多元醇酯基礎(chǔ)油性質(zhì)及應(yīng)用探究

張俊杰陳炳耀,2楊善杰薛飛廖輝云

(1．廣東三和控股有限公司，廣東 中山 528429；2．廣東三和化工科技有限公司，廣東 中山 528429)

多元醇酯基礎(chǔ)油性質(zhì)及應(yīng)用探究

張俊杰1陳炳耀1,2楊善杰1薛飛1廖輝云1

(1．廣東三和控股有限公司，廣東 中山 528429；2．廣東三和化工科技有限公司，廣東 中山 528429)

多元醇酯在酯類(lèi)合成基礎(chǔ)油中占據(jù)舉足輕重的地位，研究其性能及應(yīng)用會(huì)對(duì)配方體系奠定基礎(chǔ)。本文主要對(duì)多元醇酯物理性質(zhì)，高極性，溶脹性及熱和氧化穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并分析其在內(nèi)燃機(jī)油領(lǐng)域的應(yīng)用及價(jià)值。最終得出多元醇酯低溫性能優(yōu)良，高極性和溶脹性彌補(bǔ)了PAO型基礎(chǔ)油的缺陷，與PAO型基礎(chǔ)油組成的合成流體是內(nèi)燃機(jī)油理想的基礎(chǔ)油。

多元醇酯;高極性;密封溶脹性;熱和氧化穩(wěn)定性

0 引言

伴隨著機(jī)械化行業(yè)的高速發(fā)展，作為其傳遞介質(zhì)及減少磨損的潤(rùn)滑油領(lǐng)域也在日新月異。而在其所包含的基礎(chǔ)油領(lǐng)域，合成基礎(chǔ)油也在不斷的增加和改進(jìn)。酯類(lèi)基礎(chǔ)油作為其中一員，發(fā)揮著不可替代的作用。目前對(duì)于酯類(lèi)基礎(chǔ)油的開(kāi)發(fā)使用不足，影響配方體系的發(fā)展。

本文主要對(duì)酯類(lèi)基礎(chǔ)油中的多元醇酯進(jìn)行分析論證，通過(guò)研究其獨(dú)特的性能特點(diǎn)及在應(yīng)用領(lǐng)域中的表現(xiàn)，使我們對(duì)這類(lèi)基礎(chǔ)油有更加清晰的認(rèn)知，對(duì)配方體系的研究奠定基礎(chǔ)。

1 多元醇酯的合成

1.1 多元醇酯的合成

酯的合成主要分為酯化、中和、過(guò)濾，而醇+酸=酯+水是最基本的反應(yīng)。

多元醇酯主要有為兩種合成途徑：(1)多羥基醇和單功能酸經(jīng)酯化反應(yīng)合成，其中多羥基醇包括新戊醇(NPG)，三羥甲基丙烷(TMP)，聚戊丙醇(PE)。(2)酯基轉(zhuǎn)移作用(醇解)制備，具體指單酯與新戊醇在催化劑存在下進(jìn)行酯轉(zhuǎn)移[1]，得到所希望的生成物，同時(shí)選取特定的催化劑有助于反應(yīng)的合成的速率。

1.2 理化性質(zhì)

(1)物理性質(zhì)

分別選取市面上的Ⅱ類(lèi)基礎(chǔ)油150N、PAO6、雙酯和多元醇酯基礎(chǔ)油，進(jìn)行性質(zhì)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

分析表1得出，多元醇酯相比于二類(lèi)基礎(chǔ)油150N，傾點(diǎn)小于-20℃，揮發(fā)性也更小，對(duì)于潤(rùn)滑油配方體系而言，揮發(fā)度小的油品粘度增大幅度更小，有利于大大延長(zhǎng)其使用壽命；同時(shí)多元醇酯整體性能相比于PAO6，低溫性能略差，其他參數(shù)彼此接近；雙酯由二元酸和支鏈一元醇反應(yīng)制得，由表1看出，其有極佳的粘度指數(shù)和傾點(diǎn)，整體性能達(dá)到PAO型基礎(chǔ)油，但低溫略有不足。多元醇酯與雙酯相比，兩者物理性質(zhì)很接近，但多元醇酯和雙酯相對(duì)分子質(zhì)量低，限制其粘度范圍，整體粘度偏低。

表1 基礎(chǔ)油物理參數(shù)

(2)高極性

多元醇酯基礎(chǔ)油具有高極性，可以作為PAO型配方體系的有效溶劑[2]，該性質(zhì)在配方體系研究中發(fā)揮著巨大的作用。伴隨著機(jī)械化的日新月異，人們對(duì)潤(rùn)滑油的要求也在不斷升級(jí)，隨著而來(lái)的配方體系的升級(jí)帶動(dòng)PAO型基礎(chǔ)油的全面推廣。而PAO型基礎(chǔ)油為非極性，在使用添加劑特別是增粘類(lèi)聚合物時(shí)，存在溶解性問(wèn)題，這對(duì)于配方的結(jié)果有很大的影響。通過(guò)多元醇酯等其他酯類(lèi)基礎(chǔ)油的添加，改變了整個(gè)體系的極性，有助于改善添加劑的溶解問(wèn)題，保證油品的品質(zhì)。

(3)密封溶脹性

彈性體與液體潤(rùn)滑劑接觸，存在物理和化學(xué)作用，導(dǎo)致彈性體發(fā)生溶脹現(xiàn)象。多元醇酯及其他酯類(lèi)基礎(chǔ)油與彈性體聚合物之間幾乎不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，兩者的物理作用主要有兩個(gè)不同的過(guò)程：①?gòu)椥泽w聚合物與潤(rùn)滑劑之間吸附發(fā)生膨脹，這個(gè)主要取決于彈性體聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量大小，其越大，膨脹越小。②彈性體聚合物被潤(rùn)滑劑溶解抽提造成收縮，這個(gè)由潤(rùn)滑劑與彈性體溶解參數(shù)的接近性決定，即遵循“相似相溶”原理。

(4)熱和氧化穩(wěn)定性

基礎(chǔ)油整體都是非常穩(wěn)定的，酯鏈的穩(wěn)定性比C-C鍵更好，但酯的氧化穩(wěn)定性略差于礦物油，這是由于礦物油中含有不純物，起到抗氧劑的作用。該性能主要取決于烴存在的數(shù)量和類(lèi)型，直鏈酸的酯比支鏈更穩(wěn)定，短鏈酸的酯比長(zhǎng)鏈更穩(wěn)定。

多元醇酯相比于雙酯，具有更佳的熱穩(wěn)定性。由于酯的醇部分上的β碳原子上缺少氫原子導(dǎo)致其具有更好的熱穩(wěn)定性。氫原子的存在會(huì)造成分解反應(yīng)，此分解機(jī)理可理解為環(huán)狀的六元產(chǎn)生酸和1-烯烴，當(dāng)雙酯上的β碳上氫原子被烯烴置換后裝換為多元醇酯不再發(fā)生該反應(yīng)，而是通過(guò)自由基發(fā)生熱分解反應(yīng)，需要更高的能量，熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。

但是多元醇酯的氧化穩(wěn)定性略低于雙酯，這是由于其中含有的烯烴鍵使其氧化穩(wěn)定性降低。而長(zhǎng)鏈分子需要不飽和烴來(lái)改善低溫流動(dòng)性，所以減少不飽和烴很重要，特別是避免連接雙鍵。

表2 成焦板試驗(yàn)，各加1%胺型抗氧劑，板溫275℃，22h

評(píng)分系統(tǒng)：＞2.0不及格，0.5～2.0通過(guò)，＜0.5優(yōu)秀。

用成焦板試驗(yàn)評(píng)定潤(rùn)滑油的沉積物生成趨勢(shì)，綜合考慮熱穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性。由表2得出，有芳烴的鄰苯二甲酸與缺少β氫的多元醇酯性能比雙酯更好，優(yōu)化多元醇酯性能最佳。多元醇酯熱穩(wěn)定性比雙酯好，但氧化穩(wěn)定性不如雙酯，整體性能極佳主要是由于多元醇酯基礎(chǔ)油對(duì)抗氧劑的感受性很好，加入少量抗氧劑即可大大增強(qiáng)其氧化穩(wěn)定性。表2中由于加入1%抗氧劑量，氧化穩(wěn)定性得到大大提高。

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域

在內(nèi)燃機(jī)油領(lǐng)域中，一般多用多元醇酯。市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力是延長(zhǎng)換油期，而多元醇酯的熱和氧化穩(wěn)定性極佳，同時(shí)蒸發(fā)損失小，這些都大大延長(zhǎng)潤(rùn)滑油的使用壽命[3]。同時(shí)其低溫流動(dòng)性好，可以減少啟動(dòng)磨損。

在配方體系的研究中，多元醇酯和PAO的合成流體是內(nèi)燃機(jī)油的理想基礎(chǔ)油。PAO型基礎(chǔ)油具有極低的傾點(diǎn)和高粘度指數(shù)，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的冷啟動(dòng)有極大的改善，同時(shí)其添加劑的感受性非常好，兩者的合成流體在有添加劑的情況下性能優(yōu)越，而多元醇酯本身對(duì)粘指劑的溶解性很強(qiáng)，并具有優(yōu)良的溶脹密封性，彌補(bǔ)了PAO型基礎(chǔ)油的不足。

2 結(jié)論

(1)多元醇酯主要由多羥基醇和單功能酸經(jīng)酯化反應(yīng)和酯基轉(zhuǎn)移作用兩條合成途徑制備。

(2)多元醇酯具有優(yōu)良的低溫性能，同時(shí)揮發(fā)度小，但相對(duì)分子質(zhì)量小限制其粘度范圍。

(3)多元醇酯具有高極性，可作為PAO型配方體系的溶劑，解決添加劑的溶解問(wèn)題。同時(shí)與密封件之間具有良好的溶脹性。成焦板試驗(yàn)顯示其熱穩(wěn)定性極佳，并對(duì)抗氧劑感受性強(qiáng)，在加入1%胺型抗氧劑后氧化穩(wěn)定性?xún)?yōu)良。

(4)多元醇酯和PAO的合成流體是內(nèi)燃機(jī)油領(lǐng)域的理想合成基礎(chǔ)油，具有極低的傾點(diǎn)及熱安定性，并對(duì)添加劑有良好的感受性及溶解性。

[1]王貽全,梁宇翔.多元醇酯基礎(chǔ)油性能-結(jié)構(gòu)關(guān)系研究及在航空潤(rùn)滑油中的發(fā)展概述[J].潤(rùn)滑油,2014,(03)∶33-38.

[2]費(fèi)建奇,趙偉.多元醇酯類(lèi)冷凍機(jī)用基礎(chǔ)油的合成及其性能[J].潤(rùn)滑油,2009,(04)∶22-25.

[3]紀(jì)獻(xiàn)兵,陳銀霞.新戊基多元醇酯在潤(rùn)滑領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā),2013,(09)∶15-17.

張俊杰(1993- )，男，陜西寶雞人，主要研究方向潤(rùn)滑劑。