聚α−烯烃基础油黏度对防锈油防锈性能的影响

2014-11-25杨奔奔付洪瑞王本力刘淑真向飞飞

电镀与涂饰 2014年14期

杨奔奔 *，付洪瑞，王本力，刘淑真，向飞飞

（1.军械工程学院军械技术研究所，河北石家庄 050000；2.南疆军区后勤部，新疆喀什 844000）

在金属表面涂抹一层防锈油是延缓金属锈蚀最常用的方法之一[1]，虽然目前防锈油的种类很多，但是防锈油主要组成部分还是防锈添加剂和基础油，防锈添加剂的添加量一般只有10%左右[2]，可见防锈油的主体部分是基础油，因而基础油的某些性质对防锈油的防锈性能有很大影响。基础油的一个重要参数是黏度，它反映了油品相邻液层之间的摩擦阻力，即基础油的黏稠程度[3]。因而基础油的黏度在一定程度上决定了防锈油的使用条件和使用区域。本文主要研究基础油的黏度对防锈油防锈性能的影响，并探讨黏度与防锈油防锈性能之间的关系，为从事相关研究的技术人员提供一些参考，也可为下一步防锈油配方的优化设计提供一定的依据。

本文选取了一种复合防锈添加剂TW742(上海唯路润滑科技有限公司)，将其在PAO(聚α–烯烃)基础油(上海孚科狮化工科技有限公司)中分别以1%、3%、5%、7%、9%的质量分数溶解，配制所需的防锈油。

防锈添加剂TW742 是由氧化石油烃和磺酸钡，以及极压抗磨添加剂复合而成的油溶性润滑型防锈复合剂，具有润滑和防锈双重功能，其防锈性能优异，同时具有很强的水置换性。

PAO 是一类由α−烯烃在催化剂作用下聚合，再经过加氢而获得的基础油[4]，其分子结构有2种形式，如图1[5]所示。这种分子结构保证了PAO 在黏温特性、低温流动性、蒸发损失及热氧化安定性等方面的卓越性能，因此能更好地适应当代日益严格的节能环保等要求[6]，得到了广泛的应用。目前，PAO 基础油主要依据其在100°C 下的运动黏度分类，而运动黏度与基础油的成分有关。试验中所选用的PAO 基础油分别是PAO2C、PAO4、PAO6和PAO8，这4种PAO 基础油的黏度分布范围较大，且是逐渐增大的，如表1 所示，因而是探究基础油黏度与防锈油防锈性能关系的很好选择。

图1 PAO 基础油的分子结构Figure 1 Molecular structure of PAO base oil

表1 PAO 基础油在40°C和100°C 下的黏度Table 1 Viscosities of PAO base stocks at 40°C and 100°C

1 实验

1.1 主要仪器

CT-3 湿润试验机，日本スガ試験機株式会社；符合GB/T 265–1988《石油产品运动粘度测定法以及动力粘度计算法》要求的DHF-005A 石油产品运动黏度测定器，大连汇丰石油仪器有限公司；DK-98-1 型恒温水浴槽，天津泰斯特仪器有限公司；黏度计，大连汇丰石油仪器有限公司。

1.2 方法

采用湿热试验和盐水浸渍试验来测试所配防锈油的防锈性能。

将准备好的45钢试片(湿热试验用的尺寸为50 mm×50 mm×2 mm，盐水浸渍用的尺寸为50 mm×20 mm×2 mm)分别浸入油样1 min 后取出，放入木槽中静置24 h 待用。

模拟湿热气候[(49 ± 1)°C，相对湿度>95%，压力0.098 MPa]条件下的环境，按照GB/T 2361–1992《防锈油脂湿热试验法》进行湿热实验。将准备好的试片放入湿润试验机中，观察并记录试片锈蚀达到B 级的时间。

按照SH/T 0025–1999《防锈油盐水浸渍试验法》进行盐水浸渍试验。将试片浸入NaCl 溶液中，温度控制在25°C，观察并记录试片锈蚀达到B 级的时间。

取同一油样的3 块试片锈蚀度的算数平均值，按照SH/T 0217–1998《防锈油脂试验试片锈蚀度评定法》判断试片的锈蚀等级。

将所配油样放置在阴凉室温环境下，观察并记录基础油与防锈添加剂的溶存状态。

2 结果与讨论

2.1 基础油的黏度与防锈油黏度

表2和表3 是4种PAO 基础油加入不同量的TW742 后40°C和50°C时的运动黏度。

表2 4种基础油中加入不同质量分数的防锈添加剂TW742 后在40°C时的黏度Table 2 Viscosities of four base stocks with different amounts of rust inhibitor TW742 at 40°C

表3 4种基础油中加入不同质量分数的防锈添加剂TW742 后在50°C时的黏度Table 3 Viscosities of four base stocks with different amounts of rust inhibitor TW742 at 50°C

由表可见，随着防锈添加剂加入量的增加，所配防锈油的黏度虽然有所增大，但仍然近似于其基础油的黏度，因此防锈油的黏度主要由基础油的黏度决定。

2.2 基础油的黏度与防锈油防锈性能

图2和图3 是4种基础油加入不同量的TW742 后湿热试验防锈时间和盐水浸渍防锈时间的变化曲线。由图可见，防锈添加剂加入量较少时，所有油样的防锈效果都不是很好，原因可能是在金属表面形成的保护膜不够完整致密，无法有效地保护金属，因而油样防锈性能差异不大。但随TW742 加入量增加，无论是湿热试验还是盐水浸渍试验，以PAO2C为基础油的防锈油效果明显优于其他3种，而且基础油的黏度越大，所配制防锈油的防锈效果越差。对此，笔者解释为这类防锈油在金属表面的吸附主要是一种物理吸附。TW742 是由氧化石油烃和磺酸钡，以及极压抗磨添加剂复合而成的一类防锈剂。由于单纯的石油磺酸盐在基础油中的溶解性并不是很好[7]，加入氧化石油烃复合后，根据“相似相容”原理，可以改善这类复合防锈添加剂在PAO 基础油中的溶解性。此外，这类防锈添加剂在金属表面吸附时，氧化石油烃与基础油烃基之间可以产生引力，这种引力占总吸附能的40%[8]，使这类防锈添加剂与基础油能够更好地结合。当所配防锈油在金属表面进行保护时，一部分防锈添加剂分子先是在金属表面形成一种吸附性保护膜，分子的亲油基在油中是朝外排向，极性基朝里排向，而基础油则在吸附少的地方进行物理吸附，并深入到吸附防锈添加剂之间，借油分子的范德华引力与添加剂分子共同堵塞孔隙，使吸附膜更加完整[7]；另一部分防锈添加剂分子聚集在一起形成胶束或胶团溶存于油中，捕捉并溶化水分子使其分散于油中，从而防止水和氧气侵蚀金属，而这些胶束或胶团的聚集度由基础油所决定。在盐水浸渍试验中，虽然Cl−具有很强的穿透效果[9]，可使保护膜形成“腐蚀通道”，从而让其他腐蚀物质进入，但这层物理保护膜可通过自身修复能力进行恢复[10]，此外基础油分子也可进行填补，从而阻断腐蚀通道，继续保护金属。

图2 加入不同质量分数的防锈添加剂TW742 后4种基础油的湿热试验结果Figure 2 Damp-heat test results for four base stocks with different amounts of rust inhibitor TW742

由图1 可知，PAO 基础油的分子100%都是烷烃[4]，从表4[11]可见，PAO2C 的主要成分是二聚物，PAO4以三聚物为主，PAO6 主要是三聚物和四聚物，PAO8中四聚物和五聚物最多，都是以癸烯–1为原料生产的，平均相对分子量PAO2C

表4 4种PAO 基础油的组成成分Table 4 Compositions of different PAO base stocks

2.3 基础油与防锈添加剂的相容性

表5 是不同质量分数的TW742 在4种PAO 基础油中10 d 内的溶存状况。可见，TW742 与基础油都存在一定的溶存稳定性问题。随着基础油黏度的增大和防锈添加剂加入量的增加，所配制的防锈油都会出现浑浊、沉淀等现象。但相比较而言，基础油PAO2C 与TW742 的相容性要优于其他3种，所配制的油样比较稳定。这也从相容性方面证实了TW742 在黏度较小的基础油PAO2C 中溶解性较好，使得TW742 分子形成胶束或胶团的聚集度相对较小，因而防锈效果较好。