真空泵潤滑油分子結構研究

于宏偉，孟露，孔昊，吳子騰，李佳欣

(石家莊學院化工學院，河北 石家莊 050035)

0 引言

真空泵潤滑油(以下簡稱真空泵油)是各類真空泵專用的潤滑油，在真空泵內擔負著降低摩擦、減少磨損、冷卻、防銹、密封作用等。性能優良的真空泵油必須有適宜的黏度、低的飽和蒸氣壓、優良的油水分離性、優良的熱安定性和氧化安定性。近年來，隨著真空技術的快速發展，真空泵向高速高效、低噪音、小型化方向發展，因此對于相應配套的真空泵油提出了更高的要求[1-3]。中紅外(MIR)光譜具有方便快捷，靈敏度高的優點，廣泛應用于有機物的結構研究領域[4-14]，而真空泵油的相關結構研究少見報道。因此，本文以常見的旋片式真空泵專用泵油為研究對象(以石蠟油為對比)，分別開展了真空泵油及石蠟油分子的三級 MIR 光譜(包括：一維 MIR 光譜、二階導數 MIR 光譜、同步二維 MIR 光譜)研究，為我國真空泵油的生產研發及應用提供了有意義的科學借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

真空泵油(2XZ-4 型旋片式真空泵專用泵油，中國浙江省臨海市譚氏真空設備有限公司生產)；石蠟油(天津市醫藥公司，化學純)。

1.2 儀器與設備

Spectrum 100 型中紅外光譜儀(美國 PE 公司)；Golden Gate 型 ATR-MIR 附件(英國Specac 公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 紅外光譜儀操作條件

以空氣為背景，30 ℃的溫度條件下，每次試驗對于真空泵油及石蠟油分子的光譜信號進行 8 次掃描累加，測定頻率范圍600～4000 cm-1。

1.3.2 MIR 光譜數據獲得及處理

真空泵油及石蠟油分子的一維及二階導數 MIR 光譜數據采用美國 PE 公司 Spectrum V 6.3.5 操作軟件。真空泵油及石蠟油分子同步二維 MIR 光譜數據采用清華大學 TD Versin 4.2軟件。

2 結果與分析

2.1 真空泵油及石蠟油分子的一維 MIR 光譜研究

首先采用一維 MIR 光譜開展了真空泵油分子結構的研究(見圖 1a)。根據文獻報道[15-16]，2952.10 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子的 CH3不對稱伸縮振動模式(νasCH3-真空泵油-一維)；2921.29 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子的 CH2不對稱伸縮振動模式(νasCH2-真空泵油-一維)；2852.75 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子的CH2對稱伸縮振動模式(νsCH2-真空泵油-一維)；1458.31 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子的 CH3不對稱變角振動模式(δasCH3-真空泵油-一維)；1376.82 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子 CH3對稱變角振動模式(δsCH3-真空泵油-一維)；721.57 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子 CH2面內搖擺振動模式(ρCH2-真空泵油-一維)。進一步開展了石蠟油分子一維 MIR 光譜的研究(圖 1b)，相關光譜數據見表 1。

圖1 一維 MIR 光譜(30 ℃)

2.2 真空泵油及石蠟油分子的二階導數 MIR 光譜研究

采用二階導數 MIR 光譜進一步開展了真空泵油分子結構的研究，其譜圖分辨能力有了一定的提高(圖 2a)。其中 2954.84 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子νasCH3-真空泵油-二階導數；2922.06 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子νasCH2-真空泵油-二階導數；2871.19 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子CH3對稱伸縮振動模式(νsCH3-真空泵油-二階導數)；2852.26 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子νsCH2-真空泵油-二階導數；1465.62 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子 CH2變角振動模式(δCH2-真空泵油-二階導數)；1377.08 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子δsCH3-真空泵油-二階導數；721.20 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子ρCH2-真空泵油-二階導數。進一步開展了石蠟油分子的二階導數 MIR 光譜研究(圖 2b)，相關光譜數據見表1。

圖2 二階導數 MIR 光譜(30 ℃)

通過研究真空泵油和石蠟油分子的一維 MIR 光譜和二階導數 MIR 光譜(表 1)發現，真空泵油和石蠟油分子的化學結構基本相同，均為長碳鏈烷基，而采用一維 MIR 光譜和二階導數 MIR 光譜不能有效地區分真空泵油和石蠟油分子結構的差異性。

表1 真空泵油與石蠟油分子一維及二階導數 MIR 光譜數據(30 ℃)

2.3 真空泵油及石蠟油分子的同步二維 MIR 光譜研究

真空泵油及石蠟油分子主要官能團分別集中在“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 個頻率區間。并且同步二維 MIR 光譜的譜圖分辨能力要優于相應的一維 MIR 光譜及二階導數 MIR 光譜，因此在這 8 個頻率區間，采用同步二維 MIR 光譜，進一步開展了真空泵油及石蠟油分子結構差異性研究。

2.3.1 第一頻率區間真空泵油及石蠟油分子的同步二維 MIR 光譜研究

在第一頻率區間首先開展了真空泵油及石蠟油分子的同步二維 MIR 光譜研究(圖 3)。

圖3 同步二維MIR光譜(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)頻率處發現 4 個相對強度較大的自動峰(圖3a)，歸屬于真空泵油分子中含有的芳基化合物的C-H伸縮振動模式(νC-H-芳基-真空泵油-二維)。而其中(3011 cm-1，3011 cm-1)對應的相對強度最大，則進一步證明該官能團對于溫度變化比較敏感。試驗在(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)頻率處發現5個相對強度較大的交叉峰，則進一步證明真空泵油分子νC-H-芳基-真空泵油-二維對應的官能團之間存在著較強的分子內相互作用。進一步開展了石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖3b)，其光譜信息比較簡單，僅在(3018 cm-1，3018 cm-1)頻率處發現1個相對強度較大的自動峰(νC-H-芳基-石蠟油-二維)。研究發現：真空泵油分子中芳基化合物的種類及含量要多于石蠟油分子。

2.3.2 第二頻率區間真空泵油及石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究

在第二頻率區間進一步開展了真空泵油及石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖 4)。

圖4 同步二維MIR光譜(2910～2970 cm-1)

真空泵油分子在(2920 cm-1，2920 cm-1)和(2953 cm-1，2953 cm-1)頻率處發現2個相對強度較大的自動峰，分別歸屬于真空泵油分子νasCH2-真空泵油-二維和νasCH3-真空泵油-二維(圖4a)。而其中真空泵油分子νasCH2-真空泵油-二維對應的相對強度最大。真空泵油分子在(2920 cm-1，2953 cm-1)頻率處發現1個相對強度較大的交叉峰。進一步開展了石蠟油分子的同步二維 MIR 光譜研究(圖4b)，則得到了同樣的光譜信息。

2.3.3 第三頻率區間真空泵油及石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究

在第三頻率區間進一步開展了真空泵油及石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖 5)。

圖5 同步二維MIR光譜(2820～2890 cm-1)

真空泵油分子在(2852 cm-1，2852 cm-1)和(2878 cm-1，2878 cm-1)頻率處發現2個相對強度較大的自動峰，分別歸屬于真空泵油分子νsCH2-真空泵油-二維和νsCH3-真空泵油-二維，而其中真空泵油分子νsCH2-真空泵油-二維對應的相對強度最大(圖5a)。進一步開展了石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖5b)，則得到了同樣的光譜信息。

2.3.4 第四頻率區間真空泵油及石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究

在第四頻率區間進一步開展了真空泵油及石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖6)。

圖6 同步二維MIR光譜(1700～1770 cm-1)

真空泵油分子在 1700～1770 cm-1頻率范圍，并沒有發現有價值的光譜信息(圖6a)。進一步開展了石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖6b)，分別在(1715 cm-1，1715 cm-1)和(1760 cm-1，1760 cm-1)頻率處發現2個相對強度較大的自動峰，前者歸屬于酮C=O伸縮振動模式(νC=O-1-石蠟油-二維)，后者歸屬于游離羧酸C=O伸縮振動模式(νC=O-2-石蠟油-二維)。試驗發現：與真空泵油分子相比，石蠟油分子中含有少量羰基化合物。

2.3.5 第五頻率區間真空泵油及石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究

在第五頻率區間進一步開展了真空泵油及石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖7)。

圖7 同步二維MIR光譜(1570～1620 cm-1)

真空泵油分子在(1580 cm-1，1580 cm-1)和(1607 cm-1，1607 cm-1)頻率處發現2個相對強度較大的自動峰(圖7a)，分別歸屬于真空泵油分子中含有的芳基化合物的C=C伸縮振動模式(νC=C-真空泵油-二維)。進一步開展了石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖7b)，并沒有得到有價值的光譜信息。

2.3.6 第六頻率區間真空泵油及石蠟油分子的二維MIR光譜研究

在第六頻率區間進一步開展了真空泵油及石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖8)。

圖8 同步二維MIR光譜(1440～1480 cm-1)

真空泵油分子在(1458 cm-1，1458 cm-1)和(1464 cm-1，1464 cm-1)頻率處發現2個相對強度較大的自動峰，分別歸屬于真空泵油分子δasCH3-真空泵油-二維和δCH2-真空泵油-二維，而在(1458 cm-1，1464 cm-1)頻率附近發現1個相對強度較大的交叉峰(圖8a)。研究發現：真空泵油分子δasCH3-真空泵油-二維和δCH2-真空泵油-二維同步二維MIR光譜的譜圖分辨能力要優于相應的一維MIR光譜及二階導數MIR光譜。進一步開展了石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖8b)，僅在(1458 cm-1，1458 cm-1)頻率處發現1個相對強度較大的自動峰，歸屬于石蠟油分子δasCH3-石蠟油-二維。

2.3.7 第七頻率區間真空泵油及石蠟油分子的二維MIR光譜研究

在第七頻率區間進一步開展了真空泵油及石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖9)。

圖9 同步二維MIR光譜(1350～1390 cm-1)

真空泵油分子在(1376 cm-1，1376 cm-1)頻率處發現1個相對強度較大的自動峰，歸屬于真空泵油分子δsCH3-真空泵油-二維(圖9a)。進一步開展了石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖9b)，則得到了同樣的光譜信息。

2.3.8 第八頻率區間真空泵油及石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究

在第八頻率區間最后開展了真空泵油及石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖10)。

圖10 同步二維MIR光譜(700～750 cm-1)

真空泵油分子在(722 cm-1，722 cm-1)頻率處發現1個相對強度較大的自動峰，歸屬于真空泵油分子ρCH2-真空泵油-二維(圖10a)。進一步開展了石蠟油分子的同步二維MIR光譜研究(圖10b)，則得到了同樣的光譜信息。

根據表2數據，真空泵油與石蠟油分子同步二維MIR光譜存在著一定的差異性。研究發現：真空泵油分子中的芳基化合物的種類及含量要多于石蠟油分子，而石蠟油分子中羰基化合物的種類及數量要多于真空泵油分子。

表2 真空泵油與石蠟油分子同步二維MIR光譜數據

3 結論

真空泵油分子的紅外吸收模式主要包括：νasCH3、νsCH3、νasCH2、νsCH2、δCH2、δasCH3、δsCH3和ρCH2。研究發現：真空泵油及石蠟油的分子結構基本相同，均為碳氫類化合物。真空泵油分子中的芳基化合物的種類及含量要多于石蠟油分子，而石蠟油分子中羰基化合物的種類及含量要多于真空泵油分子。