基礎(chǔ)油與潤滑脂性能的關(guān)聯(lián)性研究

劉妍,宮衛(wèi)華,雍新民,鄧雪峰,李玉靚

(1.中國石油克拉瑪依潤滑油廠,新疆克拉瑪依 834003;2.新疆克拉瑪依飛豹特種油品有限公司,新疆克拉瑪依 834000)

基礎(chǔ)油與潤滑脂性能的關(guān)聯(lián)性研究

劉妍1,宮衛(wèi)華1,雍新民1,鄧雪峰2,李玉靚2

(1.中國石油克拉瑪依潤滑油廠,新疆克拉瑪依 834003;2.新疆克拉瑪依飛豹特種油品有限公司,新疆克拉瑪依 834000)

選擇不同類型、不同精制深度基礎(chǔ)油作為潤滑脂生產(chǎn)原料,通過潤滑脂的制作實(shí)驗(yàn)和潤滑脂性能測定考察基礎(chǔ)油理化性能和潤滑脂性能的關(guān)聯(lián)性。通過改變潤滑油基礎(chǔ)油的性能來達(dá)到改善潤滑脂膠體性能的目的,為潤滑脂的生產(chǎn)研究提供數(shù)據(jù)支持。

基礎(chǔ)油;潤滑脂;性能

Abstract:The relationsh ip betw een base o ils′physicochem ical properties and grease p roperties w as studied through the p reparation and perfo r m ance evaluat ion of the grease w hich m anufacture m aterials w ere different types and refining depth base oils.Consequently,the grease colloid perform ance w as imp roved by changing lubricant base o ilproperties.It p rovides data support for grease production and research.

Key words:base oil;grease;perform ance

0 前言

中國潤滑脂產(chǎn)量由 1985年 7.8萬 t增長到2006年 27.43萬 t,20年增加了 3.5倍,躍居世界潤滑脂生產(chǎn)大國行列。美國潤滑脂協(xié)會 (NLGI)發(fā)布的 2006潤滑脂產(chǎn)量調(diào)查統(tǒng)計(jì)報(bào)告指出,世界潤滑脂產(chǎn)量為 96萬 t。我國潤滑脂的產(chǎn)量大致占世界的1/4。預(yù)計(jì) 2010年國內(nèi)潤滑脂需求量將達(dá)到 30萬 t。

潤滑脂是將一種 (或幾種)稠化劑分散到一種(或幾種)液體潤滑油基礎(chǔ)油中而形成的一種固體到半固體的產(chǎn)物。在潤滑脂中,基礎(chǔ)油的含量約占70%～95%,所占比例最大,它對潤滑脂的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、粘溫特性、稠化能力、制脂工藝過程及原材料成本都有很重要的影響。

實(shí)驗(yàn)室采用 9種環(huán)烷基基礎(chǔ)油和石蠟基基礎(chǔ)油及其調(diào)合配制的樣品,分別考察基礎(chǔ)油對潤滑脂特性的影響及基礎(chǔ)油與硬脂酸溶解溫度試驗(yàn),從而找出相同粘度、不同粘度指數(shù)潤滑油基礎(chǔ)油與潤滑脂性能的相關(guān)性。

1 潤滑脂實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康漠a(chǎn)品的選擇

我國潤滑脂市場是一個(gè)典型的一枝獨(dú)秀的市場,鋰基脂是目前的主流產(chǎn)品,約占 83%,其他為鈣基脂、鈉基脂等。鋰基脂是由硬脂酸或 12-羥基硬脂酸與氫氧化鋰反應(yīng)制得鋰皂,由鋰皂稠化基礎(chǔ)油制成。符合 GB 7324-94的3#通用鋰基脂標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 3#通用鋰基潤滑脂技術(shù)要求

續(xù)表

選擇 3#鋰基脂作為目的產(chǎn)品有以下原因:

(1)12-羥基硬脂酸稠化的潤滑脂,只有兩個(gè)相變溫度,第一相變溫度 (即從偽凝膠態(tài)到凝膠態(tài))一般在 170℃以上,第二相變溫度(即從凝膠態(tài)到溶膠態(tài))一般在 200℃以上,因此鋰基潤滑脂的滴點(diǎn)較高,一般在 180℃以上。

(2)12-羥基硬脂酸稠化脂的皂纖維形成雙股的,纏結(jié)在一起成紐帶狀,因此具有良好的機(jī)械安定性。

(3)12-羥基硬脂酸鋰和硬脂酸鋰對皂纖維表面液相的結(jié)合強(qiáng)度以及對晶格內(nèi)液相結(jié)合強(qiáng)度都是較大的,因此鋰基潤滑脂具有較好的膠體安定性。

(4)堿金屬中的鋰對水的溶解度較小,因此,鋰基潤滑脂具有較好的抗水性。

(5)12-羥基硬脂酸鋰皂對礦物油或合成油的稠化能力都比較強(qiáng),因此鋰基潤滑脂與鈣基、鈉基潤滑脂相比,稠化劑用量可以降低 1/3,壽命延長一倍至數(shù)倍。

(6)12-羥基硬脂酸稠化脂具有較小的摩擦系數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

結(jié)構(gòu)改善劑:水。作用機(jī)理:由于含有極性基因,能吸附在皂分子極性端間,使皂纖維中的皂分子排列距離相應(yīng)增大,使基礎(chǔ)油膨化到皂纖維內(nèi)的量增大。此外,皂纖維內(nèi)外表面增大,皂油間的吸附也就增大。因此,在結(jié)構(gòu)改善劑存在時(shí),可使皂和基礎(chǔ)油形成穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)。

抗氧化添加劑:二苯胺。作用機(jī)理:打斷氧化反應(yīng)之鏈鎖反應(yīng)的反應(yīng)鏈,從而終止氧化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。皂基潤滑脂中的金屬對氧化有催化作用,能加速潤滑脂的氧化。

皂:12-羥基硬脂酸、硬脂酸、氫氧化鋰。

潤滑油基礎(chǔ)油:試驗(yàn)所采用的基礎(chǔ)油為:淺精制環(huán)烷基油A——遼河潤滑油廠生產(chǎn),深精制環(huán)烷基油B——克拉瑪依潤滑油廠生產(chǎn),石蠟基油 C——克拉瑪依潤滑油廠生產(chǎn),D-1、D-2和 D-3為 A與C兩組分基礎(chǔ)油調(diào)合產(chǎn)品,E-1、E-2和 E-3為B與 C兩組分基礎(chǔ)油調(diào)合產(chǎn)品,基礎(chǔ)油調(diào)合方案見表 2。基礎(chǔ)油理化性質(zhì)分析結(jié)果見表 3。

表2 基礎(chǔ)油調(diào)合方案

表3 基礎(chǔ)油理化性質(zhì)分析結(jié)果

續(xù)表

2 潤滑脂制作試驗(yàn)

以不同精制深度、不同粘度指數(shù)潤滑油為基礎(chǔ)油,以 12-羥基硬脂酸鋰皂為稠化劑,采用實(shí)驗(yàn)室小釜反應(yīng)器制備出相同反應(yīng)條件不同稠度的 18種潤滑脂,進(jìn)行潤滑油基礎(chǔ)油性能與潤滑脂性能的相關(guān)性研究。

2.1 試驗(yàn)原材料參數(shù)

12-羥基硬脂酸酸值:185.88 mgKOH/g;硬脂酸分子量:205.99;

2.2 實(shí)驗(yàn)室小釜制備潤滑脂工藝流程

實(shí)驗(yàn)室小釜生產(chǎn)潤滑脂工藝流程見圖 1。

圖1 實(shí)驗(yàn)室潤滑脂生產(chǎn)工藝流程

3#通用鋰基脂工藝流程概述:

①將基礎(chǔ)油 700 L、12-羥基硬脂酸 125 kg、硬脂酸 33 kg、氫氧化鋰 23.6 kg、水 4 kg、二苯胺 2 kg加入皂化釜升溫反應(yīng);壓力到 0.35 MPa時(shí)停止加熱。當(dāng)壓力達(dá)到 0.4 MPa時(shí),溫度為 150～160℃時(shí),開始皂化反應(yīng),時(shí)間是 1 h。

②皂化反應(yīng)完成后,卸壓排氣,加入減三線基礎(chǔ)油 300 L和二苯胺 3.5 kg,快速升溫?cái)嚢璧?210℃,將皂化釜中物料轉(zhuǎn)入成脂釜中。

③預(yù)先將基礎(chǔ)油 500 L轉(zhuǎn)入成脂釜中,當(dāng)皂化釜中物料轉(zhuǎn)入成脂釜后,開始急冷攪拌,急冷后溫度應(yīng)為 150～160℃;最后補(bǔ)加基礎(chǔ)油 280 L溫度應(yīng)達(dá)到 120～130℃。

④按照需要加入染料。

⑤開始剪切,剪切時(shí)間 1.5 h,壓力 0.5～0.8 MPa。

⑥剪切完畢后過一次均質(zhì)機(jī),壓力 19～22 MPa。

⑦均質(zhì)后進(jìn)脫氣罐脫氣。

⑧成品出料時(shí)溫度為 90～110℃。

2.3 潤滑脂質(zhì)量檢測項(xiàng)目

采用不同類型、不同粘度指數(shù)基礎(chǔ)油制作出的潤滑脂進(jìn)行相應(yīng)的性能檢測,以考察基礎(chǔ)油與潤滑脂性能之間的關(guān)聯(lián)性。實(shí)驗(yàn)室檢測項(xiàng)目如下:

①滴點(diǎn):指在規(guī)定的條件下加熱,達(dá)到一定流動(dòng)性時(shí)的溫度。它大體上可以決定潤滑脂的使用溫度(滴點(diǎn)比使用溫度高 15～30℃)。

②錐入度:指在規(guī)定的溫度和負(fù)荷下試驗(yàn)錐體在 5 s內(nèi)自由垂直刺入油脂中的深度 (單位為 1/10 mm)。它是潤滑脂稠度和軟硬程度的衡量指標(biāo)。

③膠體安定性(析油性):指在外力作用下潤滑脂能在其稠化劑的骨架中保存油的能力,用分油量來判定。當(dāng)潤滑脂的析油量在 5%～20%時(shí),此潤滑脂基本上不能使用。

④機(jī)械安定性:指在機(jī)械工作條件下抵抗稠度變化的能力。機(jī)械安定性差,易造成潤滑脂的稠度下降。

⑤蒸發(fā)損失:指在規(guī)定條件下,其損失量所占總量的百分?jǐn)?shù)。它是影響潤滑脂使用壽命的一項(xiàng)重要因素。

3 試驗(yàn)結(jié)論

3.1 相似錐入度時(shí)皂用量的比較

在潤滑脂的生產(chǎn)配方中,基礎(chǔ)油的選擇不僅與產(chǎn)品特性有關(guān),而且與生產(chǎn)成本的控制密切相關(guān)。生產(chǎn)成本最重要的是考慮達(dá)到某一脂級別所需皂量的多少?；A(chǔ)油的溶解性能直接影響潤滑脂的皂含量。因此我們進(jìn)行試驗(yàn)以確定環(huán)烷基油和石蠟基油之間所需皂含量的區(qū)別。

相似錐入度時(shí),不同類型油品所需皂量對比見表4和圖2。

表 4 相似錐入度不同類型油品消耗的皂含量

圖 2 潤滑脂使用不同基礎(chǔ)油制成時(shí)所需皂含量

由表 4中對比數(shù)據(jù)可以看出:相似錐入度的潤滑脂,同粘度不同類型潤滑油基礎(chǔ)油需要皂含量由多到少為:C(石蠟基油)＞B(深度精制)＞A(淺度精制)。把苯胺點(diǎn)最低的環(huán)烷基油A和石蠟基油C相比較,溶解能力較高的環(huán)烷基油可節(jié)省皂消耗量多達(dá) 25%。

3.2 相同皂含量時(shí)潤滑脂性能比較

同粘度級別的環(huán)烷基油、石蠟基油A、B、C制作3#通用鋰基脂,在皂含量相同的前提下潤滑脂性能結(jié)果見表5。

表5 相同皂含量潤滑脂性能比較

由表 5中對比數(shù)據(jù)可以看出:

(1)錐入度反映潤滑脂的軟硬程度,是設(shè)備潤滑選擇潤滑脂的重要指標(biāo)。錐入度對比結(jié)果:A＜B＜C(超過標(biāo)準(zhǔn))。

(2)滴點(diǎn)是指潤滑脂從固態(tài)變成液態(tài)的溫度點(diǎn),反映潤滑脂的高溫使用性能。滴點(diǎn)對比結(jié)果:A＜B＜C。

(3)鋼網(wǎng)分油率反映潤滑脂常溫下的膠體安定性。鋼網(wǎng)分油對比:A＜B＜C。

(4)延長錐入度是指潤滑脂在工作器中經(jīng)過 10萬次剪切后的錐入度測定值,一般情況下潤滑脂經(jīng)過剪切后會變稀。延長錐入度對比結(jié)果:A＜B＜C。

相同皂含量條件下,淺精制環(huán)烷基油A鋼網(wǎng)分油、錐入度結(jié)果最小;石蠟基油 C錐入度和延長錐入度結(jié)果最大,滴點(diǎn)較高;深精制環(huán)烷基油性能居中。說明環(huán)烷油的溶解能力較高表現(xiàn)出其對皂的較高親合力,使皂在油脂內(nèi)更加均勻地分布。與由石蠟油制成的油脂相比,環(huán)烷油制成的油脂中普遍存在著油與皂的相互作用,膠體安定性好,與皂結(jié)構(gòu)的粘合比較密切,從油脂中分離出來或滲出的傾向較低;而在石蠟油脂中,大多數(shù)油品以物理方式而不是以相互作用方式截留在皂結(jié)構(gòu)中,從油脂中分離或滲出的傾向高。但石蠟基油較好的粘溫性能賦予油脂較高的滴點(diǎn)。

3.3 硬脂酸溶解溫度的考察

考察三種精制程度不同的環(huán)烷油和石蠟基油中羥基硬脂酸溶解溫度,見表 6和圖 3。

表6 硬脂酸溶解溫度

圖 3 油中羥基硬脂酸(濃度30%)溶解所需要的溫度

潤滑脂的生產(chǎn)是能源消耗。在稠化潤滑脂時(shí),必須提高溫度直至脂肪酸分解為止。顯然,所需溫度越高消耗的能量就越多,較高溫度也增加皂氧化的風(fēng)險(xiǎn)。在各種油品中,羥基硬脂酸的濃度都是30%,這是羥基硬脂酸在油脂稠化時(shí)的典型濃度。圖 2溶解溫度結(jié)果表明:與石蠟基油相比,所有環(huán)烷油中脂肪酸溶解的溫度低得多,在A和B中情況尤其如此。含有環(huán)烷油的油脂所需的溫度較低,原因是其溶解能力較高;溶解能力較高的油品溶解添加劑的能力就較高。

3.4 相同粘度不同粘度指數(shù)基礎(chǔ)油對潤滑脂性能影響

相似錐入度時(shí),達(dá)到相同皂含量條件下,考察不同粘度指數(shù)的油品制成的潤滑脂性能差異見表 7。

表 7 不同粘度指數(shù)潤滑油制成的潤滑脂性能

由表 7中對比數(shù)據(jù)可以看出,由環(huán)烷基油和石蠟基油調(diào)制不同粘度指數(shù)的潤滑油制成潤滑脂,在相同皂含量時(shí):D系列淺精制的油品和 E系列深精制的油品表現(xiàn)出隨著粘度指數(shù)的降低,錐入度減小,滴點(diǎn)降低,鋼網(wǎng)分油下降。

潤滑脂的氧化安定性是指在貯存和使用過程中抵抗空氣(氧氣)的作用而保持其性質(zhì)不發(fā)生永久性變化的能力。基礎(chǔ)油的氧化穩(wěn)定性和熱分解溫度對潤滑脂在抗磨軸承中的最高使用溫度和使用壽命有著決定性的影響。因此基礎(chǔ)油抗氧化能力的高低決定著潤滑脂的氧化安定性好壞。實(shí)驗(yàn)室采用DSC差熱分析法測定不同基礎(chǔ)油制作的潤滑脂初始氧化溫度,結(jié)果見表 8。

表8 潤滑脂性能測定

綜上所述,采用差式量熱掃描儀測定出潤滑脂樣品的初始氧化溫度,由于儀器分析有 10%左右的誤差允許范圍,因此基本上可以得出如下結(jié)論:由粘度指數(shù)較高的基礎(chǔ)油制作的潤滑脂初始氧化溫度較高,增發(fā)損失較小。

4 結(jié)論

以 3#通用鋰基脂為標(biāo)準(zhǔn),采用精制程度遞增的環(huán)烷基油A、B和一種石蠟基油 C、粘度相近不同粘度指數(shù)的基礎(chǔ)油制作潤滑脂,針對潤滑脂幾個(gè)關(guān)鍵檢測項(xiàng)目考察的規(guī)律性結(jié)果如下:

(1)在錐入度相似的條件下,同粘度不同精制深度的基礎(chǔ)油需要皂含量由多到少為:C(石蠟基油)＞B(深度精制)＞A(淺度精制)。把苯胺點(diǎn)最低的環(huán)烷基油A和石蠟基油 C相比較,溶解能力較高的環(huán)烷基油可節(jié)省皂消耗量多達(dá) 25%。

(2)相同皂含量條件下:淺精制環(huán)烷基油 A鋼網(wǎng)分油最低,錐入度合格;深精制環(huán)烷基油性能居中;石蠟基油錐入度超標(biāo),滴點(diǎn)較高。說明環(huán)烷油的溶解能力較高表現(xiàn)出其對皂的較高親合力。環(huán)烷油與皂結(jié)構(gòu)的粘合比較密切,因而從油脂中分離出來或滲出的傾向較低。但石蠟基油較好的粘溫性能賦予油脂較高的滴點(diǎn)。

(3)硬脂酸溶解溫度說明:與石蠟基油相比,含有環(huán)烷油的油脂所需溫度較低,原因是其溶解能力較高;溶解能力較高的油品溶解添加劑的能力就較高。

(4)初始氧化溫度說明,基礎(chǔ)油粘度指數(shù)高,相應(yīng)潤滑脂抗氧化安定性好。

高壓加氫環(huán)烷基基礎(chǔ)油具有環(huán)烷烴含量高,低溫性能好的優(yōu)勢。與石蠟基油相比,生產(chǎn)的潤滑脂所需皂分低,膠體安定性好,鋼網(wǎng)分油小,是普通皂基脂最好的基礎(chǔ)油。采用環(huán)烷基與石蠟基油調(diào)合的方式,獲得具有一定粘度指數(shù) (V I在 20左右)的環(huán)烷基油能提高抗氧化性能,同時(shí)保持高溶解能力和優(yōu)良的低溫特性,使環(huán)烷基油在最終產(chǎn)品質(zhì)量和成本方面都成為十分有利的選擇。

[1]徐桂云.潤滑脂流變和輸送特性研究[M].江蘇:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[2]孟書鳳.環(huán)保型潤滑劑的發(fā)展及應(yīng)用[J].潤滑油,2003, 18(1):11-16.

S tudy on the Re la tionship be tween Base O il and G rease Prop e rties

L IU Yan1,GONGW ei-hua1,Y ONG Xin-m in1,DENG Xue-feng2,LI Yu-liang2
(1.PetroChina Karam ay B lending Plant,Karam ay 834003,China;
2.Xinjiang Karam ay Fe iBao SpecialO il Products Ltd.,Karam ay 834000,China)

TE626.4

A

2009-09-09。

劉妍(1976-),女,2007年畢業(yè)于青島科技大學(xué)化學(xué)工程專業(yè),碩士,高級工程師,從事潤滑油研究工作 11年,已公開發(fā)表論文6篇。

1002-3119(2010)03-0055-05