酯類潤滑油的結構對性能影響研究

姜會澤 費逸偉 姚婷 卞森

摘 要：在科學技術日新月異的今天，潤滑油工作條件也愈加苛刻。分析了結構的差異對酯類油摩擦性能、粘溫性能、低溫性能、氧化安定性和水解安定性的影響，探究了解油品結構與性能的關系，對研制性能更好、更適用于當前環境的新型潤滑油提供科學的理論支撐。

關 鍵 詞：航空潤滑油基礎油；合成酯；結構；性能分析

中圖分類號：TE 624 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1570-03

Research on Effect of Ester Lubricant Structure on Its Performance

JIANG Hui-ze， FEI Yi-wei， YAO Ting， BIAN Sen

（Key Laboratory of Aviation Oil Engineering， Air Force Logistics College， Jiangsu Xuzhou 221006， China）

Abstract： Nowadays， when science and technology are developing rapidly， the working environment of the lubricating oil is becoming harsher and harsher. In this paper， effect of different structure of ester lubricant on friction performance， viscosity-temperature performance， low temperature performance， oxidation stability and hdrolytic stability was analyzed. The relationship between structure and performance of product was explored， which could provide reliable theoretical basis and technical supports for development of high-end lubricanting oil.

Key words： Aviation lubricating oil； Synthetic ester； Structure； Performance analysis

隨著人類進步和科技發展，資源和環境已經成為人類可持續發展面臨的兩個重大課題。潤滑油是一個資源性行業，傳統礦物基基礎油的不可再生性和較低的生物降解性決定了它不會是未來潤滑油的發展方向。而合成潤滑油不僅具有優異的使用性能，還在節能環保等方面起著重要的作用，越來越受到人們關注和認可，其銷售量也逐年上升[1-3]。

酯類油是一種高性能潤滑油基礎油，在合成油中占有非常重要的地位和相當大的市場份額。酯類油按其結構通常分為雙酯、芳香酯、多元醇酯以及復酯，酯類油通常具有很好的高低溫性能和高的黏度指數，對添加劑和發動機高溫下生產的油泥有優秀的溶解能力[4]。酯類油是為滿足燃氣渦輪發動機潤滑要求而發展起來，因其具有優良的使用性能，現已廣泛應用于航空航天發動機油、汽車和船用發動機油、壓縮機油、液壓油以及齒輪油等領域。

油品的性能與其結構密切相關，早在1947年E.M.Bried等[5]就對34種結構不同的雙酯類基礎油的化學穩定性、低溫流動性和粘溫性能進行了研究。本文主要介紹了近年來國內外酯類基礎油的結構與摩擦性能、粘溫性能、低溫性能、氧化安定性和水解安定性等性能相關性的研究現狀，并對性能優異的合成酯類基礎油進行了探討和展望。

1 摩擦性能

酯類油分子結構中含有高活性的酯基團，在潤滑金屬時可以吸附在金屬表面，形成牢固的潤滑劑膜，所以一般具有良好的摩擦性能。張紅等[6]以己二酸和不同鏈長的直鏈醇進行反應，合成了己二酸二正丁酯、己二酸二正己酯等。利用四球機試驗對以上各酯進行摩擦磨損試驗，按GB3142-48方法測量最大無卡咬載荷（PB）；測量試驗結束前后鋼球質量，以得到實驗中鋼球磨損量，并測量鋼球摩斑直徑；結果如下表1。

表1 四球機試驗結果

Table 1 Result of four-boll test

基礎油名稱 PB/N 鋼球磨損質量/g 鋼球摩斑直徑/mm

己二酸二正丁酯 372 0.005 1 0.921

己二酸二正己酯 393 0.003 3 0.825

己二酸二正辛酯 470 0.003 0 0.745

己二酸二正癸酯 470 0.001 6 0.658

從表1可知：隨著合成酯中有機酸碳鏈的增加，鋼球的磨損質量依次為0.005 1、0.003 3、0.000 3以及0.0016 g，鋼球摩斑直徑分別為0.921、0.852、0.745和0.658 mm。基于此得出隨著鏈長增加，PB值逐漸增大，雙酯類潤滑油的抗磨性能愈優秀。

2 粘溫性能

雙酯類基礎油的粘度與粘度指數與結構組成密切相關。相對于其他潤滑油基礎油，雙酯類基礎油具有較寬的液體范圍、較高的度指數以及優良的粘溫性能。高永建[7]等以不同碳數的長鏈二元酸為原料，在雜多酸催化下合成了一系列長鏈雙酯，并考察了其物化性能。

表2分別列出了含有十一、十二和十三碳原子的二元酸與異辛醇，異壬醇與十一和十二碳二元酸合成雙酯的運動粘度和粘度指數。對比發現在相同條件及分子結構下，分子量越大，粘度就越大。

表2 不同酸/醇合成酯的粘度和粘度指數測量值

三種油樣的起始氧化溫度的高低順序與其老化過程中酸值的變化大小順序存在一定的對應關系，老化前后酸值變化最小的1938起始氧化溫度最高，為246.13 oC，而老化前后酸值變化最大的3959起始氧化溫度最低，為194.13 oC。綜上，判斷潤滑油的熱氧化穩定性不能只從某個單個指標判斷，應綜合粘度變化、總酸值變化等多個指標進行考慮。

5 水解安定性

酯分子水解安定性也與結構密切相關，結構不同其水解安定性也不同。陶菲[12]對酯中含水量、酯的醇度、酯的結構與添加劑的應用對酯的水解安定性影響進行了研究，結果表明：酯的水解速度與酯中水含量無關，而與酯-水界面的面積有關。同一種酯加入相同含量的水，振蕩情況下酯的水解速度遠遠大于靜置情況下的水解速度；同樣的酯類油品，其初始酸值越大，純度越低，水解速度也越大，原因是未完全反應的酸會對水解起到催化作用，從而加快水解；酯的結構不同，會對水解安定性造成較大差異，其中酯分子結構屏蔽酯分子結構可能會阻滯水解，屏蔽酸鏈部分的效果要強于屏蔽醇鏈部分；添加劑的使用同樣會對水解安定性有很大影響，其中加入胺型添加劑會提升水解安定性，而含磷、氯的添加劑會使其水解安定性變差。

6 結 論

（1）酯碳鏈長度的增加，可以提高油品的摩擦性能、黏度和黏度指數，但是會降低低溫流動性。

（2）不飽和鍵的存在可以小幅降低油品的黏度，但會使油品的氧化安定性變差，經加氫處理后傾點較未加氫要高。酯碳鏈的支化可以一定程度上改善油品的低溫流動性和水解安定性，且支化位置不同產生的效果也會有差異。

（3）評價潤滑油的氧化安定性，不能從某個單項指標判斷，應綜合多種指標判斷評價。酯的水解安定性受酯-水接觸面積、酯的純度和酯分子結構等多個因素影響。

綜上可知，結構決定性能，酯類基礎油分子結構的變化導致其性能千差萬別。在選擇基礎油時，不同的工作條件對基礎油的各種性能的要求也各不相同，應綜合多種因素進行考慮。因此，深入了解酯類基礎油結構與性能的關系，可以為設計符合特定工作條件下的基礎油提供理論支撐，也對未來尋找新型基礎油有著深刻的意義。

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