润滑油抗氧化性能检测方法研究

吴　楠，费逸伟，姚　婷，宗志敏

(1 中国矿业大学化工学院，江苏　徐州　221116；2 空军勤务学院航空油料物资系，江苏　徐州　221000)



润滑油抗氧化性能检测方法研究

吴楠1,2，费逸伟2，姚婷2，宗志敏1

(1 中国矿业大学化工学院，江苏徐州221116；2 空军勤务学院航空油料物资系，江苏徐州221000)

润滑油抗氧化性能的好坏直接影响润滑油的使用性能，是润滑油品质高低的重要指标。本文通过分析探讨润滑油抗氧化性能的现代检测方法，利用红外光谱法和高压差示扫描量热法分析润滑油的组成和结构、润滑油中的抗氧剂含量、分析评定润滑油的氧化安定性，研究探讨将红外光谱法和高压差示扫描量热法用于润滑油抗氧化性能检测的特点和关联性。

润滑油；抗氧化性；检测方法

航空润滑油工作温度较高，在发动机运转过程中，油箱润滑油温度可达160 ℃，摩擦副间润滑油的温度会更高。在如此高温环境下，润滑油与空气接触，在铜、铁等金属的催化作用下，到一定程度会发生氧化衰变，导致润滑油黏度增加，酸值升高[1]，甚至会发生沉积物或积炭[2-4]，最终导致润滑油失效，影响飞机发动机工作，严重时会导致抱轴等灾难性故障。因此，抗氧化性能的好坏直接影响润滑油的使用性能，决定着换油周期的长短，是润滑油品质高低的重要指标。

润滑油氧化安定性的评价方法多种多样，针对润滑油抗氧化性能的不同方面，可以采用不同的测量方法，如表1所示。

表1　润滑油的抗氧化性能检测方法

这些检测方法虽然检测指标不同，且存在一定适应性，但相互之间又存在相关性和一致性。

本文比较分析了应用红外光谱法和高压差示扫描量热法测量润滑油抗氧化性能的优缺点，研究探讨了两种检测方法的特点和相关性。

1　红外光谱法在润滑油氧化安定性研究中的应用

红外光谱法(简称IR)是由分子振动能级的跃迁而产生，是一种分子吸收光谱，作为一种近代仪器分析方法，已经广泛用于分子结构的基础研究和化学组成的研究。红外光谱法应用面广，既可以鉴定未知物的分子结构或确定其化学基团，又可以进行定量分析和纯度鉴定；而且检测过程不受样品相态的限制，无论是固态、液态还是气态样品都能直接测定；不仅如此，红外光谱法样品用量少，分析速度快，操作方便。因此，在润滑油氧化安定性的研究中可以通过红外光谱法测定润滑油的组成以及润滑油中抗氧化剂的含量来分析油品的抗氧化性能。

1.1分析润滑油的组成和结构

李春秀等[5]用红外光谱技术分析国内外PAO的组成和结构，通过测定PAO中残留烯烃的类型和相对含量，进而评定PAO的热稳定性、热氧化安定性及产品的颜色等性能的好坏。

PAO是一种宽馏分的混合物，主要以癸烯为原料，通过石蜡裂解法和乙烯齐聚法制得，图1是两种方法制得的PAO的结构示意图。

图1　PAO结构示意图

图1中，左图是由乙烯齐聚法制得的聚α-烯烃，右图是由石蜡裂解法制得的聚α-烯烃，由图可见，正是因为聚α-烯烃生产工艺不同，原料组成不同，因此制备工艺不同，因此PAO产品的分子结构和残余物的类型也会存在一定差异。

双键在端基的烯烃(即α-烯烃)的C=C伸缩振动特征峰在1640 cm-1附近，随着烯烃碳链上取代基数目增多，C=C伸缩振动特征峰逐渐移向高频(高于1690 cm-1)。如果在PAO的红外光谱数据中，在1151 cm-1附近出现变形振动吸收峰，说明PAO的碳链中存在甲基，同时亚甲基的特征弯曲振动吸收峰(δ-CH2-=721 cm-1)数量减少。

根据朗伯-比耳定律，当液槽厚度一定时，样品中的组分浓度越大，其特征吸收峰的峰面积的吸收值越大，因此可以通过比较峰面积吸收值的大小来判断样品中组分含量的高低。

由此根据红外光谱法的数据分析，既可以区分不同生产工艺生产的PAO，也可以区分国产PAO和进口PAO。

1.2分析润滑油中的抗氧剂含量

龙芬[6]用红外光谱测定法快速测定了润滑油中抗氧剂的含量，分别对酚型T511、胺型T534和酚酯型L135三种抗氧剂特征吸收峰进行分析，确定了三种抗氧剂分析峰的位置，建立了三种抗氧剂的线性回归方程。通过实验研究发现：T511的特征定量分析谱带为-OH的伸缩振动吸收峰(3648 cm-1处)，该羟基吸收峰对浓度的变化最为敏感，而其它添加剂对其干扰较少(见图2)；T534的特征定量分析谱带为N-H的伸缩振动吸收峰(1600 cm-1处)，该N-H吸收峰对浓度的变化比较敏感(见图3)；L135的特征定量分析谱带为-OH的伸缩振动吸收峰(3650 cm-1处)，虽然在1741 cm-1位置会同时出现较强的羰基吸收峰，但在润滑油中添加剂种类较多，因此该处的羰基吸收峰容易受到干扰，如果没有其它含羰基物质的干扰，也可以选择1740 cm-1作为定量分析峰(见图4)。

图2　T501和T511加入基础油中的FTIR图

图3　T534及其加入基础油中的FTIR

图4　L135及其加入基础油中的FTIR

2　高压差示扫描量热法在润滑油氧化安定性研究中的应用

高压差示扫描量热法(PDSC)是以润滑油氧化反应的热流量作为检测氧化反应进程的指标，把检测到热流时的起始时间或温度作为油品的氧化诱导期或起始氧化温度[7]。该方法样品需要量少，分析快速、准确、结果重现性好，能够有效的分析评价不同润滑油的氧化安定性和抗氧剂性能的好坏，已经广泛应用于工业生产和科学研究。

2.1评定润滑油基础油的氧化安定性

向晖等[8]用高压差示扫描量热法研究了煤转化的基础油(CTL)和Ⅲ类油以及Ⅳ类油(PAO)的氧化安定性，通过研究发现CTL基础油和Ⅲ类油的抗氧化性能接近，Ⅳ类油的抗氧化性稍好(不同基础油的程序升温法PDSC曲线如图5所示)。

图5　不同基础油的程序升温法PDSC

高压差示扫描量热仪通过程序控温，在氧气存在的条件下，使待测润滑油发生氧化反应，根据测得的起始氧化温度和氧化诱导期来判断待测油品的抗氧化性能，起始氧化温度越高和氧化诱导期越长，说明待测油品的氧化安定性越好。从图5可以看出，Ⅳ类油(PAO)的氧化诱导时间最长，CTL基础油次之，Ⅲ类油最短，但三者相差不大。可能是因为PAO是由规则的长链烷烃组成，氧化稳定性较好；Ⅲ类油采用加氢异构工艺，产品中除了含有饱和烃以外，还有多种芳烃和少量的氮、硫等杂质，因此氧化安定性略差；CTL基础油是由多种内烯烃的聚合物组成，除了直链饱和烃外，还有环烷烃，因此其氧化安定性最差。

2.2评定润滑油基础油对抗氧剂的感受性

向晖等[8]在Ⅲ类润滑油、Ⅳ类润滑油(PAO)和煤转化的基础油(CTL)中加入等量胺型抗氧剂AO，通过PDSC法考察不同基础油对抗氧剂的感受性, 研究发现3种基础油在添加胺型抗氧剂后，氧化诱导时间大大延长，其中PAO对胺型抗氧剂的感受性最好。

3　结　论

红外光谱法和高压差示扫描量热法可以较好的评定润滑油的氧化安定性，且与旋转氧弹法、介电常数法等传统方法之间存在一定的相关性和一致性，侧重点不同，各有优缺点。

红外光谱法操作过程简单，检测结果准确度高，重现性好，但只能对已发生氧化反应的油品进行检测，很难对油品的整个使用过程进行实时监控，不易实现油品控制信息化。因此可以考虑将红外光谱法与其他检测方法联用，如与热重分析法、质谱分析法等结合，配合分析润滑油的抗氧化性能。

PDSC能够直接反映油品的抗氧化能力，样品使用量少，但检测过程复杂，操作技术难度大，仪器设备维护保养成本高。因此该方法目前也只适用于实验室中润滑油品的抗氧化性能检测。

[1]Karis T E, Miller J L, Hunziker H E. Oxidation of chemistry of a pentaerythritoltetraesteroil[J]. Tribology Transactions, 1999, 42(3): 431-442.

[2]Ingold K U, Puddington I E. The influence of alkali on the oxidation of lubricating oils[J]. J Ind Petroleum, 1958, 44: 168-177.

[3]Jayaprkash K C. Oxidation stability of steam turbine oil and Iaboratory methods of evaluation[J]. Lubircation Engineering, 1984, 40(2): 89-95.

[4]Wilson A C M. Problem encountered with turbine lubricants and associated systems[J]. Lubrication Engineering, 1976, 32(2): 59-65.

[4]李春秀,韦夏. 红外光谱分析PAO的组成和结构[J]. 合成润滑材料, 2009, 36(3):10-13.

[5]龙芬.红外光谱测定润滑油中多种类型抗氧剂含量的应用[J].化学工程与装备,2010(8): 190-196.

[6]郭青鹏,费逸伟,姚婷,等. 高压差示扫描量热法在润滑油热氧化研究中的应用[J].合成润滑材料,2014, 41(3): 28-31.

[7]向晖,陈国需. PDSC法研究煤转化基础油的氧化安定性[J].润滑与密封,2008, 33(4):89-91.

Research on Test Technology of Anti-oxidation Property of Lubrication Oil

WUNan1,2，FEIYi-wei2,YAOTing2,ZONGZhi-min1

(1 School of Chemical Engineering & Technology, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116; 2 Department of Aviation oil and material,Air Force Logistics Institute, Jiangsu Xuzhou 221000, China)

The modern test technology was researched, the composition and structure characters were analyzed, contents of antioxidants and oxidative stability of lubrication oil was studied using IR and PDSC.

lubrication oil; oxidation resistance; test technology

吴楠(1980-), 副教授, 研究方向为油料应用。

宗志敏，教授，研究方向为重质碳资源的高效利用和药用植物中生物活性成分的分离与分析。

TE821

B

1001-9677(2016)02-0107-03