真空泵润滑油分子结构研究

于宏伟，孟露，孔昊，吴子腾，李佳欣

(石家庄学院化工学院，河北 石家庄 050035)

0 引言

真空泵润滑油(以下简称真空泵油)是各类真空泵专用的润滑油，在真空泵内担负着降低摩擦、减少磨损、冷却、防锈、密封作用等。性能优良的真空泵油必须有适宜的黏度、低的饱和蒸气压、优良的油水分离性、优良的热安定性和氧化安定性。近年来，随着真空技术的快速发展，真空泵向高速高效、低噪音、小型化方向发展，因此对于相应配套的真空泵油提出了更高的要求[1-3]。中红外(MIR)光谱具有方便快捷，灵敏度高的优点，广泛应用于有机物的结构研究领域[4-14]，而真空泵油的相关结构研究少见报道。因此，本文以常见的旋片式真空泵专用泵油为研究对象(以石蜡油为对比)，分别开展了真空泵油及石蜡油分子的三级 MIR 光谱(包括：一维 MIR 光谱、二阶导数 MIR 光谱、同步二维 MIR 光谱)研究，为我国真空泵油的生产研发及应用提供了有意义的科学借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

真空泵油(2XZ-4 型旋片式真空泵专用泵油，中国浙江省临海市谭氏真空设备有限公司生产)；石蜡油(天津市医药公司，化学纯)。

1.2 仪器与设备

Spectrum 100 型中红外光谱仪(美国 PE 公司)；Golden Gate 型 ATR-MIR 附件(英国Specac 公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 红外光谱仪操作条件

以空气为背景，30 ℃的温度条件下，每次试验对于真空泵油及石蜡油分子的光谱信号进行 8 次扫描累加，测定频率范围600～4000 cm-1。

1.3.2 MIR 光谱数据获得及处理

真空泵油及石蜡油分子的一维及二阶导数 MIR 光谱数据采用美国 PE 公司 Spectrum V 6.3.5 操作软件。真空泵油及石蜡油分子同步二维 MIR 光谱数据采用清华大学 TD Versin 4.2软件。

2 结果与分析

2.1 真空泵油及石蜡油分子的一维 MIR 光谱研究

首先采用一维 MIR 光谱开展了真空泵油分子结构的研究(见图 1a)。根据文献报道[15-16]，2952.10 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子的 CH3不对称伸缩振动模式(νasCH3-真空泵油-一维)；2921.29 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子的 CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2-真空泵油-一维)；2852.75 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子的CH2对称伸缩振动模式(νsCH2-真空泵油-一维)；1458.31 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子的 CH3不对称变角振动模式(δasCH3-真空泵油-一维)；1376.82 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子 CH3对称变角振动模式(δsCH3-真空泵油-一维)；721.57 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子 CH2面内摇摆振动模式(ρCH2-真空泵油-一维)。进一步开展了石蜡油分子一维 MIR 光谱的研究(图 1b)，相关光谱数据见表 1。

图1 一维 MIR 光谱(30 ℃)

2.2 真空泵油及石蜡油分子的二阶导数 MIR 光谱研究

采用二阶导数 MIR 光谱进一步开展了真空泵油分子结构的研究，其谱图分辨能力有了一定的提高(图 2a)。其中 2954.84 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子νasCH3-真空泵油-二阶导数；2922.06 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子νasCH2-真空泵油-二阶导数；2871.19 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子CH3对称伸缩振动模式(νsCH3-真空泵油-二阶导数)；2852.26 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子νsCH2-真空泵油-二阶导数；1465.62 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子 CH2变角振动模式(δCH2-真空泵油-二阶导数)；1377.08 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子δsCH3-真空泵油-二阶导数；721.20 cm-1处的吸收峰归属于真空泵油分子ρCH2-真空泵油-二阶导数。进一步开展了石蜡油分子的二阶导数 MIR 光谱研究(图 2b)，相关光谱数据见表1。

图2 二阶导数 MIR 光谱(30 ℃)

通过研究真空泵油和石蜡油分子的一维 MIR 光谱和二阶导数 MIR 光谱(表 1)发现，真空泵油和石蜡油分子的化学结构基本相同，均为长碳链烷基，而采用一维 MIR 光谱和二阶导数 MIR 光谱不能有效地区分真空泵油和石蜡油分子结构的差异性。

表1 真空泵油与石蜡油分子一维及二阶导数 MIR 光谱数据(30 ℃)

2.3 真空泵油及石蜡油分子的同步二维 MIR 光谱研究

真空泵油及石蜡油分子主要官能团分别集中在“3000～3100 cm-1”、“2910～2970 cm-1”、“2820～2890 cm-1”、“1700～1770 cm-1”、“1570～1620 cm-1”、“1440～1480 cm-1”、“1350～1390 cm-1”和“700～750 cm-1”等 8 个频率区间。并且同步二维 MIR 光谱的谱图分辨能力要优于相应的一维 MIR 光谱及二阶导数 MIR 光谱，因此在这 8 个频率区间，采用同步二维 MIR 光谱，进一步开展了真空泵油及石蜡油分子结构差异性研究。

2.3.1 第一频率区间真空泵油及石蜡油分子的同步二维 MIR 光谱研究

在第一频率区间首先开展了真空泵油及石蜡油分子的同步二维 MIR 光谱研究(图 3)。

图3 同步二维MIR光谱(3000～3100 cm-1)

真空泵油分子在(3011 cm-1，3011 cm-1)、(3018 cm-1，3018 cm-1)、(3048 cm-1，3048 cm-1)和(3086 cm-1，3086 cm-1)频率处发现 4 个相对强度较大的自动峰(图3a)，归属于真空泵油分子中含有的芳基化合物的C-H伸缩振动模式(νC-H-芳基-真空泵油-二维)。而其中(3011 cm-1，3011 cm-1)对应的相对强度最大，则进一步证明该官能团对于温度变化比较敏感。试验在(3011 cm-1，3048 cm-1)、(3011 cm-1，3086 cm-1)、(3018 cm-1，3048 cm-1)、(3018 cm-1，3086 cm-1)和(3048 cm-1，3086 cm-1)频率处发现5个相对强度较大的交叉峰，则进一步证明真空泵油分子νC-H-芳基-真空泵油-二维对应的官能团之间存在着较强的分子内相互作用。进一步开展了石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图3b)，其光谱信息比较简单，仅在(3018 cm-1，3018 cm-1)频率处发现1个相对强度较大的自动峰(νC-H-芳基-石蜡油-二维)。研究发现：真空泵油分子中芳基化合物的种类及含量要多于石蜡油分子。

2.3.2 第二频率区间真空泵油及石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究

在第二频率区间进一步开展了真空泵油及石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图 4)。

图4 同步二维MIR光谱(2910～2970 cm-1)

真空泵油分子在(2920 cm-1，2920 cm-1)和(2953 cm-1，2953 cm-1)频率处发现2个相对强度较大的自动峰，分别归属于真空泵油分子νasCH2-真空泵油-二维和νasCH3-真空泵油-二维(图4a)。而其中真空泵油分子νasCH2-真空泵油-二维对应的相对强度最大。真空泵油分子在(2920 cm-1，2953 cm-1)频率处发现1个相对强度较大的交叉峰。进一步开展了石蜡油分子的同步二维 MIR 光谱研究(图4b)，则得到了同样的光谱信息。

2.3.3 第三频率区间真空泵油及石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究

在第三频率区间进一步开展了真空泵油及石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图 5)。

图5 同步二维MIR光谱(2820～2890 cm-1)

真空泵油分子在(2852 cm-1，2852 cm-1)和(2878 cm-1，2878 cm-1)频率处发现2个相对强度较大的自动峰，分别归属于真空泵油分子νsCH2-真空泵油-二维和νsCH3-真空泵油-二维，而其中真空泵油分子νsCH2-真空泵油-二维对应的相对强度最大(图5a)。进一步开展了石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图5b)，则得到了同样的光谱信息。

2.3.4 第四频率区间真空泵油及石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究

在第四频率区间进一步开展了真空泵油及石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图6)。

图6 同步二维MIR光谱(1700～1770 cm-1)

真空泵油分子在 1700～1770 cm-1频率范围，并没有发现有价值的光谱信息(图6a)。进一步开展了石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图6b)，分别在(1715 cm-1，1715 cm-1)和(1760 cm-1，1760 cm-1)频率处发现2个相对强度较大的自动峰，前者归属于酮C=O伸缩振动模式(νC=O-1-石蜡油-二维)，后者归属于游离羧酸C=O伸缩振动模式(νC=O-2-石蜡油-二维)。试验发现：与真空泵油分子相比，石蜡油分子中含有少量羰基化合物。

2.3.5 第五频率区间真空泵油及石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究

在第五频率区间进一步开展了真空泵油及石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图7)。

图7 同步二维MIR光谱(1570～1620 cm-1)

真空泵油分子在(1580 cm-1，1580 cm-1)和(1607 cm-1，1607 cm-1)频率处发现2个相对强度较大的自动峰(图7a)，分别归属于真空泵油分子中含有的芳基化合物的C=C伸缩振动模式(νC=C-真空泵油-二维)。进一步开展了石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图7b)，并没有得到有价值的光谱信息。

2.3.6 第六频率区间真空泵油及石蜡油分子的二维MIR光谱研究

在第六频率区间进一步开展了真空泵油及石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图8)。

图8 同步二维MIR光谱(1440～1480 cm-1)

真空泵油分子在(1458 cm-1，1458 cm-1)和(1464 cm-1，1464 cm-1)频率处发现2个相对强度较大的自动峰，分别归属于真空泵油分子δasCH3-真空泵油-二维和δCH2-真空泵油-二维，而在(1458 cm-1，1464 cm-1)频率附近发现1个相对强度较大的交叉峰(图8a)。研究发现：真空泵油分子δasCH3-真空泵油-二维和δCH2-真空泵油-二维同步二维MIR光谱的谱图分辨能力要优于相应的一维MIR光谱及二阶导数MIR光谱。进一步开展了石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图8b)，仅在(1458 cm-1，1458 cm-1)频率处发现1个相对强度较大的自动峰，归属于石蜡油分子δasCH3-石蜡油-二维。

2.3.7 第七频率区间真空泵油及石蜡油分子的二维MIR光谱研究

在第七频率区间进一步开展了真空泵油及石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图9)。

图9 同步二维MIR光谱(1350～1390 cm-1)

真空泵油分子在(1376 cm-1，1376 cm-1)频率处发现1个相对强度较大的自动峰，归属于真空泵油分子δsCH3-真空泵油-二维(图9a)。进一步开展了石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图9b)，则得到了同样的光谱信息。

2.3.8 第八频率区间真空泵油及石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究

在第八频率区间最后开展了真空泵油及石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图10)。

图10 同步二维MIR光谱(700～750 cm-1)

真空泵油分子在(722 cm-1，722 cm-1)频率处发现1个相对强度较大的自动峰，归属于真空泵油分子ρCH2-真空泵油-二维(图10a)。进一步开展了石蜡油分子的同步二维MIR光谱研究(图10b)，则得到了同样的光谱信息。

根据表2数据，真空泵油与石蜡油分子同步二维MIR光谱存在着一定的差异性。研究发现：真空泵油分子中的芳基化合物的种类及含量要多于石蜡油分子，而石蜡油分子中羰基化合物的种类及数量要多于真空泵油分子。

表2 真空泵油与石蜡油分子同步二维MIR光谱数据

3 结论

真空泵油分子的红外吸收模式主要包括：νasCH3、νsCH3、νasCH2、νsCH2、δCH2、δasCH3、δsCH3和ρCH2。研究发现：真空泵油及石蜡油的分子结构基本相同，均为碳氢类化合物。真空泵油分子中的芳基化合物的种类及含量要多于石蜡油分子，而石蜡油分子中羰基化合物的种类及含量要多于真空泵油分子。