噴氣燃料熱氧化安定性影響因素及添加劑研究進展

徐偉池，張文成，郭金濤，溫廣明

中國石油石油化工研究院大慶化工研究中心， 黑龍江大慶 163714

噴氣燃料從出廠到使用，往往要經歷一段儲存時間，在這一過程中需要保持油品性質不變，對儲存安定性提出了較高要求。除了常溫下需要具有良好的安定性外，較高溫度下的熱氧化安定性對噴氣燃料更具有現實意義。熱氧化安定性是指燃料在較高溫度和氧存在條件下抵抗分解的能力[1]。

飛機飛行時，由于空氣摩擦、噴氣燃料與潤滑油熱交換、燃燒熱輻射等原因導致噴氣燃料溫度較高。對于超音速飛機，燃料的溫度更高，達到350 ℃以上，此時燃料分子會發生裂化，產生積炭結焦，生成沉積物。如果噴氣燃料的熱氧化安定性不合格，生成膠質堵塞過濾器和噴嘴，可引起飛行事故[2-3]。

1　噴氣燃料熱氧化安定性的測定方法

噴氣燃料熱氧化安定性的測定方法分為靜態法和動態法2種。

靜態法主要有前蘇聯的TOCT 11802分析方法。靜態法的操作要點是將一定量的噴氣燃料測試樣品加入燒杯中，在燒杯內放置一金屬片，然后將燒杯連同金屬片一起放入金屬彈內，將密閉后的金屬彈置于恒溫水浴中，在一定溫度下加熱一定時間，經過濾、恒重后，稱量沉淀物的質量。沉淀量可以用來衡量噴氣燃料的熱氧化安定性。

動態法有前蘇聯的TOCT 17751分析方法、美國的ASTM D3241(JFTOT法)和ASTM D1660分析方法。TOCT 17751分析方法是將待測噴氣燃料樣品以一定的流量在加熱器判定管內一次通過，然后通過3項指標來綜合評判噴氣燃料的熱氧化安定性，這3項指標分別是過濾器前后壓差增長速度的平均值、判定管內沉積物生成的起始溫度以及沉積物的數量。ASTM D3241和ASTM D1660分析方法所用設備有所不同，基本原理類似，都是模擬飛機發動機系統中的噴氣燃料因溫度升高導致熱氧化安定性降低，生成沉淀物堵塞過濾器，同時對燃油系統的金屬表層造成腐蝕、形成積垢。過濾器的堵塞程度用過濾器前后的壓力降表示，壓力降越大表明堵塞程度越嚴重，腐蝕和積垢程度用試驗后加熱管的顏色評級表示，級別越高表明熱氧化安定性越差。動態分析法均屬于定性分析方法。

靜態法和動態法在我國都有采用，我國采用的靜態法相當于TOCT 11802分析方法，動態法GB/T 9169—2010《噴氣燃料熱氧化安定性的測定》相當于JFTOT分析方法。GB/T 9169—2010分析方法的測試溫度為260 ℃，測試時長為2.5 h，壓力降不大于3.3 kPa，管壁評級小于3級，且無異常沉淀物或孔雀藍色視為熱氧化安定性合格。我國的3號噴氣燃料國家標準即采用該分析方法。由于動態法屬于定性方法，有時無法完全區分噴氣燃料的熱氧化安定性，因此可以采用靜態法作為補充方法。

2　噴氣燃料熱氧化安定性的影響因素

噴氣燃料的熱氧化安定性既受自身組成、又受諸多外部因素的影響，表現為很復雜的物理過程和化學過程[4]。影響噴氣燃料熱氧化安定性的自身因素主要有烴類組成和非烴類化合物，外部因素主要有溫度、時間、氧環境、金屬環境等。

2.1　烴類組成

不同結構的烴類受熱時產生沉淀的傾向不同。噴氣燃料中的烴類物質以烯基雙環芳烴和烯基單環芳烴生成沉淀的傾向最大，是生成膠質等沉淀物的主要貢獻者。其次是烯烴、雙環芳烴和單環芳烴。生成沉淀傾向最小的是烷烴和環烷烴，它們在高溫和較長時間下幾乎不生成沉淀物。

2.2　非烴化合物

噴氣燃料中含有的少量硫化物和氮化物也影響熱安定性。硫化物中的高級芳香族硫醇、脂肪族硫醇和多硫化物是影響熱安定性的主要物種，王翀等[5]以大慶石化3號噴氣燃料為樣品，研究了硫醇硫對熱氧化安定性的影響，發現當硫醇性硫含量大于8.0 μg/g時，會導致熱安定性不合格。具有芳香族結構的氮化物使得噴氣燃料的熱安定性下降。

2.3　溫度和時間

溫度對噴氣燃料熱氧化安定性的影響程度在所有外部因素中最明顯。華磊等[6]選取了4種典型的3號噴氣燃料樣品，分別置于43，60，95 ℃的無光條件下，結果發現在43 ℃和60 ℃時，樣品存放時間即使達到4個月，性質也沒有發生明顯變化。而在95 ℃下存放的樣品，1個月后的實際膠質質量濃度即達到0.28 g/L，3個月后的實際膠質質量濃度達到8.0 g/L。更有研究結果表明[1]，當溫度達到100～110 ℃時，氧化生成的沉淀物急劇增加，幾分鐘內就能檢測到沉淀物。

所有影響噴氣燃料熱氧化安定性的因素都要通過時間來體現，時間越長，氧化程度越深。

2.4　氧環境

噴氣燃料熱氧化的過程主要是發生了氧化聚合，其中的氧來自溶解氧和空氣環境中的氧。氧化聚合是自由基反應類型，高溫下溶解氧易形成自由基，產生的自由基可引發自動氧化反應并傳遞下去，這就是溶解氧參與氧化聚合反應的機理。

空氣環境中一定濃度的氧與噴氣燃料接觸時，也會引發氧化聚合反應，當氧的質量濃度低于90 g/m3時，這種氧化聚合反應幾乎無法進行。如果溶解氧含量低于1.0 μg/g，且不與外界氧氣接觸，此時噴氣燃料的自身熱分解機理成為影響熱安定性的主要作用，但是這種熱分解溫度與有氧存在時的氧化反應相比，所需的溫度要高得多。因此降低噴氣燃料中的溶解氧濃度可大幅提高噴氣燃料的熱氧化安定性。

2.5　金屬環境

噴氣燃料在生產、運輸和使用過程中往往會接觸銅鐵鋅等材料，溶解的微量金屬離子也會對熱安定性產生不利影響。付偉等[7]采用過渡金屬的環烷酸鹽作為含金屬離子的樣品，分別考察了銅鐵鋅3種過渡金屬離子對噴氣燃料熱安定性的影響。結果表明銅離子對熱安定性有顯著影響，不僅對噴氣燃料的氧化起了催化作用，還參與了反應，鐵離子和鋅離子對熱氧化安定性的影響程度小于銅離子。為確保熱氧化安定性合格，三者在噴氣燃料中允許的最大含量分別為銅220 ng/g、鐵0.60 μg/g、鋅8.68 μg/g。保證熱安定性的關鍵是控制好銅離子含量，此研究成果對噴氣燃料的生產和運輸過程具有重要的指導意義。

3　噴氣燃料熱氧化安定性添加劑

為了提高噴氣燃料的熱氧化安定性，一方面需要從噴氣燃料自身角度考慮，通過深度精制減少其中的不安定組分，另一方面需要向噴氣燃料中加入熱安定性添加劑。

常用的熱安定性添加劑往往不是一種物質，而是多種物質的混合物。從各種物質發揮的功能角度區分，可分為抗氧劑、金屬鈍化劑和清凈劑/分散劑，同時輔以一定量的溶劑。

3.1　抗氧劑

在不超過300 ℃條件下，一般認為噴氣燃料的氧化是按照自由基鏈反應機理進行的。加入抗氧劑的作用是延長氧化誘導期，阻斷或延緩自由基鏈反應的發生。噴氣燃料中通常使用的抗氧劑有酚型和胺型2種。2，6-二叔丁基對甲酚是一種常用的酚型抗氧劑，它可以與過氧化物自由基作用生成性質穩定的產物，其反應式如圖1所示[8]。

圖1　2,6-二叔丁基對甲酚與過氧化物自由基反應路徑

3.2　金屬鈍化劑

金屬鈍化劑是熱氧化安定性添加劑的重要組成部分，它的作用是使與噴氣燃料接觸的金屬或溶解于噴氣燃料中的金屬離子失去催化活性，從而達到提升抗氧劑的使用效率的目的。以常用的N，N’-二水楊基-1，2-丙二胺金屬鈍化劑為例，它的作用機理是可以與金屬生成對噴氣燃料的氧化失去催化劑作用的螯合物。以金屬銅為例，生成的螯合物的結構式如圖2所示[8]。

圖2　N，N’-二水楊基-1，2-丙二胺與銅形成的螯合物

3.3　清凈劑/分散劑

清凈劑/分散劑的分子結構中通常帶有極性

基團，這種極性使得清凈劑/分散劑與固體表面產生強吸附作用，從而在固體表面形成一層穩固的吸附膜。吸附膜可以有效分隔固體顆粒，避免固體顆粒不斷團聚形成沉積物，從而達到提高噴氣燃料的熱氧化安定性的效果。

作為常用分散劑的單丁二酰亞胺，其分子結構由多烯多胺、丁二酰和聚異丁烯3部分組成，其中多烯多胺為極性基團，聚異丁烯為親油基團。由于多烯多胺不穩定，遇熱易分解，導致單丁二酰亞胺在高溫下易分解，熱穩定性差。雙丁二酰亞胺克服了單丁二酰亞胺不穩定的缺點，成為當前應用較多的一種分散劑。單丁二酰亞胺和雙丁二酰亞胺的結構式分別如圖3和圖4所示。

圖3　單丁二酰亞胺的結構式

圖4　雙丁二酰亞胺的結構式

3.4　常用的熱氧化安定性添加劑

熱氧化安定性添加劑大多用于軍事用途，因此相關文獻報道較少。

JFA-5熱氧化安定性添加劑是杜邦公司生產的JPTS燃料專用添加劑，它的主要成分為有機胺、聚合物和氨基化合物，具有很好的分散性，是一種無灰分添加劑，可以有效阻止降解產物聚集成大顆粒，堵塞過濾器和沉積在零部件表面。缺點是使噴氣燃料的水分離指數明顯降低。

JP8+100熱氧化安定性添加劑是美軍以及北約當前廣泛使用的一種添加劑，與常規的熱氧化安定性添加劑的構成相同，也是由抗氧劑、金屬鈍化劑、分散劑/清凈劑輔以適量溶劑組成。

4　結語

隨著全球范圍內戰機的不斷更新換代，性能越來越先進，飛行速度越來越快，對噴氣燃料的使用溫度提出了更高的要求，這就要求噴氣燃料的熱氧化安定性必須不斷提高以滿足使用要求。為了滿足日益苛刻的熱氧化安定性要求，必須研發性能更好，同時與抗靜電劑、抗磨劑等其他添加劑相互干擾程度更小的熱氧化安定性添加劑。

[1]劉多強，關紹春，孫建章，等. 噴氣燃料熱氧化安定性的研究[J]. 石油化工應用，2011，30(3)：1-4.

[2]HENEGHAN S P, ZABARNICK S. Oxidation of jet fuels and the formation of deposits[J].Fuel，1994，73(1)：35-43.

[3]TIM E. Liquid fuels and propellants for aerospace propulsion:1903-2003[J].JournalofPropulsionandPower，2003，19(6)：1089-1107.

[4]黎文濟. 噴氣燃料應用[M]. 北京：石油工業出版社，1996：22-30.

[5]王翀，王新華，劉金寶，等. 大慶3號噴氣燃料熱氧化安定性分析[J]. 煉油與化工，2012，23(5)：44-45.

[6]華磊，許世海，凌川. 噴氣燃料氧化規律的探索[J]. 后勤工程學院學報，2009，25(5)：54-57.

[7]付偉，韓青飛，陶志平，等. 噴氣燃料中金屬離子對熱安定性的影響[J]. 石油煉制與化工，2015，46(1)：10-14.

[8]佟麗萍，朱煥勤，費逸偉，等. DSI無灰型清凈分散劑提高噴氣燃料高溫熱安定性的研究[J]. 石油煉制與化工，2008，39(4)：62-65.