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PAO和酯類油在合成潤滑劑中的應用

作者:山東瑞捷新材料有限公司點擊:171 發布時間:2014/9/1 17:40:13

 

    20世紀30年代末,德國首先利用石蠟裂解所得的α-烯烴生產聚烯烴潤滑油,50年代酯類油已被用做航空渦輪發動機油,在之后的相當長一段時間內,合成潤滑油的發展比較緩慢。后來由于發動機的發展和進步,其操作條件對潤滑油提出了更高的要求,以Mobil 1#問世為標志,合成發動機油獲得了相當大的發展,至90年代末,合成轎車機油已占該種油品總量的2.2%,尤其在歐洲,合成轎車機油的比例已達8%;與此同時,114億L的工業潤滑油需求中合成油也占了341ML(3%)。隨著更嚴格的OEM規格,延長設備壽命,延長換油期等需求的增長,合成潤滑油正以4%~5%的年增長率迅速增加。

    在全世界所需合成潤滑油之基礎油中,聚α-烯烴(PAO)和酯類油就占了約60%~70%。雖然越來越多的Ⅱ類及Ⅲ類礦物基礎油的生產和應用在某些油品中部分取代了PAO,但由于PAO優異的高、低溫性能及低揮發性等特點,可以說PAO在許多油品中目前仍是無可取代的。

1   PAO

1.1 PAO的生產及結構

    目前國外各公司的PAO基本上都是由乙烯齊聚生成的C=10α-葵烯經催化齊聚并經加氫飽和生產的。由于其原料α-葵烯的純度高,催化劑活性及選擇性高,工藝條件控制嚴格,故PAO產品的性能遠比用不同油含量的蠟經裂解、分餾再聚合所得到的聚烯烴的質量好得多。主要表現在其粘度指數、低溫性能及熱氧化安定性等方面有顯著不同。

    PAO可分為低粘度PAO(100℃粘度為2~10mm2/s)和高粘度PAO(100℃粘度為40~100mm2/s)兩大類,由ExxonMobil Chemical公司、Chevron/Philiphs公司、BP/Amoco等少數公司生產。ExxonMobil Chemical公司是唯一能生產低粘度和高粘度兩大類PAO的公司。ExxonMobil Chemical公司還提出一種新型超高粘度的PAO SuperSynTM,其100℃粘度可達150~3000mm2/s,粘度指數高至220~388。與傳統的PAO相比,SuperSynTM具有更規整的結構。2種PAO的結構見圖1(常規PAO,平均側鏈長6~7個碳;SuperSynTM系列PAO,平均側鏈長8個碳)(圖略)。

    PAO的規整結構賦予了它許多有別于礦物油的卓越性質。圖2是PAO與相同粘度的Ⅲ類基礎油的對比圖(圖略)。

1.2 PAO的卓越性能

1.2.1 粘度指數高及優異的低溫性能

    低粘度PAO與相同粘度Ⅲ類基礎油的性質對比見表1。

 

1 PAO與相同粘度類基礎油的性質對比

項  目

4mm2/s

6mm2/s

8 mm2/s

PAO

Ⅲ類油

PAO

Ⅲ類油

PAO

Ⅲ類油

100℃運動粘度/mm2·s-1

4.61

4.62

5.92

6.00

7.86

7.76

粘度指數

131

129

139

133

138

129

傾點/℃

<-66

-24

-54

-21

-48

-21

動力粘度/mPa·s

 

 

 

 

 

 

  -30℃

1000

1700

2260

4000

4800

8760

  -40℃

3400

151000

6500

凍結

16200

凍結

 

 

    表1數據說明,除粘度指數大于Ⅲ類基礎油外,PAO的突出特點是傾點低,低溫流動性大大優于Ⅲ類基礎油。在0W發動機油、75W齒輪油、ATF、低溫液壓油及其它對低溫粘度要求高的油品中,PAO的地位是無可取代的。

    在高粘度油品領域中,目前尚無合適的Ⅱ及Ⅲ類基礎油;而聚異丁烯(PIB),無論是粘度指數,還是傾點及閃點,都大大遜于PAO,見表2。

 

2 高粘度PAOPIB的對比

項  目

PAO40

PIB30

PAO100

PIB110

PIB50

運動粘度/mm2·s-1

 

 

 

 

 

  100℃

39

31

100

112

50

  40℃

396

604

1240

3550

1140

粘度指數

147

75

170

98

87

傾點/℃

-36

-35

-31

-13

-23

閃點/℃

281

>141

283

>190

>150

 

 

    新型的PAO及SuperSyn在粘度指數和傾點等方面的優越性更加突出,見圖3及圖4(圖略)。

1.2.2 極好的熱氧化安定性

    眾所周知,PAO的穩定性好,雖然其本身的氧化安定性并不特別高,但它對抗氧劑的感受性特別好,加入少量抗氧劑,特別是胺類抗氧劑時,PAO表現出了優異的抗氧化安定性。表3為PAO與礦物油氧化安定性對比數據,表4為PAO與礦物油熱安定性對比數據。

 

3 PAO與礦物油氧化安定性對比(2%抗氧劑)

產  品

Ⅱ類礦物油

6mm2/s PAO

40mm2/s PAO

100mm2/s PAO

100℃粘度增加/%

215.7

3.5

2.6

1.8

TAN變化/mgKOH·g-1

14.5

0.1

0.08

1.1

鉛失重/mg

160.7

0.9

0.1

0.2

油泥

中度

痕跡

 

注:試驗條件:163℃,72h。

 

4 PAO與礦物油熱安定性對比(成漆板試驗1

基礎油

評分2)

4.0mm2/s礦物油

0

4.0mm2/s PAO

8.0

4.0mm2/s PAO/多元醇酯

9.5

 

注:1)試驗條件:鋁板310℃,濺油6min,烘烤1.5min;

    2)評分:10=清潔。

 

1.2.3 低的揮發性

    PAO比相同粘度礦物油的揮發性低。蒸發度對比數據見圖5(圖略)。

    除上述優于礦物油的突出特性外,PAO還具有水解安定性好,配伍性好,潤滑性較好等優點。

2   酯類油

    酯類油是另一類廣泛應用的合成潤滑油的基礎油,是由各種醇和酸反應所生成的具有預定分子結構的有機酯,其粘度指數高,不含普通礦物油中所含有的不穩定雜質。其******的特點是酯分子中的多重酯鍵(-COOR)賦予了酯分子以極性,因而賦予酯類油許多無可比擬的性能和應用特點。

    多數酯類油的粘度指數都很高,具有很好的低溫性能,可在極寬的溫度范圍內使用。

2.1 好的熱氧化安定性

    由于一般在多元醇酯的醇基之β碳原子上沒有氫原子,因而多元醇酯比雙酯熱穩定性更好,其氧化安定性也比雙酯高。酯類油的氧化安定性主要受酯中酸化學結構的影響,其安定性順序為:長鏈酸<短鏈酸、輕度分支的酸<直鏈酸、高度分支的酸。各種酯類油的氧化安定性及其與礦物油的對比評價結果見表5。

 

5 各種酯類油的氧化安定性及其與礦物油的對比

各種酯類油及礦物油

成漆板試驗結果*

礦物油

3.95

雙酯

2.50

苯二甲酸酯

1.07

偏苯三酸酯

0.04~0.50

三羥甲基丙烷酯

0.18~0.57

 

注:* 成漆板試驗條件:275℃,22h,通空氣;目測評分:>2為失敗,0.5~2.0通過,<0.5為優;樣品均含1%胺型抗氧劑。

 

2.2 極佳的潤滑性能

    酯的極性使其在金屬表面形成一個穩定的膜,因而能在極端條件下提高油品的潤滑性,見表6。PAO中加入酯類油能顯著減少摩擦系數。

 

6 PAO中加入酯類油對HFRR試驗結果的影響*

試  油

摩擦系數

成膜性/%

PAO 2mm2/s

0.230

14

PAO 2mm2/s+20%多元醇酯

0.115

70

PAO 4mm2/s

0.157

20

PAO 4mm2/s+20%多元醇酯

0.102

85

 

注:* HFRR試驗:高頻往復臺架試驗。

 

2.3 對極性物質的溶解性

    酯的極性有助于增加添加劑和油中初級氧化產物及油泥的溶解度,防止油泥的生成。

2.4 可生物降解性

    酯鍵為微生物攻擊酯分子提供了活化點,因而酯是可生物降解的,因而酯類油可用于“對環境友好潤滑油”的配方,不同酯類油的可生物降解性見表7。

 

7 不同酯類油的可生物降解性

酯類油類型

OECD 301B(20d)/%

CEC L 33A 93(21d)/%

單酯

30~90

70~100

雙酯

10~80

70~100

苯二甲酸酯

5~70

40~100

偏苯三酸酯

0~40

0~70

直鏈多元醇酯

50~90

80~100

支鏈多元醇酯

0~40

0~40

復合酯

60~90

70~100

 

 

2.5 低的揮發性

    在相同粘度時酯的蒸汽壓低,閃點高,因而所生產成潤滑劑的蒸發度低,酯的蒸汽壓隨其結構不同而不同,見圖6(圖略)。

    用于合成潤滑劑的酯類油通??煞譃?類:單酯、雙酯、芳香酯(苯二甲酸酯和偏苯三酸酯)、多元醇酯及復合酯。其中雙酯是由二元酸與各種醇生產的,雙酯曾被用做早期的噴氣發動機油,目前多用于高性能潤滑脂和發動機油,亦可用于各種各樣的工業用油。芳香酯是由苯二甲酸及偏苯三酸與各種醇生產的,其特點是可作為低成本的高粘度調合組分使用。主要用于調制對粘度指數要求不高而要求必須清潔操作的空氣壓縮機油。多元醇酯是由多元醇,例如三羥甲基丙烷或季戊四醇,與各種各樣的單元酸反應生成的。多元醇酯是高性能酯類油,具有更好的熱氧化安定性,有可能使潤滑劑的使用溫度范圍擴大50~100℃。此外,酯鍵被適當屏蔽的多元醇酯的水解安定性比雙酯好得多。多元醇酯主要用于現代航空燃氣發動機油。其它應用包括:空氣壓縮機油、齒輪油、儀器用油、工業用油和發動機油的調合組分,多元醇酯還越來越多地被用做環保型潤滑油和潤滑脂,如二沖程油、可生物降解液壓油和冷凍機油等。復合多元醇酯是由單及二元酸與多元醇反應生成的,其分子量高,且具有鉸鏈聚合結構,是可生物降解的酯。

3   PAO和酯類油的應用及合成工業用油的特點

    由于PAO和酯類油具有上述顯著的性能特點,故廣泛應用于對油品要求很高的現代汽車用油和工業用油,尤其那些礦物油不能滿足其性能要求的油品。

3.1 合成內燃機油的特點和應用

    合成半合成內燃機油所用的主要基礎油是PAO,為了強化其性能,增加添加劑及油泥的溶解度,有時也加入一些酯類油。主要是0W/XX和5W/XX油。合成內燃機油的特點是:低溫性能很好,可在嚴寒區應用;高溫性能很好,可滿足現代車輛要求;粘溫性能好,可少用粘度指數改進劑,以減少亮紅燈機會;啟動性好,減少啟動磨損;潤滑性好,減少摩擦磨損,并延長車輛使用壽命;蒸發損失小,減少油耗,利于環保等。

3.2 合成車輛齒輪油的特點和應用

    合成車輛齒輪油多為低粘度和大跨度的油品,例如75W/90、75W/80、80W/140甚至75W/140等。主要成分是PAO,有時也加入一些酯類油。合成齒輪油的優勢在于:低溫性能好,節能,溫升??;可減少齒輪的磨損,延長齒輪壽命;可延長換油期,減少潤滑油的油耗;同時由于PAO的粘度指數高,可大大減少增粘劑的用量,增加了油品的剪切安定性,易于滿足98版SAE J 306齒輪油粘度分類對剪切安定性的要求。

3.3 合成工業用油的特點和應用

    合成工業用油近年來發展很快,主要是由于設備性能的提高,礦物油已不能滿足設備性能的要求。同時合成油還能滿足設備的效率,降低操作成本,延長換油期,降低潤滑油油耗和環保等各方面的要求。

3.4 合成空氣壓縮機油的特點和應用

    合成空氣壓縮機油又可分為以酯類油為主和以PAO為主的兩類,均可用于旋轉式和往復式空氣壓縮機。其共同特點是:低溫流動性和高溫穩定性都很好;揮發度低,閃點高,使用安全,減少或消除沉積物的形成。因而換油期長,滑片式可從500h提高到4000h,螺桿式/往復式可從1000h提高到8000h;能耗小,美國一統計數據表明,21臺往復式空氣壓縮機平均降低能耗7.4%;11臺螺桿式空氣壓縮機平均降低能耗8.3%;承載能力高,可為同粘度礦物油的2倍;降低油耗至少30%;并能減少維修,增加運轉時間,提高開工率等。另外,酯基壓縮機油具有可生物降解性,而PAO基壓縮機油的耐水解安定性好。

3.5 合成工業齒輪油的特點和應用

    主要用于礦物油性能滿足不了要求的場合,例如:負荷極高,非正常操作環境,要求高、低溫操作的場合。其使用特點是:提高熱功率極限,礦物油只可用至≤93℃,合成油可用于130℃;降低能耗,提高效率,例如,某VG 220合成齒輪油,其操作溫升比礦物油低8℃,能耗低5.3%;低溫啟動性好,大大減少磨損;改善齒輪潤滑狀態,尤其是高溫下抗磨損性能,延長設備使用壽命;延長換油期,使用壽命數倍于礦物油等。

3.6 合成液壓油的特點和應用

    合成液壓油適用于苛刻條件下,尤其是高溫高氧化,長時間工作的齒輪泵、活塞泵或葉片泵,例如:煉鋼廠、熱軋廠、煤礦、熱處理等場合使用的高溫高壓液壓油,使用溫度一般在-20~150℃;還適用于需要低溫啟動性能好的寒區/高寒區用油。其使用溫度范圍寬;剪切安定性好;沉積物少,油耗小,換油期長;分水性、抗泡性、空氣釋放性及抗乳化性均十分良好。

3.7 合成抗燃液壓油及可生物降解液壓油的特點和應用

    某些多元醇酯由于其揮發性小,閃點高,潤滑性好,故可用做抗燃液壓油,許多酯類油還可用做可生物降解液壓油的基礎油。

3.8 合成高溫鏈條油的特點和應用

    合成高溫鏈條油適用于高溫下的傳動裝置,例如紡織、汽車制造、陶瓷、玻璃、塑料成膜、玻璃纖維及食品加工等工業,使用溫度高達260℃。例如,某紡織印染廠的熱定型機傳動鏈條,操作溫度大于215℃,使用合成油后,結焦少,能耗降低30%~80%,開工周期從3個月延長到9個月,大大縮短了停工檢修時間和檢修工作量(從15天、20個勞動力減少到6天、15個勞動力),并延長了摩擦件的使用壽命。

3.9 合成氣輪機油的特點和應用

    合成氣輪機油主要用于航空燃氣輪機,也可用于民用燃氣輪機及蒸汽輪機,合成燃氣輪機油的特點是優異的防銹性和極好的低溫流動性及高溫抗氧性。合成蒸汽輪機油的特點是,優異的抗氧化安定性和化學安定性,破乳化性及好的防銹性等。

3.10 合成潤滑酯的特點和應用

    PAO和酯類油均可用于合成潤滑脂,主要是在苛刻的使用條件下保護機器部件,尤其適用于低溫及高溫潤滑脂,使用溫度范圍一般在-37~200℃;合成潤滑酯的熱氧化安定性好,可用于食品加工機械,酯類油基的潤滑酯還有生物降解性。

4   

    為滿足現代工業及車用潤滑劑苛刻的性能要求。以PAO和酯類油為主體的合成潤滑油得到了很大的發展。PAO與酯類油可單獨使用,也可相互復合。由于PAO和酯類油的粘度范圍寬,各種性能優越,使其靈活性很大,可調配出不同粘度級別和不同質量水平的油品。由于其優良的性能使以合成油為基礎油的油品具備換油期長、設備使用壽命長、節能等優點。


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