不同植物油甲酯生物柴油的润滑性能

曹兴安，邵国泉

（1.合肥学院生物与环境工程系，安徽合肥230601；2.合肥学院化学与材料工程系，安徽合肥230601）

燃油燃烧产物中含有硫氧化物和氮氧化物，会对大气产生严重污染。由于化石燃油不可再生，过度依赖化石燃油会加速能源危机[1]。为了减少汽车尾气对环境的污染，我国对燃油中硫含量的限定标准越来越苛刻。但是，随着燃油中硫含量的降低，燃油润滑性能也随之下降，从而影响发动机的寿命。生物柴油是以动植物油脂为主要原料，经酯交换反应合成的一种环境友好型可再生燃料[2]。与化石柴油相比，生物柴油含硫量低且具有良好的润滑性，是石化柴油潜在的替代燃料。生物柴油的制备方法主要有碱催化[3]、酸催化[4]、生物酶催化[5]和超临界酯交换法。其中，酯交换法是当前工艺最为成熟、适合工业化生产的一种工艺。本文以大豆油[6]、菜籽油[7]、蓖麻油[8]与玉米油[9]为原料，通过碱催化酯化反应制备生物柴油，并进行润滑性能测试，对磨斑表面进行检验。通过比较，发现以菜籽油为原料合成的生物柴油具有较好的综合摩擦学性能。

1 实验部分

1.1 实验原料

市售大豆油（中粮食品营销有限公司）、菜籽油（益海嘉里食品营销有限公司）、蓖麻油（天津富宇精细化工有限公司）、玉米油（山东鲁花集团有限公司）；甲醇（分析纯）；KOH（分析纯）；无水硫酸钠（分析纯）；蒸馏水（自制）；0#柴油（中石油）。

1.2 生物柴油制备与表征

分别量取100mL不同的大豆油、菜籽油、蓖麻油与玉米油，置于250mL烧瓶中水浴加热到55℃～65℃，加入预先配制好的KOH甲醇溶液（KOH用量为油的1%），再加入20mL甲醇。搅拌反应55min后冷却分层，上层为黄色澄清溶液，下层为红褐色甘油成分，取上层清液洗涤至pH=7，再经蒸馏得到浅橙色澄清产品，即生物柴油。实验结束后用傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）对产物进行表征。

1.3 润滑性能测试

参照SH/T 0765-2005标准，在高频往复试验机上对合成的几种生物柴油的润滑性能进行评定（见图1）。试验条件：试验球GCr15，硬度HRC 60，粗糙度0.032 μm，直径6mm；试验片硬度HV30 190-210，粗糙度0.016μm，直径10mm，深 3mm。标准载荷 200g（1.96N），测试温度60℃，摩擦时间75min，相对湿度60%。每组试验重复三次，数据取平均值。试验结束后用基恩士3D激光显微镜对磨斑进行检验。

2 结果与讨论

2.1 FTIR表征

图2是不同植物油合成的生物柴油的FTIR光谱图。图中1740 cm-1为酯键上的C＝O伸缩振动峰，1165 cm-1为－C－O－C－的伸缩振动峰，3010cm-1是C＝C上的C－H伸缩振动引进的，2950cm-1与2930cm-1分别属于－CH3与－CH2－中的C－H不对称伸缩振动，2850cm-1则是C－H的对称伸缩振动引起的，1370cm-1是－CH3中的C—H特征的对称弯曲振动，在1450cm-1左右若干小弱峰则属于－CH3不对称弯曲振动及-CH2－的弯曲振动峰，716cm-1是 -（CH2）n－碳链引起的。上述红外峰归属的官能团与（不饱和）脂肪酸甲酯（生物柴油）的结构非常吻合，此外，图中所有产物的FTIR光谱图基本一致，表明产物结构类似，均为脂肪酸甲酯。

图1 高频往复试验机及摩擦副示意图

图2 不同植物油合成的生物柴油的FTIR谱图

2.2 润滑性能测试

表1显示的是不同样品的平均摩擦系数。从表1可以看出，合成的四种植物油甲酯生物柴油的摩擦系数均小于0#柴油，表明生物柴油的减摩性能优于矿物柴油。生物柴油主要成分为脂肪酸甲酯，其中的酯基不仅具有良好的润滑功能，还可以吸附在摩擦副表面，从而使生物柴油具有良好的减摩性能。表1还表明蓖麻油合成的生物柴油减摩性能最优，菜籽油甲酯生物柴油次之，大豆油生物柴油的减摩性能与菜籽油甲酯生物柴油接近，最差的是玉米油甲酯生物柴油。

表2显示的是不同样品润滑下的钢球磨斑的平均直径。从表2可以看出，0#柴油润滑下的钢球磨斑较大，而所有生物柴油润滑下的钢球均具有较小的磨斑，表明生物柴油比0#柴油的抗磨性能更优。表2还表明，四种生物柴油的抗磨性能存在一定区别，其中玉米油生物柴油磨斑最小，抗磨损性能最好，菜籽油生物柴油抗磨损性能与玉米油甲酯生物柴油性能接近，而大豆油生物柴油与蓖麻油生物柴油抗磨损性能相对较差。植物油合成的生物柴油的化学结构虽然类似，均是脂肪酸甲酯，但不同植物油的脂肪酸种类不同，从而使不同生物柴油表现出不同的减摩抗磨性能。图3是不同样品润滑下钢球磨斑的激光显微照片。从图3可以看出，所有样品润滑下的钢球表面均出现较为明显的犁沟，表明主要磨损方式均为磨料磨损。其中0#柴油润滑下的钢球表面犁沟最深，磨损最为严重。与0#柴油相比，所有生物柴油润滑下的摩擦表面的犁沟均相对较浅，表明磨损较浅。

表1 不同样品的平均摩擦系数

表2 不同样品润滑下的钢球磨斑的平均直径

3 结论

四种不同植物油合成的生物柴油的减摩抗磨性能均优于矿物柴油，其中蓖麻油生物柴油减摩性能最好，玉米油生物柴油的抗磨性能最优。但蓖麻油生物柴油的抗磨性能较差，玉米油生物柴油减摩性能差。综合比较，菜籽油生物柴油既具有较好的减摩性能，同时也有较好的抗磨性能，因而综合性能最优。

图3 不同样品润滑下的钢球摩擦表面的激光显微照片

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