酰胺型含氮硼酸酯的合成

馮洋 張利 李曉濤

摘 要：酰胺型含氮硼酸酯因為具有無毒無臭、清凈分散性好、環境適應性好以及抗磨減摩特性極佳等特點，作為新型環保型柴油添加劑已經引起人們越來越多的關注。

關鍵詞：酰胺型含氮硼酸酯;合成;分析

1 合成原理

在摩擦表面的過程中，由于酰胺中含有氧、氮原子，反應生成邊界膜，所以將其加入到柴油中抗磨性能效果比較好。本實驗在硼酸酯的合成過程中采用常壓蒸餾裝置，在常壓狀態下，反應中產生的水能夠及時被除去，從而使反應進行完全。

1.1 蓖麻油三乙醇胺硼酸酯的合成方法

氮氣保護下，在帶有攪拌裝置、冷凝管、溫度計四頸瓶中加熱蓖麻油酸至100℃，再加三乙醇胺，繼續升溫至140-160℃，保溫反應2-4h。得淺褐色粘稠液體的中間產物（蓖麻油酸三乙醇胺）。然后在帶有回流冷凝管、油水分離器、恒壓滴液漏斗和溫度計的四頸瓶中，加入一定量中間產物（蓖麻油酸三乙醇胺）和硼酸，以二甲苯為帶水劑，加熱到130-150℃之間進行反應，加熱回流脫水，反應3-4h，接近理論出水量時，減壓蒸出溶劑二甲苯，反應結束。冷卻靜置后得到白色硬酯狀固體化合物即為目標產物。

1.2 合成的蓖麻油酸三乙醇胺硼酸酯的結構

本實驗合成的蓖麻油酸三乙醇胺硼酸酯，其結構如圖1所示。

1.3 蓖麻油酸三乙醇胺硼酸酯的性能分析

1.3.1 蓖麻油酸三乙醇胺硼酸酯的粘度測試

添加劑的運動粘度試驗參考GB/T265-1988石油產品運動粘度測定方法進行。本實驗采用毛細管粘度計測定溫度40℃時含10%添加劑試油及基礎油的運動時間，根據公式計算得到溫度40℃時的運動粘度：

Vt=c·τt

式中：c-粘度計常數：c=0.2041mm2/s2τt-試樣的平均流動時間：s。

1.3.2 蓖麻油酸三乙醇胺硼酸酯的銅腐蝕性能測試

添加劑的腐蝕試驗參考GB5096-85石油產品銅片腐蝕試驗方法進行。先將銅片用粒度級為240的砂紙打磨，并用60-90℃石油醚清洗干凈，然后分別置于含不同濃度的各種添加劑的試油及基礎油中，試樣置于水浴中，保持箱內溫度為100±1℃，3h后取出銅片，用60-90℃石油醚清洗干凈后，與標準板對照，觀察腐蝕情況，進行腐蝕評分。

1.3.3 蓖麻油酸三乙醇胺硼酸酯抗摩擦性的測定方法

以液體石蠟為基礎油，通過四球摩擦磨損實驗機測定磨斑直徑、摩擦因數隨添加劑加入量的變化。

2 結果與討論

2.1 三乙醇胺質量分數對收率的影響

取一定量的中間體和硼酸，二者配料比1：1，三乙醇胺配比分別為0.7：0.8：0.9：1.0：1.1，考察三乙醇胺質量分數對收率的影響，實驗結果如圖2所示。

從圖2中數據可以看到：隨著三乙醇胺量的增加，產品的收率逐漸增加，尤其是當物料摩爾比為1：0.9：1時，產品的收率明顯達到最大。可是當反應比例大于1：0.9：1時，產品的收率略有下降。因此，在本實驗室條件范圍內，在物料摩爾比為1：0.9：1，硼酸酯的收率最高。由于酯化反應為可逆反應，過多的增加三乙醇胺的用量反而抑制化學反應向正反應方向進行，硼酸酯的收率反而下降。

2.2 正交實驗設計

2.2.1 正交實驗數據處理

根據前期的實驗摸索，設計L9（34）正交實驗，正交實驗結果見表1。從表1可以看出，各列極差大小順序：R（蓖麻油酸）>R（硼酸）>R（三乙醇胺），即實驗因素的主次順序為：蓖麻油酸>硼酸>三乙醇胺。綜合考慮各因素之間的影響，得出最佳摩爾配比為n（蓖麻油酸）：n（三乙醇胺）：n（硼酸）=0.9：0.9：2.9，轉化率最高為43.33%。

2.2.2 極差分析

從表1中，可以清楚的看出，因素影響的主次順序為：蓖麻油酸，硼酸，三乙醇胺。

2.2.3 蓖麻油酸三乙醇胺硼酸酯的結構表征

從以上IR圖譜中可看出，1710cm-1處沒有出現吸收峰，說明產物中已經沒有原料蓖麻油酸，其中沒有出現1730cm-1峰，表明產物中沒有氨基酯等副產物。2921cm-1附近為CH、CH2中C-H彎曲振動;1074cm-1附近是硼酸酯特征吸收峰，生成了硼酸酯。另外，酰胺-CON-中C=O吸收峰出現在波數1623cm-1附近，故圖中波數1623.8605cm-1處的強吸收峰為酰胺的特征吸收峰，可以確定所合成的樣品為預期目標產物。

2.3 蓖麻油酸三乙醇胺硼酸酯的性能測定

2.3.1摩擦學性能

將合成的添加劑樣品按0.05，0.12，0.25，0.5，0.75（質量分數）的添加量加入到液體石蠟中，在四球摩擦試驗機上分別測定潤滑油的承載能力，392N下添加劑含量對抗磨、減摩性能的影響。

2.3.2承載能力

從圖4中可以看出加入酰胺型含氮硼酸酯添加劑到液體石蠟中后，其PB值隨著添加量的增加而增大，添加量為0.05時，PB值從509.6N增大到646.8N;當添加量為0.25時，PB值達到最大值695.8N，較液體石蠟的PB值增加了36.5，但添加劑含量繼續增加時，PB值不再變化。這種情況可能是因為在高載荷時，由于所加載荷較大，鋼球表面微凸體直接接觸，產生局部高溫使得酰胺型含氮硼酸酯在摩擦表面難以成膜，添加劑中只有部分酰胺型含氮硼酸酯參與摩擦表面成膜起到提高承載能力的作用，因此酰胺型含氮硼酸酯含量的進一步增加并不能繼續提高基礎油的承載能力。

2.3.3 添加劑含量對磨斑直徑的影響

從圖5中可以看出，在載荷392N條件下，隨著添加劑含量的增加，鋼球的磨斑直徑（WSD）逐漸減小，在含量為0.25時，其磨斑直徑達最小值0.49mm，比較液體石蠟的磨斑直徑減少了0.17mm，但以后隨著添加劑含量增加，其磨斑直徑基本不變，這主要是由于添加劑濃度增加使表面上分子排列更加緊密，生成的膜相應增厚，從而提高了抗磨能力，但摩擦表面吸附參與反應的添加劑量已達到平衡，故當濃度進一步增加，潤滑油的抗磨性并不改變。

2.3.4 添加劑含量對摩擦系數的影響

從圖6中可以看出，酰胺型含氮硼酸酯表現出較好的減摩效果，在添加量為0.25%時潤滑油的摩擦系數（f）較液體石蠟油的摩擦系數減小了0.017，但隨著添加劑濃度增大，其摩擦系數變化很小。根據圖4、圖5和圖6可知所合成的酰胺型含氮硼酸酯在液體石蠟中的最佳添加量為0.25%。

3 結論

①本實驗通過實驗合成了酰胺型含氮硼酸酯，對反應原料配比進行了探究，并通過紅外表征其存在;

②由蓖麻油酸、三乙醇胺、硼酸合成的酰胺型含氮硼酸酯，操作簡單，反應終點容易控制。在140-150℃、反應8h實驗條件下，通過變化蓖麻油酸酸、三乙醇胺、硼酸的一系列配比關系，設計正交試驗知，實驗因素的主次順序為：蓖麻油酸>硼酸>三乙醇胺。綜合考慮各因素之間的影響，得出最佳摩爾配比為n（蓖麻油酸）：n（三乙醇胺）：n（硼酸）=0.9：0.9：2.9，轉化率最高為43.33%;

③紅外光譜圖上可以明顯的確定合成了酰胺型含氮硼酸酯;

④添加劑具有良好的運動粘度和抗腐蝕性，酰胺型含氮硼酸酯表現出較好的減摩效果，酰胺型含氮硼酸酯在液體石蠟中的最佳添加量為0.25%。

參考文獻：

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