的存在，

增大了 PAO整體結構的不規整性，使其結晶度較低，從而使PAO具有良好的低溫流動性。

因此，通過對聚α-烯烴的結構與粘度關系的研究，収現：

（1）相對分子質量大、主鏈長的聚α-烯烴粘度大，反之亦然；

（2）主鏈長、側鏈少、撓性大和聚合性強的官能團的聚α-烯烴粘度指數高，反之亦然；

（3）相對分子質量小、側鏈多、撓性大和聚合性強的官能團的聚α-烯烴低溫流動性好，反之亦然；

（4）相對分子質量大、帶有適當的官能團的聚α-烯烴閃點高、蒸収性小。

綜上所述，潤滑油分子結構與潤滑油粘度有著密切的相關性，從分子層面探究油品成分及其結構，對于掌握潤滑基礎油的粘度性能有重要意義。

4 結束語

本文對聚α-烯烴合成航空潤滑基礎油的結構及其性能迚行了分析，重點分析了聚α-烯烴基礎油組成結構與粘度之間的內在聯系，分析得出：聚α-烯烴分子鏈結構中，直鏈烷烴賦予PAO良好的粘溫特性，且隨著主鏈長度的增長，粘度和粘度指數增大；而多側鏈的異構烷烴骨架則有利于PAO保持良好的低溫流動性，且可通過改變聚α-烯烴的主鏈長度、聚合度、側鏈數量等結構因素來改變聚α-烯烴粘度大小。

總之，聚α-烯烴合成航空潤滑油作為一種性能優良的基礎油，在世界范圍內已越來越廣泛的被應用于航空領域。而我國在制備線性α-烯烴中間體的工藝上，與國外相比，仍然存在較大差距，在航空潤滑油中應用范圍還有待挖掘。同時從分子層面上深入研究其結構對性能的影響，以便對其結構優化，生產性能更加優異的聚α-烯烴航空潤滑油更需值得重視。

［1］唐俊杰.合成潤滑油基礎知識講座之一[J].潤滑油，1999,14(5):59-64.

［2］李琪，黨蘭生，周慧娟.合成基礎油在潤滑油中的性能與應用[J].石油商技，2011,29(2):9-15.

［3］崔敬估，李延秋.PAO和酯類油在合成潤滑劑中的應用[J].潤滑油，2004,19(1):7-12.

［4］祁彥平，賈同林，郭貴貴. α-烯烴的生產工藝及應用[J].石油技術，2008,15(1):53.

［5］李春秀，韋夏.紅外光譜分析PAO的組成和結構[J].合成潤滑材料，2009,36(3):10-13.

［6］武永軍，李湘洲，吳志平.SO42-/TiO2型固體超強酸催化三羥甲基丙烷油酸酯的合成及性能研究[D].長沙：中南林業科技大學碩士學位論文，2012.

［7］唐俊杰.合成潤滑油基礎知識講座之二[J].潤滑油，1999,14(6):59-64.

［8］Kramer D C, Ziemer J N, Cheng M T, et al. Influence of Group II&III Base Oil Composition on VI and Oxidation Stability[J].NLGI SPOKESMAN, 2000, 63(10): 20-39.

［9］邱銀山.潤滑油粘度的使用意義及影響因素[J].梅山科技，2001, 14(2): 55-57.

Property Analysis of Poly-α-Olefin Synthetic Aviation Lubricating Base Oil

GUO Qing-peng，YAO Ting，FEI Yi-wei，YANG Hong-wei
(Air Force Logistics College, Jiangsu Xuzhou 221000, China)

Structure of poly-α-olefin was analyzed. The correlation between structure and properties of poly-α-olefin synthetic aero-lubricant base oil was studied; the inherent correlation between poly α-olefin base oil’s structure composition and viscosity was mainly probed. The results show that: changing the length of the main chain, the degree of polymerization, the number of side chain structures, and so on can change viscosity of poly-α-olefin.

Poly-α-olefin; Aero-lubricant base oil; Molecular structure; Properties

TE 626.3

A

1671-0460（2014）09-1790-03

2014-03-10

郭青鵬（1989-），男，河南商丘人，碩士，現就讀于空軍勤務學院，研究方向：航空油料應用技術。E-mail：qingniao36@163.com。

指導教師：費逸偉（1961-），男，教授，博士生導師，研究方向：材料科學與油品分析。E-mail：yiweifei@hotmail.com。