潤滑油自由基捕捉劑型抗氧劑作用機理研究

彭興隆，郭 峰，費逸偉，姚 婷，姜會澤

潤滑油自由基捕捉劑型抗氧劑作用機理研究

彭興隆，郭 峰，費逸偉，姚 婷，姜會澤

（空軍勤務學院航空油料物資系， 江蘇 徐州 221006）

酚型抗氧劑和胺型抗氧劑作為自由基捕捉劑型抗氧劑，已被廣泛地應用于各類潤滑油中。分析研究了自由基捕捉劑型抗氧劑的作用機理，對于有效地改善潤滑油的氧化安定性能、延長潤滑油的使用壽命以及研制新型潤滑油抗氧劑具有重要意義。

潤滑油；自由基捕捉劑；抗氧劑；作用機理

潤滑油具有潤滑、密封、清凈、冷卻與防銹等功能，在其貯存和使用過程中，不可避免地會發生氧化反應而導致油品質量發生衰變。潤滑油的氧化基本上都是自由基連鎖反應過程，通常包括鏈引發、鏈增長、鏈終止這幾個過程。因此，為了減緩油品的氧化衰變，延長潤滑油的使用壽命，在研制潤滑油的過程中，一般都需要加入抗氧劑[1]。

抗氧劑作為潤滑油中最重要的添加劑，按照其抗氧化作用機理的不同，可以分為自由基捕捉劑、過氧化物分解劑和金屬鈍化劑等[2,3]。其中酚型抗氧劑和胺型抗氧劑均屬于自由基捕捉劑型抗氧劑，在航空潤滑油領域應用十分廣泛。隨著潤滑油工作條件日益苛刻，對潤滑油的使用性能要求越來越高，而評價潤滑油使用性能的一項重要指標為其氧化安定性。因此，為滿足用油裝備的苛刻要求、提高潤滑油的使用性能，必須深入研究潤滑油抗氧劑的作用機理，對于改善潤滑油氧化安定性、延長潤滑油的使用壽命以及研制新型潤滑油抗氧劑具有重要意義。

1 酚型抗氧劑

酚型抗氧劑，通常是指分子結構中存在立體位阻效應的這類酚類化合物。根據分子結構中包含的羥基數目，可分為含有一個羥基的單酚型抗氧劑、兩個羥基的雙酚型抗氧劑和多個羥基的多酚型抗氧劑[4]。早期的航空潤滑油，由于使用溫度范圍相對較低，比如在石油基航空潤滑油中通常應用2,6-二叔丁基對甲酚（BHT，代號T501）這類酚型抗氧劑作為主要抗氧劑。

屏蔽酚型抗氧劑是指有空間位阻效應比較大的取代基存在于苯環上羥基的相鄰位置的酚類化合物。例如2, 6-二叔丁基對甲酚這類酚型抗氧劑，由于羥基受到來自兩側位阻效應較大的叔丁基的空間排斥，羥基上的氫原子很容易從其分子上游離出來，捕捉潤滑油中產生的烷氧自由基和過氧自由基，并使這些自由基失去化學反應能力，從而終止了潤滑油的自由基熱氧化反應[5]。因此，酚型抗氧劑的抗氧化能力嚴重地受制于抗氧劑分子結構中的取代基的種類和數目。例如，酚型抗氧劑中的對位取代基深刻地影響著它的抗氧化性能。究其原因，就是因為酚型抗氧劑分子中與羥基對位的供電子取代基團顯著地增加了羥基氫原子與氧原子的排斥力，使羥基中的氫原子能夠輕易地擺脫酚型抗氧劑分子的束縛，與潤滑油熱氧化反應產生的自由基發生作用，形成穩定的化合物，從而終止潤滑油的熱氧化反應。如圖1所示，酚型抗氧劑中-OH對位沒有取代基時，反應活性最低；間位有取代基時，其抗氧化活性略微增加；當-OH對位的取代基為甲基供電子基時，反應活性成倍地增加。因此，當酚型抗氧劑中供電子基團如甲基占居其羥基對位時，能顯著地提高酚型抗氧劑的抗氧化能力。相反，若是吸電子基團如硝基占居其羥基對位時，則會大大降低其氧化活性[6-8]。

另外，酚型抗氧劑的抗氧化活性還取決于羥基鄰位取代基的空間位阻效應的大小[9]。例如，在2, 6-二叔丁基對甲酚中，羥基鄰位取代基叔丁基的體積比較大，分子中的苯環和羥基很難同時處于一個平面里，氧原子與苯環的電子共軛效應被阻礙了，羥基上氧原子對氫原子的控制能力減弱了，使得氫原子很容易就脫離出去了，顯著地提高了2, 6-二叔丁基對甲酚的抗氧化活性。但是，當鄰位取代基體積超過一定限度時，其空間位阻效應就會阻礙羥基的自由旋轉，羥基就不能捕捉到潤滑油氧化過程中的自由基，極大地降低了酚型抗氧劑的抗氧化活性。

對于單酚型抗氧劑 BHT，有研究表明[4]，其作用機理如圖2所示，即BHT給烷氧基自由基提供氫原子或捕捉過氧基自由基，生產烷基過氧化氫化合物，BHT則生成結構穩定的苯氧基自由基，繼而與烷氧基自由基反應生成環己烯酮烷基過氧化物，該物質在高溫氧化條件下又分解為烷氧基自由基、烷基自由基和2,6-二叔丁基-1,4-苯醌。但是在這往復過程中，隨著新的自由基的產生，BHT逐漸被消耗。

對于雙酚型抗氧劑，其作用機理與單酚型抗氧劑相似，如圖3所示。

2 胺型抗氧劑

與酚型抗氧劑不同，胺型抗氧劑具有優異的高溫抗氧化性能。胺型抗氧劑作為航空噴氣渦輪發動機潤滑油的主要抗氧劑，是一類油溶性好、配伍性強、無腐蝕性的無灰抗氧劑。一般可以將胺型抗氧劑分成二苯胺型抗氧劑、苯二胺型抗氧劑、苯基-α-萘胺型抗氧劑等幾大類[10,11]。

二苯胺型抗氧劑是一類重要的高溫無灰抗氧劑，適用于溫度升高很快的潤滑油中，在酯類基礎油中能阻止油泥的形成，圖4為其抗氧化作用機理圖。然而，就高溫抗氧化效果而言，二苯胺型抗氧劑不如苯基-α-萘胺[12,13]。究其原因，就是因為在苯基-α-萘胺分子結構中，所有原子均處于同一平面上，苯基和胺基形成了共軛平面。苯基-α-萘胺分子中形成的 π電子共軛體系，增大了苯基-α-萘胺分子與氧自由基的反應幾率，同時也使氧自由基的電荷排列更稀疏。因而苯基-α-萘胺分子與自由基的結合能力也隨之增大，大大增加了其抗氧化性能，因此其高溫抗氧化效果優于二苯胺型抗氧劑。作為復合抗氧劑中的最重要組分之一，N-苯基-α-萘胺與二苯胺型抗氧劑在潤滑油中的協同作用時，能表現出極其優異的高溫抗氧化性能。圖5為烷基取代的 N-苯基-α-萘胺作用機理圖，烷基取代的 N-苯基-α-萘胺捕捉自由基后生成穩定的非活性物質或生成齊聚物和具有活性的再生抗氧劑，其作用機理明顯與二苯胺型抗氧劑的作用機理不同[14,15]。

胺型抗氧劑同樣也是一類自由基捕捉劑型抗氧劑。自由基捕捉劑型抗氧劑就是捕捉油品氧化所產生的自由基，以阻止氧化反應的進一步加深。在芳胺抗氧劑分子中，由于氮原子具有孤對電子，易與芳胺抗氧劑分子形成較大的p-π共軛，使得氮原子上連接的氫原子更加活潑，易與潤滑油中的高化學活性的自由基發生反應。因此，結合芳胺型抗氧劑的特殊的大p-π共軛體系結構，芳胺型抗氧劑的抗氧化機理可理解為抗氧劑分子的最低未占軌道具有很強的電子親和力，而烷氧基自由基的最高已占軌道具有很強的電子給予性，因而抗氧劑與烷氧基自由基分子軌道相互作用而使自由基氧化反應得以終止[16,17]。

3 結 論

總之，酚型抗氧劑、胺型抗氧劑作為自由基捕捉劑型抗氧劑，已廣泛地應用于航空潤滑油領域，并且具有重要的商業價值。但是，對于酚型抗氧劑而言，由于其相對分子質量較低，揮發性和遷移性均較大，導致其使用溫度范圍相對較低，極大地限制了它在航空潤滑油中的應用。另外，胺型抗氧劑對氧的防護作用出色，對光、熱、銅的防護也很突出，有效地彌補了酚型抗氧劑使用溫度低的不足，故已廣泛地應用于8號航空潤滑油、4050高溫合成潤滑油以及俄制ВНИИНП-50-1-4潤滑油中，并取得了取得了顯著的抗氧化效果。但是它們毒性大，許多易致癌，而且大多數種類顏色較深，經高溫作用后易生成其他生色化合物導致在用潤滑油顏色發生變化。因此，通過對潤滑油自由基捕捉劑型抗氧劑作用機理的研究，對于進一步改善潤滑油氧化安定性、研制新型抗氧劑具有重要意義。

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Research on Action Mechanisms of Free Radical Scavenger Type Antioxidants in Lubricating Oil

PENG Xing-long, GUO Feng, FEI Yi-wei, YAO Ting, JIANG Hui-ze
（Department of Aviation Oil and Material, Air Force Logistics College, Jiangsu Xuzhou 221006, China）

As free radical scavenger type antioxidants, phenolic antioxidants and amine antioxidants have been widely used in lubricating oil. In this paper, action mechanisms of free radical scavenger type antioxidants were analyzed and studied. The paper is of great significance to improve the oxidation stability and performance of lubricating oil, prolong the service life of lubricating oil, and develop new lubricating oil antioxidants.

Lubricating oil; Free radical scavenger; Antioxidants; Action mechanism

TQ 65

： A

： 1671-0460（2015）05-1003-03

空軍裝備部項目，項目號：KJ2012283。

2014-12-08

彭興隆（1988-），男，湖南瀏陽人，碩士研究生，研究方向：航空油料應用技術。E-mail：pengxinglong797@126.com。