微量水对高黏度聚α－烯烃性能的影响

2013-09-06张丙伍金理力李桂云

石油炼制与化工 2013年9期

张丙伍，李静，金理力，李桂云

（中国石油兰州润滑油研究开发中心，兰州 730060）

润滑油及其调合原料在生产、储存和运输过程中由于容器不干净、密封不严和露天存放等原因使空气中的水分及其它来源水分侵入，这部分乳化水或溶解水含量较小，一般质量分数小于0.03%，按照GB 260《石油产品水分测定法》中对水含量的界定，称之为痕迹水或微量水。水对润滑油的质量和使用性能产生负面影响，当温度降低时，会导致润滑油流动性能和黏温性能变差，会堵塞油路；当温度升高时，水会汽化而导致油路产生气阻，同时还会使油品乳化，破坏油膜，降低润滑效果。另外水会加剧油品氧化，加快有机酸对设备部件的腐蚀；而且还会使添加剂水解而失去功效［1］。微量水对润滑油系统的危害越来越引起人们的重视。

合成型基础油聚α－烯烃（PAO）因其优异的热安定性和氧化安定性而广泛应用于工业用油中，特别是工业齿轮油中。工业齿轮的负荷、速度以及环境介质如微量水等会对润滑油的抗泡沫性、黏度等理化性能产生较严重的影响。而微量水对PAO，尤其是高黏度PAO的性能影响的研究还未见报道。本课题利用高剪切分散乳化机将聚α－烯烃中的微量水均匀分散，采用润滑油泡沫特性测定法、石油产品运动黏度测定法、石油产品黏度指数计算法、闪点测定法（宾斯基－马丁闭口杯法）和热重分析法分别评价微量水对高黏度聚α－烯烃理化性能的影响，以期为工业用油的开发积累基础数据。

1 实验

1.1 原料

蒸馏水，实验室自制；进口PAO 40，基本理化性能见表1。

表1 PAO 40的基本理化性能

1.2 仪器及条件

采用Fluko FA25Model实验型管线式高剪切分散乳化机对油品进行在线分散乳化，具有匀度高、无分散死角等特点。

采用法国NORMORLAB公司生产的P643油品泡沫特性测定仪，依据GB／T 12579标准方法测定油品的泡沫特性；按照GB 265标准方法《运动黏度测定法》测定油品的运动黏度；按照GB 261标准方法《闭口闪点测定法》测定油品的闪点；采用瑞士梅特勒公司生产的METTLER TGA／DSC1热重分析仪进行热重分析，试验条件：气体氛围为高纯氮气，气体流量100mL／min，在50℃下恒温1min，按20℃／min的升温速率升温至900℃。

1.3 实验方法

以22000r／min高剪切转速分散PAO 40中的微量蒸馏水，分散时间为30min，冷却至室温后进行理化性能分析。

2 结果与讨论

2.1 微量水的分散

分别在PAO 40中添加质量分数为0.001%，0.005%，0.01%的蒸馏水，用实验型管线式高剪切分散乳化机进行高速分散，分散结束后，油品产生许多细小气泡，气泡聚集上升剧烈，油品不透亮，烧杯明显有发烫感，1h后泡沫消失，油品清澈透亮，说明微量水被均匀分散在PAO 40基础油中。

2.2 微量水对PAO 40泡沫特性的影响

泡沫特性是指油品生成泡沫的倾向和泡沫稳定性。生成泡沫倾向的大小是以在一定条件下摇动或搅拌时产生的泡沫多少来评价的，泡沫稳定性是指生成的泡沫存在时间的长短，即泡沫的持久性或存在的寿命，也可以理解为泡沫破灭的难易程度。低黏度PAO的泡沫特性较好，因此选择高黏度的PAO作为研究对象。

分别将质量分数为0.001%，0.005%，0.01%的蒸馏水分散到PAO 40中，进行油品生成泡沫特性和稳定性测试，结果分别见表2和表3。从表2可以看出，加入质量分数为0.001%和0.005%的蒸馏水后，前24℃时PAO 40生成泡沫的倾向从530mL分别骤降到5mL和10mL；93.5℃时从390mL分别骤降到15mL和15mL；后24℃时从450mL分别骤降到5mL和10mL；加入质量分数为0.01%的蒸馏水后，对生成泡沫倾向有一定程度的改善，但效果一般。从表3可以看出，加入质量分数为0.001%，0.005%，0.01%的蒸馏水后均能降低PAO 40的泡沫稳定性，加入质量分数为0.001%和0.005%的蒸馏水后对PAO 40的泡沫稳定性改善效果最好。

表2 微量水对PAO 40生成泡沫倾向的影响 mL

表3 微量水对PAO 40泡沫稳定性的影响 mL

抗泡作用机理比较复杂，具有代表性的三种观点是降低部分表面张力、扩张和渗透［2－4］。根据表2和表3数据推测，未加微量水之前的泡沫是由PAO 40液体将大量流动性很高的气体隔开的分散体系，它们有非常大的气－液界面，为热力学不稳定体系，在表面张力作用下具有较强的泡沫倾向性，形成大量的泡沫，泡沫稳定性差的原因主要是液膜的排液、膜的破裂及气体的扩散［5］。加入质量分数为0.001%和0.005%的微量水后，微量水破坏了PAO 40和气泡之间的作用力，泡膜的表面张力局部降低而其余部分保持不变，膜较强张力牵引着较弱张力部分，从而使泡膜破裂。而加入质量分数为0.01%的微量水后，可能是微量水与PAO 40相对均匀地包裹气泡膜，反而使得泡沫受力较加入质量分数为0.001%和0.005%的微量水时有变平衡趋势，表现为泡沫倾向变大。分散微量水后，起泡倾向均有一定程度的改善，因此通气停止10min后，泡沫稳定性都比较低。

2.3 微量水对PAO 40黏度和闪点的影响

加入微量水对PAO 40黏度和闪点的影响见表4。从表4可以看出，加入微量水后，100℃运动黏度及黏度指数有所降低，而对40℃运动黏度影响不大，对闪点（闭口）基本没有影响。黏度是流体黏滞性的一种量度，是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示。黏度大表明内摩擦力大，平均相对分子质量大，碳氢结合越多，这种力量也越大［6］。而分散微量水后，100℃时，部分PAO 40分子被水分子所取代，相当于稀释作用，内摩擦力变小，导致运动黏度变小，这与微量水对PAO 40泡沫特性影响机理的推测一致；而40℃时，PAO 40分子之间的距离较100℃时小，作用力仍比较强，微量水对其影响不大，因此运动黏度变化不大。由于100℃的运动黏度变化比较大，所以黏度指数波动较大。

表4 微量水对PAO 40黏度和闪点的影响

2.4 微量水对PAO 40热重性质的影响

热重分析测量的是物质的质量与温度的关系。微量水对PAO 40热重性质的影响见表5。从表5可以看出，微量水对PAO 40的热重性质基本没有影响。这是因为微量水在PAO 40中的含量非常小，可忽略不计。

表5 微量水对PAO 40热重性质的影响

2.5 微量水对PAO 40储存稳定性的影响

将加入质量分数为0.001%，0.005%，0.01%的蒸馏水的PAO 40样品储存6个月后，重新对这些样品进行泡沫特性分析，结果见表6。从表6可以看出，储存6个月后样品的生成泡沫倾向和泡沫稳定性与6个月前基本相当，说明微量水对PAO 40的储存稳定性影响很小，微量水可以比较均匀稳定地分散在PAO 40中。