潤滑油抗乳化性能研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

耿 杰，張進(jìn)恒，范海明，黃維安，魏志毅，劉 釗

（中國石油大學(xué)（華東） 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580）

1 問題的提出

培養(yǎng)具有科研創(chuàng)新能力的人才是高等教育的目標(biāo)，也是建設(shè)創(chuàng)新型國家的必然要求[1-3]。創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力的重要途經(jīng)。針對(duì)我校石油工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中綜合型和創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)比例偏低的現(xiàn)狀，為提高學(xué)生專業(yè)實(shí)驗(yàn)興趣及科研創(chuàng)新能力，設(shè)計(jì)了潤滑油抗乳化性能研究這一創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)[4-5]。

潤滑油在機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，不僅能減少運(yùn)動(dòng)部件表面的摩擦，還能起到冷卻、密封、功率傳輸?shù)茸饔谩櫥偷闹饕煞质腔A(chǔ)油和添加劑。其中，基礎(chǔ)油決定了潤滑油的基本性質(zhì)；添加劑用來補(bǔ)充和完善基礎(chǔ)油性能方面的不足，使?jié)櫥驮鎏碓S多新的性能[6-7]。潤滑油在使用過程中受到密封性、空氣中水分以及剪切力等因素的影響，會(huì)與混入的水發(fā)生乳化。乳化后的潤滑油，潤滑能力降低，促進(jìn)氧化變質(zhì)，整體上降低油品品質(zhì)，還會(huì)腐蝕管道和儀器設(shè)備，危害極大。準(zhǔn)確有效地評(píng)價(jià)潤滑油抗乳化性能是研究和改善潤滑油抗乳化性的重要前提[8-9]。目前，國內(nèi)的抗乳化性能評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)主要有 GB/T 8022—2019 和GB/T 7305—2003，后者在石油行業(yè)的使用最為廣泛。但該標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際工況條件差異較大。標(biāo)準(zhǔn)要求將40 mL 水和 40 mL 油混合，在 54 ℃的條件下以1500 r/min 的轉(zhuǎn)速攪拌5 min 進(jìn)行乳化，乳化完成后，觀測油水分離現(xiàn)象和時(shí)間，當(dāng)達(dá)到乳化層小于或等于3 mL 時(shí)所用時(shí)間小于30 min 即為合格。該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的局限性在于，評(píng)定的是潤滑油在一次進(jìn)水和固定油水比1∶1 情況下的抗乳化性能，而實(shí)際使用過程中潤滑油混入的水極少，且潤滑油與混入的水是一個(gè)多次乳化與破乳的連續(xù)過程，而不是評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的單次乳化[10-12]。在評(píng)價(jià)過程中還會(huì)出現(xiàn)因乳化層界面模糊導(dǎo)致讀數(shù)、測量結(jié)果誤差較大的情況。因此，需要設(shè)計(jì)一套更全面、更符合實(shí)際的研究型評(píng)價(jià)方法實(shí)驗(yàn)，用以準(zhǔn)確有效地評(píng)價(jià)潤滑油的抗乳化性能，研究影響其抗乳化性的眾多因素。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)所需條件、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論等，其中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心[13]。實(shí)驗(yàn)選取最常見的市售潤滑油為研究對(duì)象，目的是改進(jìn)國標(biāo)中潤滑油抗乳化性評(píng)價(jià)方法，設(shè)計(jì)更貼近實(shí)際使用情況的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

在國標(biāo)GB/T 7305—2003 評(píng)價(jià)方法中，采用1∶1的比例將油水混合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但潤滑油在使用過程中，摻混進(jìn)油中的水分遠(yuǎn)小于潤滑油總量。因此，本實(shí)驗(yàn)提高了油水比例，選用4∶4、5∶3、6∶2 和7∶1 四種不同油水比例來探究潤滑油的抗乳化性能。將潤滑油與水按照上述四種比例混合至總體積為80 mL，在54 ℃、1500 r/min 的轉(zhuǎn)速下攪拌5 min，然后靜置1 h，觀察并記錄油水分離情況。將分別從界面整齊情況、分水率、分水速度、油中含水量以及水中含油量五個(gè)方面來研究。還將通過測試油水的界面張力、界面膜強(qiáng)度以及乳液粒徑分布和光譜穩(wěn)定性來分析潤滑油抗乳化性能的微觀作用機(jī)制[14-15]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 油水界面情況

油水界面情況是判斷潤滑油抗乳化性能的標(biāo)準(zhǔn)之一，可直觀反映潤滑油抗乳化的效果。圖1 依次為在油水比4∶4、5∶3、6∶2 和7∶1 情況下，乳化靜置1 h 后的油水界面圖。從圖中可以看出，各比例下的油水界面均比較整齊，水層清澈，5∶3、6∶2 和7∶1的存在油珠掛壁現(xiàn)象，而4∶4 的無掛壁現(xiàn)象。

圖1 不同油水比的油水界面情況

3.2 分水率和分水速度

分水率反映了油水分離效果的好壞，分水率可用式（1）計(jì)算：

其中，c為最終分水率，Vw為最終分水體積，Vwt為乳狀液總含水量。

分水速度反映了潤滑油與水分離的快慢，利用潤滑油乳狀液分水率隨時(shí)間的變化fw(t) 表征，如式（2）：

實(shí)驗(yàn)過程中，觀察并記錄不同時(shí)刻分水體積隨時(shí)間的變化，根據(jù)公式計(jì)算分水率及不同油水比時(shí)分水率隨時(shí)間變化的曲線，如圖2 所示。

圖2 不同油水比時(shí)分水率隨時(shí)間的變化曲線

圖2 中，分水率曲線斜率的大小代表了分水速度。可以看出，隨著油水比的增加，最終分水率逐漸降低，并且分水速度隨油水比的增加略微下降，當(dāng)油水比增加到7∶1 時(shí)分水速度明顯降低，由此可知，隨著油水比的增加，分水速度逐漸降低。

3.3 不同油水比的油中含水量

將制備好的乳狀液恒溫靜置后，用筒狀分液漏斗分離上層油和下層水。將取出的上層油使用WS500C全自動(dòng)微量水分分析儀測量油中含水量，結(jié)果見表1。

表1 不同油水比的油中含水量

從表1 中可以看出，隨著油水比的變化，油中含水量的變化不大，基本在6500 mg/L 左右，可見油水比對(duì)分離出的油中的含水量影響不大。

3.4 水中含油量

1）標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制。

用石油醚配制濃度為 50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L 的潤滑油石油醚溶液，使用SP-756P 型紫外分光光度計(jì)測量其吸光度，結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)濃度吸光度

為準(zhǔn)確反映樣品濃度與吸光度之間的關(guān)系，使用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，擬合結(jié)果精度高，滿足線性關(guān)系，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線圖3，回歸方程式為：

圖3 潤滑油的濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線

2）不同油水比的水中含油量。

將乳化后靜置分離出來的水用石油醚萃取后定容至100 mL，以石油醚作為標(biāo)準(zhǔn)溶液，用紫外分光光度計(jì)測量待測溶液吸光度，使用回歸得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線反求出潤滑油石油醚溶液的濃度，再根據(jù)分離出水的體積求出水中的油含量，得到不同油水比的潤滑油乳狀液破乳后的水中含油量，見表3。

表3 不同油水比的水中含油量

從表3 可看出，在油水比為4∶4 的情況下，水中含油量最低，為165.694 mg/L；在油水比為7∶1 的情況下，水中含油量最高，為914.856 mg/L。即隨著油水比的增加，水中含油量不斷增加。

3.5 乳狀液微觀形貌

利用XSJ-2 型實(shí)驗(yàn)顯微鏡觀察不同油水比的乳液微觀形態(tài)，如圖4 所示。可以看出，隨著油水比增加，乳狀液液滴粒徑減小且分布越來越集中，用稀釋法判定均為油包水型乳狀液。

圖4 不同油水比下乳狀液的微觀形貌

綜上分析可知，隨著油水比的增加，乳狀液液滴粒徑變小，分水速度和分水率逐漸降低，并且水中含油量逐漸增高，表明隨著油水比的增加，潤滑油抗乳化性能逐漸下降。

4 拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

綜合考慮實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的難易程度以及學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握程度，將油水的界面張力測試、界面膜強(qiáng)度以及乳液粒徑分布統(tǒng)計(jì)和光譜穩(wěn)定性分析等潤滑油抗乳化性能的微觀作用機(jī)制研究內(nèi)容設(shè)定為拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在實(shí)際使用過程中，由于潤滑油在有水混入后會(huì)是連續(xù)乳化與破乳的過程，而不是單次乳化，而多次連續(xù)乳化實(shí)驗(yàn)需要時(shí)間較長，因此可將該實(shí)驗(yàn)一并設(shè)為拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這些拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，既可作為不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行課堂教學(xué)，也可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課后實(shí)驗(yàn)拓展，并依托本實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，或開展本科畢業(yè)設(shè)計(jì)等工作。

5 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)目前潤滑油抗乳化實(shí)驗(yàn)研究中存在的問題，設(shè)計(jì)了更為全面準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)研究方法。該實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生在系統(tǒng)掌握理論知識(shí)的同時(shí)，了解科學(xué)研究的一般方法，學(xué)習(xí)分光光度計(jì)、顯微鏡等各種常用儀器的使用方法，并且從思想上打破傳統(tǒng)，培養(yǎng)創(chuàng)新研究能力。實(shí)踐證明，該實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生對(duì)創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)的熱情，得到了學(xué)生的廣泛好評(píng)，為他們今后從事石油化學(xué)相關(guān)專業(yè)的科學(xué)研究工作奠定了基礎(chǔ)。