潤滑油基礎油光安定性影響因素及作用機理研究進展

賈未鳴　高旭鋒　王少軍　張會成

摘????? 要：光安定性指被測樣品在貯存加工過程中在光氧化下逐漸變質的性質，能夠反映光的穩定性，用于衡量潤滑油基礎油加氫精制深度。綜述了潤滑油基礎油光安定性的影響因素與其作用機理，通過對影響光安定性因素（含硫化合物、含氮化合物、重芳烴以及部分飽和多環芳烴）的分析和基礎油光氧化機理的討論，建議優化分離技術，深入表征結構，合理優化生產工藝，為生產高品質潤滑油基礎油提供指導依據。

關? 鍵? 詞：潤滑油基礎油;光安定性;影響因素;作用機理

中圖分類號：TQ42??? ???文獻標識碼： A?? ????文章編號： 1671-0460（2020）07-1433-04

Research Progress of Mechanism and Influence

Factors of Light Stability of Lube Base Oil

JIA Wei-ming， GAO Xu-feng， WANG Shao-jun， ZHANG Hui-cheng

（Dalian research institute of petroleum and petrochemical， Dalian Liaoning 116041， China）

Abstract： Light stability is defined as the character of gradual deterioration of sample due to photo-oxidization during storage and processing. It can reflect the stability of photo-oxidation and is also used to measure the depth of hydrofining of base oil. In this paper， influence factors and chemical mechanism of light stability of lube base oil were summarized. Through the analysis of the factors （including nitrogen and sulfur compounds， heavy aromatics and some polycyclic aromatic hydrocarbons saturation） affecting the light stability and the discussion of the photooxidation mechanism of base oil， it was suggested that the separation technology should be optimized， the structure should be further characterized， the production process should be reasonably optimized. The paper can provide a guide for the production of high-quality lube base oil.

Key words： Lube base oil; Light stability; Influence factors; Chemical mechanism

當下人們環保意識逐漸提升，對潤滑油產品質量要求也隨之提高。光安定性是表征潤滑油產品性能的重要指標，近年來受重視程度與日俱增^[1-3]。油品在有氧條件下，受紫外光輻照會發生變色、渾濁以及沉淀，這一系列現象通常被認為與油品的氧化相關^[4]。氧化過程發生后，潤滑油黏度增大、酸值升高、顏色變深，產生的沉淀物會降低表明張力，從而將顯著降低機械設備的工作效率，嚴重的還會腐蝕設備，甚至引起機械故障。也就是說，光安定性差的油品使用周期較短，而且在使用中可能引發一系列問題，影響工作效率。目前普遍認為，加氫處理基礎油顯著缺點之一就是光安定性較差，而對于其成因，國內外研究者們開展了大量的研究^[5-10]。研究結果認為，與影響基礎油光安定性相關的因素主要包括含氮化合物、含硫化合物、重芳烴以及部分飽和多環芳烴。但由于潤滑油基礎油化學組成復雜，各影響因素對油品光安定性的影響程度不盡相同，各因素的作用機理也存在爭議。因此，明確潤滑油基礎油中各影響因素在有氧光照條件下的作用機理能夠對組建理想組分提供理論依據，對改善潤滑油性質指明方向，對優化生產工藝提供基礎支持。

1? 潤滑油基礎油光安定性影響因素及作用機理

1.1 ?含氮化合物

普遍認為，堿性氮氧化合物對油品的光安定性存在重要影響，其主要存在形式包括芳香性喹啉、異喹啉及同系物，吡啶同系物，咔唑及噻吩同系物等。張宏玉等^[11]對總氮含量不同的潤滑油基礎油使用性能進行了評價，結果表明，堿性氮氧化物對油品紫外光安定性存在較大影響。文章選用脫氮劑進行脫氮，簡單分離了堿性氮和非堿性氮，未明確氮含量的計算方法，對兩種氮類型的定量有待商榷。黃蕾等^[12]考察了不同精制方法下環烷基白油光安定性的變化，發現堿性氮含量幾乎為零的絡合精制的白油光安定性較好，對比證明了白油中的堿性氮是影響光安定性的主要因素。上述作者均就堿性氮對油品光安定性的影響進行了深入研究，探討了油品總氮量與光安定性的關系，但未系統比較堿性氮和非堿性氮對油品光安定性影響程度的差異。

羅繼剛等^[13]考察了氮含量對凡士林中光安定性色度影響，認為影響光安定性的氮化物可按作用機理分成兩類。其中，少量的堿性氮化物對光穩定性存在積極作用，可作為天然穩定的抗光劑;而含量較高的非堿性氮化物則會使基礎油光安定性劣化。周亞松等^[14]深入研究了堿性氮和非堿性氮化合物對基礎油氧化安定性的影響。研究發現，非堿性氮是影響基礎油氧化性能的關鍵因素，相比之下，少量堿性氮反而對抑制油品氧化有利。隨氮含量升高，非堿性氮對基礎油氧化性的影響明顯更高。鄧文安等^[15]分別選用喹啉、吲哚作為堿性和非堿性氮化物模型對潤滑油光安定性進行研究，結果同樣表明，相比于堿性氮化物，非堿性氮化物對光安定性的影響明顯更大。

鄧文安等^[15]在研究中分別選取喹啉、吲哚作為堿性氮化物和非堿性氮化物，從分子結構層面對二者的氧化機理進行分析。圖1為吲哚氧化機理圖，如圖所示，吲哚中N原子的未共用電子對參與了環的共軛（A），其結果是吲哚中N原子的共軛效應大于吸電子的誘導效應，降低了N雜環電子云密度，增加了C原子電子云密度，從而使雜環活化（B）。在光氧化過程中，吲哚中含N雜環上的C—N、C—C鍵更容易吸收能量，發生斷裂并生成自由基，由于含氮環的活性較高，可根據（C-E）的反應機理快速氧化生成羰基，使透光率急劇下降。

堿性氧化物喹啉氧化機理圖如圖2所示，孤對氮原子使N雜環電子云密度較大，C原子的電子云密度降低，從而使N原子所在雜環活性降低，在光氧化的過程中氧化反應較為緩慢，僅能生成少量過氧化物（A）（B）。但當過氧化物積累到一定程度后就會更容易與氧化產物發生反應（3）（4）從而加快了氧化速度導致油品的透光度降低。但（3）（4）反應的轉化率較小，大部分氧化反應在（1）（2）中進行。

綜上所述，堿性氮和非堿性氮化物對潤滑油光安定性都存在一定影響，但堿性氮的含量在100～300 μg·g^-1的范圍內都不會嚴重影響油品的光安定性，非堿性氮化物對基礎油光安定性的影響則遠大于堿性氮。基礎油中堿性氮含量基本小于100 μg·g^-1，因此精確把控潤滑油基礎油中非堿性氮的含量對提高光安定性有積極作用。

1.2 ?含硫化合物

噻吩類、硫醚類化合物是潤滑油基礎油中常見的含硫化合物^[16]。經過加氫精制后，基礎油中硫化物含量較低，但其對于光安定性的影響是不可忽視的。周亞松等^[17]研究了硫化物的氧化機理，在研究中采用二苯并噻吩（DBTH）和甲基芐基硫醚（BMS）為模型化合物，將二者依次、等量的加入以飽和烴為主的基礎油中，對比氧化前后油品的紅外譜圖，發現這兩種含硫化合物在氧化過程中會形成砜，甲基芐基硫醚會繼續氧化形成羰基，在光氧化下，羰基會繼續氧化產生著色基團從而影響光安定性。

BMS生產羰基的氧化機理如圖3所示。由于BMS中硫原子化學活性大，在氧化條件下會首先與氧分子或過氧基團反應形成亞砜（B），亞砜（B）的活性是不穩定的，將繼續氧化生成砜（D），砜（D）中S=O基團上孤對電子吸引相鄰C原子，最終使C原子呈缺電子狀態，從而易于氧化形成羰基（E）。

相比于甲基芐基硫醚，二苯并噻吩中S原子的氧化反應較為緩和。如圖4所示，DBTH（A）中S原子的孤對電子由于苯環的存在而被分散，同時相鄰兩個苯環具有較大的空間位阻，這使DBTH中S原子的氧化活性十分有限。在氧化過程中，二苯并噻吩中的S原子被氧化為亞砜（B）和砜（C），繼續氧化則生成環狀酮（D），環狀酮（D）也能繼續反應生成酸（E）。但是亞砜（B）和砜（C）的S=O基團是吸電子基團，在苯環位發生親電反應，苯環難以斷裂以生成酮基（D），因此（D）、（E）盡管有可能生成，但轉化率很低，幾乎可以忽略。

鄧文安等^[15]同樣以DBTH為模型，考察了含硫化合物對基礎油光安定性的影響。結果表明，低含量的DBTH會劣化油品的光安定性，但其影響程度較弱;而在高含量條件下，DBTH則會延緩基礎油光安定性劣化，這一結果與周亞松等^[17]對噻吩類含硫化合物的研究結果一致。

1.3 ?重芳烴及部分飽和多環芳烴

在硫、氮化物存在環境中，雜原子化合物和芳烴對基礎油氧化性能的影響往往難以準確評價。其原因在于油品中的硫、氮化合物（如DBTH、吲哚等）本身也存在芳環結構，在極性與反應活性上與芳烴類似，在研究中容易將多環芳烴化合物對油品光安定性的影響與硫、氮化合物產生的影響相混雜，因此有效分離基礎油中的烴組分，在此基礎上針對分離組分開展光安定性影響因素的研究至關重要。

黃為民等^[18]采用色譜柱將潤滑油基礎油中的各組分進行分離，并測試了氮化物、不同分子量芳烴和飽和烴等組分對光安定性的影響。結果表明，多環芳烴及其部分飽和產物可使基礎油光安定性劣化。Ushio等^[19]將潤滑油基礎油結構分離，并分別考察不同組成部分對油品光安定性的影響。結果表明，油品中的芳烴組分對光安定性存在不利影響，其中不僅包括多環芳烴，也包括芳烴與環烷烴混合物以及含有硫、氮的七環芳烴。Gilbert等^[20]結合吸附色譜與薄層色譜，對加氫基礎油的分離組分進行研究，研究發現部分多環芳烴在紫外輻照下穩定性差，容易發生氧化反應而使油品變色，甚至產生沉淀。楊家雷等^[21]對紫外光照射下的基礎油沉淀物進行了色層分離，結果表明芳烴含量與沉淀物含量呈正相關趨勢，四環芳烴含量高、芳烴平均側鏈短的油品生產沉淀物較快。王會東等^[22-23]采用液-固吸附色譜法對光照前后的加氫基礎油進行分離，得到飽和烴、芳烴和極性組分。在此基礎上進一步研究發現芳烴化合物、稠環芳烴化合物氧化后產生的沉淀并不是影響油品光安定性的唯一原因，相比之下，油品對光氧化產生的極性生成物溶解性差是光安定性劣化重要原因。

綜上所述，影響油品光安定性的原因主要分為兩方面：一方面是由于光照反應后，基礎油中的硫、氮化合物發生氧化反應生成含有羰基、羥基、羧基的含氧化合物基團，這些基團進一步縮合形成膠質或大極性分子氧化物。加氫精制基礎油中飽和烴含量占主要成分的99%，溶解極性分子能力差，從而形成沉淀物影響光安定性。另一方面，沉淀物的生成與芳烴結構有關，多環芳烴與雙環芳烴影響相對較大，飽和烴與單環芳烴影響相對較小。多環芳烴中四環芳烴和具有支鏈結構的芳烴影響程度最大。

2? 結論與展望

通過光安定性影響因素及作用機理的探討，可以認為非堿性氮化物、硫醚類硫化物、多環芳烴結構是影響光安定性的主要因素。雖然芳烴及硫、氮化物含量不高，但少量的硫、氮雜環原子化合物以及多環芳烴對潤滑油基礎油品質存在重要影響。研究者們利用色譜分離技術、紅外譜圖分析、核磁共振分析技術等傳統分析方法做了大量的工作。但隨著結構表征手段和分離技術的發展，優化分離方法，細化芳烴族結構組成將進一步促進光安定性影響因素研究發展，為組建潤滑油基礎油理想組分提供理論依據，對優化生產工藝提供基礎支持。

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基金項目：中國石油化工股份有限公司課題資助（項目編號：117012-2）。

收稿日期： 2020-03-25

作者簡介： 賈未鳴（1991-），女，助理工程師，碩士，2017年畢業于遼寧石油化工大學分析化學專業，現從事石蠟分析相關研究工作。E-mail：jiaweiming.fshy@sinopec.com。