聚醚合成工業齒輪油的研制

2019-12-06 08:14:40張遂心蒲辰光

石油煉制與化工 2019年12期

于海，張遂心，周康，蒲辰光

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，蘭州 730060)

聚醚(PAG，又稱聚亞烷基二醇)是一種高性能合成基礎油，因其具有極其優異的黏溫性能、低溫性能、潤滑性能、耐高溫清凈性能而在工業潤滑油產品中得到廣泛應用。特別是聚醚合成工業齒輪油，因為可以提供極低的摩擦因數，防止設備的熱積累，有效降低設備的運行溫度，而且可以有效地降低設備的動力消耗，達到節能的目的。因而特別適合用于高滑動的齒輪，可使在最苛刻條件下運行的錐形齒輪、螺旋齒輪、斜齒輪、行星齒輪等幾乎所有的齒輪減速機和蝸輪蝸桿傳動裝置獲得前所未有的表現性能[1]。

目前我國聚醚合成工業齒輪油市場以國外產品為主，廠商主要包括美孚、殼牌、BP等，國內品牌僅有少量份額。鑒于聚醚合成工業齒輪油優異的使用性能和廣泛的應用領域，未來將具有很大的市場潛力，據《PAG應用及規劃》中數據顯示：目前我國聚醚合成工業齒輪油需求量約3 600 t，到2020年國內的需求可以達到4 500 t。因此，開發聚醚合成工業齒輪油為我國高端裝備潤滑技術的配套與升級，具有重要意義。

1 聚醚合成工業齒輪油的研制

1.1 基礎油的選擇

聚醚是以環氧乙烷(EO)、環氧丙烷(PO)、環氧丁烷(BO)或四氫吠喃(THF)等為原料，開環均聚或共聚成線型聚合物[2]。相比于傳統的石油基基礎油(如礦物油、合成烴、酯類油等)，聚醚具有許多優良性能，其中包括良好的潤滑性能，高的閃點和高的黏度指數，低揮發度和低傾點；高溫下使用，生成的氧化產物能夠完全溶解在聚醚液體中或者揮發掉，設備中不留下沉積物。

表1為聚醚與礦物油、合成烴、酯類油一些特性的對比[1]。

表1 聚醚與礦物油、合成烴、酯類油的特性對比

注：++代表很好；+代表好；--代表差；0代表一般，以下同。

從表1可以看出，聚醚相比于其他3種基礎油在黏溫特性、抗老化、抗磨損和減摩性能上較為出色，但由于其分子結構中含有大量的烷氧基官能團，在長的碳鏈末端還存在有極性較強的羥基。這些官能團的存在，使得聚醚基礎油與其他類型基礎油的相容性以及對添加劑的適應性均較差，為配方研究帶來較大難度[3]。

聚醚基礎油又分為3種類型：油溶性聚醚OSP、水溶性聚醚WSP和水不溶性聚醚WIP。不同類型的聚醚在黏溫性能、密度、減摩性能等方面有較大差異，如表2所示[4]。

表2 不同類型聚醚的特性對比

從表2可以看出，水溶性聚醚WSP相較于其他兩個類型聚醚，在潤滑性、黏溫性、減摩性能方面均是最優的。原因在于，隨著聚醚中環氧乙烷(EO)單元含量的增加，油品的黏溫性能和黏壓特性會提升[2，5]。一般來說，水溶性聚醚的EO單元質量分數通常大于50%，而水不溶聚醚的EO單元質量分數則不大于25%，油溶性聚醚選用的是更長鏈的環氧烷烴和長鏈的羧酸封端，在潤滑性、黏溫性、減摩性能方面的表現是3個聚醚類型中最差的。此外，鑒于目前國內外同類產品大多采用水溶性聚醚，故本研究采用市售的南京威爾公司生產的WSP基礎油A(40 ℃運動黏度為100 mm2/s)和WSP基礎油B(40 ℃運動黏度為1 000 mm2/s)作為基礎油組分。

1.2 抗磨劑的選擇

由于聚醚基礎油的分子結構中含有大量的烷氧基團，使得常用的抗磨添加劑在聚醚基礎油中與在石油基基礎油(如礦物油、合成烴以及酯類油)中的適應性存在較大的差異，部分添加劑不能直接用于聚醚的潤滑油配方中。因此，試驗首先對幾種抗磨劑以一定量[添加量(w小于1%)]添加到基礎油中時與WSP基礎油A和B的調合基礎油[m(A)∶m(B)為4∶1]的相溶性進行考察，結果見表3。

表3 幾種抗磨劑與聚醚的相溶性

注：○表示相溶性良好；×表示相溶性差，出現不溶或渾濁現象。

從表3可以看出，T306、磷酸酯鏈胺鹽和中性磷酸酯對聚醚的感受性良好，而T406和磷酸酯芳胺鹽對聚醚的感受性則不佳。

將相溶性良好的3種抗磨劑以一定量[添加量(w)小于1%]按不同組合加入到WSP基礎油A和B的調合基礎油[m(A)∶m(B)為4∶1]中，考察各油樣在四球機中各條件下的摩擦學性能，結果見表4。

表4 抗磨劑四球摩擦性能考察結果

從表4可以看出，采用T306與磷酸酯鏈胺鹽和與雜環/亞磷酸酯胺鹽的復配方案相較于其他抗磨劑組合對于油品的最大無卡咬負荷PB和燒結負荷PD提升最大。但從磨斑直徑來看，與雜環/亞磷酸酯胺鹽的復配方案測得的磨斑直徑較大，略差于其他抗磨劑組合，故本研究確定抗磨劑方案為T306與磷酸酯鏈胺鹽。

1.3 防銹劑的選擇

在石油基基礎油中，一般防銹劑僅需要很低的劑量就能有效地抑制銹蝕，而在極性基礎油中尤其是WSP聚醚基礎油中，同樣的防銹劑在更高的劑量下，往往都不能發揮作用[6]。因此，需要對防銹劑性能按照國家標準GB/T 11143A方法篩選考察，結果見表5。從表5可以看出，采用酰肌氨酸和磷酸酯胺鹽的復配方案相比較其他防銹組合，具有很好的防銹效果，故試驗優選酰肌氨酸和磷酸酯胺鹽的復配方案。

表5 幾種防銹劑的性能考察

1.4 抗氧劑的選擇

聚醚基礎油雖然在高溫下能抑制油泥的生成，但其本身的抗氧化性能較差，試驗對多種抗氧劑組合進行了考察，結果見表6。從表6可以看出，采用酚胺組合的抗氧體系可有效提高油品的抗氧化性能，故試驗優選T501和胺類抗氧劑的組合方案。

表6 抗氧劑性能考察

2 聚醚合成工業齒輪油綜合性能考察

通過對抗磨劑、防銹劑、抗氧劑等添加劑的篩選，并對配方中各添加劑之間的配比進行了平衡，形成了KGW聚醚合成工業齒輪油配方技術，并對調合油品的各項性能進行了考察，結果見表7。從表7可以看出，研制的KGW聚醚合成工業齒輪油各牌號產品具有良好的黏溫性能、低溫性能、防銹性能、抗氧化性能以及極壓抗磨性能。

表7 KGW150，KGW220，KGW320，KGW460聚醚合成工業齒輪油的典型性質

1)在1 200 r/min，392 N，60 min，75 ℃條件下測得。

對各牌號研制油與國外同類產品進行了各項物理化學性能的對比試驗，以黏度牌號為220號和320號為例的結果見表8。從表8可以看出，研制的KGW 220、KGW320聚醚合成工業齒輪油產品與國外同類產品相比，具有更優的黏溫性能、低溫性能、抗氧化性能以及極壓性能，達到國外同類產品質量水平。

除常規物理化學性能分析以外，摩擦因數也是聚醚合成工業齒輪油產品的重要指標之一。其中，低的摩擦因數可以帶來齒輪箱減速器傳動效率的提升、工作溫度的下降，并減少功率輸出和能源消耗[7]。故本研究利用MTM2微牽引力試驗機，通過測定油品牽引系數在恒定負荷、溫度和傳動比下隨時間的變化情況，分別對研制油KGW220，KGW320，KGW460與國外同類產品進行對比考察，結果見圖1～圖3。從圖1～圖3可以看出，與國外同類產品相比，研制油KGW220，KGW320，KGW460的MTM牽引系數更低，對應實際工況，可以更好地降低油溫，提高傳動效率。

1)在1 200 r/min，392 N，60 min，75 ℃條件下測得。