利用正交試驗法開發高效防銹油配方的研究

李丹丹，周辰，李久盛

(中國科學院上海高等研究院先進潤滑材料實驗室，上海 201210)

0 引言

金屬腐蝕是由于金屬材料與周圍環境之間的相互作用而產生破壞的自發現象[1]，每年由于金屬材料腐蝕造成的直接經濟損失估計高達數十億美元，造成巨大的經濟損失和社會危害[2-3]。金屬材料銹蝕的防護一直以來都是影響國家經濟和可持續發展的重要因素[4-5]。

磺酸鹽作為最早被廣泛使用的一種防銹劑，具有優異的防銹效果[6-10]。近年來，國內外對于高效防銹油品的需求日益增加，但國內對于高效防銹油品配方的開發工作關注較少，常用的防銹油配方單一、防銹周期較短，對于嚴苛的防銹環境，較多使用國外添加劑包的形式，導致成本高、核心技術水平難以提升[11-15]。為了改變這一現狀，提高國產防銹油技術水平，急需開發高效的防銹添加劑配方。

本文選擇中性二壬基萘磺酸鋇(NA-SUL BSN)、重烷基苯磺酸鋇(T701)為防銹主劑，另外多種常用防銹劑作為配方原料，150SN為基礎油，采用正交設計方法對防銹油配方進行了篩選，中性鹽霧試驗評價優化配方的性能，得到兩組性能優于國外市場樣品的高效防銹油配方。

1 實驗部分

1.1 試驗材料

10#鋼片(符合標準ZB E41 010A，80 mm×60 mm×(1～3) mm)；砂紙(240#)；Q-panel(R-36，符合標準ASTM A1008，76 mm×152 mm×0.81 mm)。

1.2 防銹劑篩選

選擇NA-SUL BSN(中性二壬基萘磺酸鋇)和T701(重烷基苯磺酸鋇)作為主添加劑，分別與其他類型的防銹劑進行復配正交試驗，進而得到BSN體系和T701體系兩組優化配方。羧酸類包括：十二烯基丁二酸(T746)、正油烯基肌氨酸(Sarkosyl O)、油酸；酯類防銹劑包括：山梨糖醇酐單油酸酯(Span80)、羊毛脂。

為了評價優化配方的性能，選擇磺酸鹽單劑(Control-A)與市售進口防銹復合劑(Control-B)作為對比樣品。

1.3 防銹油配方的正交設計

防銹油配方正交設計過程：

(1)確定試驗因素和水平數；

(2)選用合適的正交表；

(3)列出試驗方案，通過鹽霧試驗得到每組配方的防銹性能評價結果；

(4)對正交試驗設計結果進行直觀分析；

(5)通過效應曲線圖確定最優水平組合。

1.4 中性防銹油鹽霧試驗

采用鹽霧試驗箱(型號HYW-050/B，上海宏澤試驗設備有限公司)評價防銹劑的防銹性能，條件為：溫度35 ℃，pH值6.5～7.2，5%NaCl鹽霧。

具體操作方法：將防銹油涂覆在打磨、清洗后的10#鋼板上，并掛置在鹽霧試驗箱中，參照SH/T 0081-1991標準方法，觀察10#鋼板測試面的銹蝕情況，當銹蝕面積大于5%時，該時間即為鹽霧試驗時間。

2 結果與討論

2.1 BSN體系高效防銹油配方

選擇NA-SUL BSN作為BSN體系防銹油的主防銹劑，其他組分為T701、油酸、T746、Sarkosyl O、羊毛脂。通過對防銹劑成分的性能評價, 制定了正交試驗因素位級表，包括6個因素、5個水平。根據正交試驗規律，選用標準正交表L25(56)進行試驗。對各配方的防銹油品進行鹽霧性能的評價，每組試驗三個平行試片，得到鹽霧試驗時間及正交設計試驗結果如表1所示。

其中ki值表示每個因素在i水平上的平均鹽霧試驗時間，決定了水平中最佳因素的選取。試驗結果的計算，以第一列為例，均值k的計算過程如下。

k1=(4+10+11+23+11)÷5=11.8

k2=(23+10+46+11+46)÷5=27.2

k3=(48+25+5+48+29)÷5=31

k4=(36+29+36+48+36)÷5=37

k5=(36+68+47+36+53)÷5=48

表1 BSN體系正交設計試驗結果

表1(續)

第一列的極差計算：RK= 48-11.8=36.2，可以根據極差的大小，來判斷各因素對鹽霧性能的影響大小順序。經過上述計算可得各因素影響主次順序為：RA>RC>RD>RF>RB>RE，即NA-SUL BSN>油酸>T746>羊毛脂>T701>Sarkosyl O，說明不同組分對鹽霧性能的影響大小是不同的。其中第22號試驗的防銹效果最好，鹽霧時間為68 h。

由表1中的k值可得到6因素5水平的效應曲線圖，如圖1所示，可得到以下結論。

①在試驗范圍內, 隨著A含量的增加, 防銹時間顯著升高；②B因素含量較低時對防銹時間影響不大，超過一定量后隨著B含量的增加，防銹時間也在增長；③對于C因素，添加量的增加帶來了負面影響，說明該體系不適合添加C因素；④隨著D含量的增加, 防銹時間呈上升趨勢；⑤隨著E因素含量的增加，防銹時間先升高后降低；⑥隨著F因素含量的增加，防銹時間逐漸增加，到達最優值后又降低；⑦BSN體系中具有最佳鹽霧性能的最優組合(BSN-26)為A5B5C1D5E3F4。

圖1 BSN體系效應曲線

由圖1結果分析可知，A、B、D是該防銹油的主要防銹成分，A因素對防銹性的影響最大；B和D因素次之；C因素的加入沒有起到增加防銹性的作用，因此不適合在該體系中添加；適量的E和F對防銹油的防銹性能有一定促進作用。

為了對比正交試驗得到的最優配方BSN-26與磺酸鹽單劑(NA-SUL BSN)和國外市場樣品(NA-SUL CA-1259)的防銹性能，將磺酸鹽單劑配制成5%濃度的參比防銹油Control A，將進口復合劑配制成5%濃度的參比防銹油Control B；分別進行鹽霧試驗，將得到的試驗結果與優化配方BSN-26的鹽霧結果對比，如圖2所示。

圖2 BSN體系優化配方防銹性能對比

由圖2可以看出，優化配方BSN-26相比于磺酸鹽單劑的鹽霧性能有了大幅度的提升，同時優于進口樣品的防銹性能。

2.2 T701體系高效防銹油配方

選擇T701作為主防銹劑，其他組分為T746、Span 80、羊毛脂。通過對防銹劑成分的試驗與分析,制定了正交試驗因素位級表，包括4個因素、3個水平。根據正交試驗規律，選用標準正交表L9(34)進行試驗。同樣采用試驗部分1.4中所述的鹽霧試驗方法，以出現銹蝕面積大于5%時的試驗時間，即鹽霧試驗時間，作為衡量試驗的指標。對各配方的防銹油品進行鹽霧性能的評價，每組試驗三個平行試片，得到鹽霧銹蝕時間及正交設計試驗結果如表2所示。

表2 T701體系正交設計試驗結果

試驗結果的計算與2.1中所述例子相同，由表2中極差Rk可以判斷各因素對結果的重要程度為RA=RC=RD>RB，即T701、Span 80和羊毛脂對防銹性的影響最大，T746對防銹性的影響最小。其中第7號試驗的防銹效果最好(72 h)，其相應的水平組合是目前的最佳水平搭配。

由表2中的k值可得到4因素3水平的效應曲線圖，如圖3所示。可得到結論：①在試驗范圍內，隨著A(或C)含量的增加，防銹時間增加；②隨著B含量的增加，防銹時間有所降低；③隨著D含量的增加，防銹時間先升高后降低；④T701體系中具有最佳鹽霧性能的最優組合(T701-10)為：A3B1C3D2。

圖3 T701體系效應曲線

由試驗結果可知，因素A、C、D是該防銹油配方體系的重要組分，其含量高低對防銹性能的影響較大；因素B為該防銹油體系中的輔助成分，添加少量的B對防銹油的防銹性能有一定促進作用。

同樣，為了對比最優配方T701-10與磺酸鹽單劑(T701)和國外市場樣品(NA-SUL CA-1259)的防銹性能，將T701配制成5%濃度的參比防銹油Control C。對市場樣品油(Control B)、單劑參比油(Control C)和優化配方T701-10分別進行鹽霧試驗，得到鹽霧銹蝕時間結果如圖4所示。

圖4 T701體系優化配方防銹性能對比

由圖4可以看出，優化配方T701-10相比于磺酸鹽單劑的鹽霧性能有了大幅度的提升，同時略優于國外市場樣品的防銹性能。

3 結論

通過正交設計的方法，結合中性鹽霧試驗的方法來評價油品的防銹性能，得到了兩組高效防銹油配方體系BSN-26和T701-10，性能均優于國外市場樣品。

由結果可得結論如下：

(1)高效防銹油配方BSN-26的鹽霧試驗時間為83 h。不同組分對鹽霧性能的影響大小不同，各因素對防銹性的影響大小關系為：NA-SUL BSN>油酸>T746>羊毛脂>T701>Sarkosyl O。在該防銹油體系中NA-SUL BSN、T701、T746是主要防銹成分，NA-SUL BSN對防銹性的影響最大；T701和T746次之；油酸的加入沒有起到增加防銹性的作用，不適合在該體系中添加；少量的Sarkosyl O和羊毛脂對防銹油的防銹性能有一定促進作用。

(2)高效防銹油配方T701-10的鹽霧試驗時間為72 h。各因素對防銹性能的影響大小關系為：T701=Span 80=羊毛脂>T746。在該防銹油體系中T701、Span 80和羊毛脂是主要成分，其含量高低對防銹油的防銹性影響較大；T746對防銹性的影響最小，少量的T746對防銹油的防銹性能有一定促進作用。