电厂用涡轮机油复配消泡剂的制备及其性能评价

窦鹏,车美美

(江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

泡沫特性指标是运行涡轮机油的一项重要性能指标。泡沫超标，会使油箱内的泡沫过量累积，这对机组的安全运行构成危害。首先油中含气泡，会加速油的氧化劣化，在高压下气泡破裂会影响油的润滑特性；气泡进入油泵会引起油泵的气蚀；如果泡沫过多还可能影响油泵的正常工作，甚至发生泡沫从油箱顶部呼吸口溢出的情况。

目前，电厂处理的方法是向涡轮机油中添加消泡剂，常用的消泡剂种类有非硅类聚合物和有机硅类聚合物。非硅类消泡剂是指脂类聚合物或脂醚共聚物，在涡轮机油中应用最多的非硅类聚合物消泡剂是丙烯酸酯和烷基丙烯酸共聚物，它们在矿物油中的溶解性好，但是抑泡时间短，常常需要多次添加[1]。有机硅类消泡剂包括硅油和改性有机硅聚合物，如疏水气相二氧化硅具有高比面积，可以有效结合二甲基硅油，增强消泡剂消、抑泡性能，而且其疏水性能可以有效提高消泡剂乳液的稳定性[2-3]。聚醚改性硅氧烷类消泡剂是在聚硅氧烷分子上引入具有亲水效果的聚醚链段，有机硅聚醚链段共聚物中的聚醚链段可以提供亲水亲油性,而有机硅链段可在发泡液中提供降低表面活性的作用，具有一般的低挥发性和无毒特点外,还具有很多特殊优点,比如耐强碱、耐高温的特性[4]。有机硅类消泡剂由于不溶于涡轮机油，添加后需要很长时间进行分散才能起到消泡作用[5]。

由于上述两类消泡剂的优点及不足,单独使用不能满足涡轮机油性能要求，近年来复配型消泡剂迅速成为消泡剂研制领域的热点，其化学性能稳定、易溶于涡轮机油，且用量低、抑泡时间长，耐碱耐酸，耐高温，既有普通消泡剂相容性好的特点，又有有机硅类消泡剂消泡效果好的特点[6]。如聚醚改性硅氧烷本身即具有较好的消泡性能，但单独使用效率不高，因此可将聚醚改性硅氧烷与某些消泡剂进行复配，添加乳化剂、增稠剂等助剂，得到效率更高、性能稳定的复配消泡剂[7]。磷酸三丁酯(CH3CH2CH2CH2O)3PO是一种无色液体消泡剂，抑泡性能虽然很差，但破泡能力比较强。它具有极低的表面张力，能有效地使已形成泡沫的膜处于不稳定的状态而迅速消泡，通常与其他消泡剂进行复配，能起到很好的消泡作用[8]。

本文研制出一种适合于电厂涡轮机油使用的复配型消泡剂，该消泡剂由聚醚改性硅氧烷和磷酸三丁酯复配合成，能很好地与涡轮机油相容，性能稳定，可以快速解决汽轮机油泡沫超标问题，不会对油品理化性能产生不良影响，消泡速度快，抑泡时间长。

1 实验部分

1.1 复配消泡剂的制备工艺

以低含氢硅油(含氢量0.05%～0.3%，道康宁公司)和烯丙基聚醚(天津赛菲化学公司)为原料，在氯铂酸/异丙醇催化剂作用下进行硅氢加成反应得到聚醚改性硅氧烷，然后将其与磷酸三丁酯进行复配，添加乳化剂、增稠剂等助剂，得到效率更高、性能稳定的复配消泡剂，见图1。

图1 复配消泡剂的制备工艺

1.2 聚醚改性硅氧烷的制备

1.2.1 实验原理

Si-C型聚醚改性硅氧烷合成方法主要为硅氢加成法，其反应通式如下：

1.2.2 催化剂的配置

将1 g氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)加入49 g无水异丙醇中，在一定温度下充分搅拌使氯铂酸完全溶解，溶液颜色为桔黄色，质量浓度为2%。将配好的催化剂置于干燥器中保存备用。

1.2.3 加成反应

将一定量的低含氢硅油和烯丙基聚醚进行脱水处理至水含量在1%以下，加入到带温度计和电动搅拌器的250 mL四口烧瓶中进行加成反应，为避免目标产物聚醚改性有机硅氧烷纯度下降，需要通入氮气保护并在升温至60 ℃时加入一定量的氯铂酸/异丙醇催化剂，经一段诱导期后，为了使Si-H基充分转化，继续升温至70 ℃，随着反应的进行反应物逐渐变透明，即为反应终点，制备出了聚醚改性硅氧烷。

1.2.4 消泡剂的复配

按照质量百分比组成为10%～20%聚醚改性硅氧烷和70%～80%磷酸三丁酯，加入乳化剂司盘/吐温，加热至60～70 ℃时缓慢加入增稠剂，并搅拌30～60 min直至溶化、分散，降温并保持搅拌，直至室温，放置在干燥皿中10 h以上，即得到复配消泡剂。

1.2.5 复配消泡剂红外结构表征

聚醚的结构对改性硅油有较大的影响，环氧乙烷 EO 链段增加会提高水溶性，环氧丙烷 PO链段增加会提高聚醚硅油的疏水性，减小共聚物在水中的溶解度，降低溶点，能改善消泡性能[9]，但是溶解度大会有助泡作用，因此可选聚醚结构 EO/PO 为 0.5～2.0，见图2。

图2 复配消泡剂红外结构

图2可以看出，800 cm-1处的吸收峰是=C-H键面外弯曲振动引起，1024 cm-1处的吸收峰是Si-O-C 键，1261 cm-1处是 Si-CH3键，1390～1360 cm-1内的双峰，是C(CH3)2和-C(CH3)3基团，在 2800～3000 cm-1的范围内有3个吸收峰，是有机构成的吸收峰，即可推断已经通过化学嫁接方法使硅油与烯丙基聚醚结合[10]。

1.2.6 核磁共振氢谱分析(见图3)

图3 复配消泡剂的核磁共振氢谱

图3是复配消泡剂的核磁共振氢谱，δ= 0～0.085 处为有机硅上的甲基氢峰( Si-CH3) ；δ= 1.128～1.145 处为环氧丙烷PO上的甲基氢峰[-CH( CH3) CH2O-]；δ= 3.372～3.652 处的一系列峰为聚醚中环氧乙烷EO 氢峰( -CH2CH2O-) 及环氧丙烷PO 中的非甲基氢峰; 在δ= 4.85～5 附近没有Si-H键化学位移吸收峰，说明含氢硅油中Si-H键与聚醚中的C =C双键反应生成了Si-C键，且反应较为完全[11]。

2 聚醚改性硅氧烷的最佳制备工艺

2.1 消泡效果的测定

消泡剂既有消泡作用又有抑泡作用，消泡是将已产生的泡沫消除，抑泡是防止泡沫的产生，所以消泡效果的测定主要包括消泡性能与抑泡性能的测定。发泡液为质量分数0.5%的十二烷基苯磺酸钠溶液，采用气体鼓吹法测定消泡和抑泡性能，由于消泡时间较短，所以消泡效果的测定主要考虑其抑泡性能。

2.2 正交试验

在参考有关资料[12]及所做探索试验的基础上，以低含氢硅油和烯丙基聚醚为原料，选用正交表L9(3)3， 确定反应温度A (℃)，反应时间B (h)，反应物质量百分比C (低含氢硅油,烯丙基聚醚)为主要因素，进行正交试验，结果见表1。

表1 正交试验因素及结果

将正交试验结果的消泡效果进行极差分析(见表1)，可以看出反应物低含氢硅油和烯丙基聚醚质量百分比对消泡效果的影响最大，合成聚醚改性硅氧烷效果最好的条件是：质量百分比C为20%∶80%，反应温度为70～80 ℃，反应时间为5～6 h。

3 复配消泡剂性能的评定

3.1 复配消泡剂最佳添加量的确定

将制得的不同浓度的复配消泡剂经4000 r/min离心机分离60 min，未出现分层现象，加入到1 L运行涡轮机油中，观察油品的外观，并按照GB/T 12579-2002《润滑油泡沫测定法》检测涡轮机油的泡沫体积，见表2。

表2 不同浓度复配消泡剂的消泡能力

表2可见添加不同浓度复配消泡剂时，油品外观也会不同，这是因为聚合软单体与硬单体的配比不仅影响聚合产品外观，还会影响产品油溶性，进而影响其在油品中的分散和铺展性能，所以为得到抗泡效果好的消泡剂，选择合适的反应单体配比显得尤为重要。当复合消泡剂在涡轮机油中的添加量小于等于0.1%时，油中的溶解性较好，可维持油品的透明度，超过0.1%以后油品出现浑浊。该复配消泡剂的最佳添加量在0.04%～0.1%时，消泡性能最好。

3.2 消泡能力

将某电厂涡轮机油升温至40 ℃，按照质量百分比称取0.1%的复配消泡剂加入到油中，搅拌30 min 后，按照GB/T 7596-2017《电厂运行中矿物涡轮机油质量》检测未添加消泡剂的涡轮机油样品和添加了消泡剂的涡轮机油样品的理化指标，见表3。

表3 未添加消泡剂和添加消泡剂后涡轮机油理化指标

由表3可见，添加复配消泡剂后，涡轮机油已经不起泡沫，消泡能力显著，且并未影响到涡轮机油其他理化指标，使用效果显著。

3.3 抑泡能力

消泡剂能否持续抑泡是非常重要的性能，直接关系到油品的储存期和添加消泡剂后的持续消泡性能。考察复配消泡剂的消泡稳定性结果见表4。

表4 复配消泡剂的抑泡能力

表4可见，添加复配消泡剂后，涡轮机油长时间不起泡，说明该复配消泡剂起到了显著的长时间抑泡作用，消泡稳定性很好，持久性也好。

3.4 复配消泡剂与市售抗泡剂性能比较

将制得的复配消泡剂与2种市售的消泡剂做比较，加入相同数量，比较其在24 ℃的消泡能力。起泡液为质量分数0.5%的十二烷基苯磺酸钠溶液，消泡剂用量均为0.1%， 试验温度24 ℃，见表5。

表5 复配消泡剂与市售消泡剂的性能比较

从表5中可以看到，在24 ℃条件下，研制的复配消泡剂比市售的2种消泡剂的消泡时间短，抑泡能力更好，符合石油产品添加剂的使用条件。

4 结论

(1)合成聚醚改性硅氧烷效果最好的条件是：质量百分比C为20%∶80%，反应温度为70～80 ℃，反应时间为5～6 h。低含氢硅油和烯丙基聚醚质量百分比对合成聚醚改性硅氧烷的影响最大。

(2)研制的复合消泡剂在涡轮机油中的添加量小于等于0.1%时，油中的溶解性较好，可维持油品的透明度，超过0.1%以后油品出现浑浊。该复配消泡剂的最佳添加量在0.04%～0.1%时，消泡性能最好。

(3)研制的复合消泡剂消泡速度快，抑泡时间长，添加复配消泡剂后，可以快速解决涡轮机油泡沫超标问题，不会对油品理化性能产生不良影响。