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      柴油抗磨劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      2018-04-12 01:04:30劉金勝藺建民張建榮
      關(guān)鍵詞:抗磨劑抗磨性官能團(tuán)

      王 祥, 李 妍, 劉金勝, 藺建民, 張建榮

      (中國(guó)石化 石油化工科學(xué)研究院, 北京 100083)

      抗磨添加劑的研究可以追溯到20世紀(jì)50年代,多集中于某一種或多種類型復(fù)合的添加劑,如醇、酯、酸、胺、酰胺等在柴油中的含量與柴油潤(rùn)滑性的相關(guān)關(guān)系[1-5]。主要的抗磨機(jī)理是,抗磨添加劑通過(guò)在摩擦表面形成物理或化學(xué)吸附膜、化學(xué)反應(yīng)膜、物理或化學(xué)沉積膜等方式來(lái)保護(hù)摩擦表面,從而起到抗磨作用[6-8]。但上述研究?jī)?nèi)容對(duì)于添加劑分子間是如何形成保護(hù)膜的問(wèn)題很少涉及,因此對(duì)于抗磨劑分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍有難度。

      在柴油泵的工作工況中,要想達(dá)到減少磨損的效果,柴油中的抗磨分子在摩擦副之間應(yīng)該存在有序穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜。目前柴油使用的抗磨劑主要是脂肪酸及其衍生物等極性化合物,這類化合物難以在摩擦表面形成化學(xué)反應(yīng)膜和沉積膜,主要是形成物理或化學(xué)吸附膜。當(dāng)摩擦副運(yùn)動(dòng)時(shí),摩擦副之間的潤(rùn)滑介質(zhì)受到剪切,與金屬摩擦表面形成化學(xué)吸附的抗磨劑分子將會(huì)比形成物理吸附的分子吸附得更牢固穩(wěn)定,更利于潤(rùn)滑,從而可有效防止金屬磨損。進(jìn)一步假設(shè),若抗磨劑分子間存在較強(qiáng)的作用力,每一個(gè)分子的端基都會(huì)被周圍的端基縛住,從而使摩擦表面的化學(xué)吸附膜更加致密和牢固穩(wěn)定。如果分子間有氫鍵存在,氫鍵鍵能約為25~40 kJ/mol,3~6個(gè)氫鍵相當(dāng)于1個(gè)共價(jià)鍵[9],從而有效地阻止分子脫落,有利于形成有效的化學(xué)吸附膜。上述假設(shè)是基于可以形成緊密吸附膜的前提下,即分子的形狀應(yīng)該是線性分子[8]。

      由上述分析可以推測(cè),具有優(yōu)越抗磨性能的抗磨劑分子需具有的基本結(jié)構(gòu)特性:分子中一部分基團(tuán)可以穩(wěn)定吸附于金屬表面,最好能發(fā)生化學(xué)吸附;同時(shí)還有一部分基團(tuán)可以形成分子間氫鍵,增強(qiáng)分子間作用力。同時(shí)含有上述兩類基團(tuán)的線性分子,其抗磨效果可能優(yōu)于只含有其中任意一類基團(tuán)的分子;不能同時(shí)滿足上述條件的分子,其抗磨效果可能較差。

      筆者利用分子模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,驗(yàn)證上述假設(shè)的合理性,為新型高效抗磨劑的分子設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

      1 實(shí)驗(yàn)部分

      1.1 原料和試劑

      烯基丁二酸酐性質(zhì)活潑,反應(yīng)后可以引入2個(gè)官能團(tuán),又是長(zhǎng)鏈線性分子,因此本實(shí)驗(yàn)中以烯基丁二酸酐及其衍生物為研究對(duì)象,驗(yàn)證上述假設(shè)。其中,十二烯基丁二酸酐(結(jié)構(gòu)編號(hào)(0),簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)(0),下同,GR)、棕櫚酸(十六烷酸)甲酯(結(jié)構(gòu)(7),AR)、棕櫚酸單甘油酯(結(jié)構(gòu)(8),AR),國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品;十二烯基丁二酰亞胺(結(jié)構(gòu)(1))、N-甲基十二烯基丁二酰亞胺(結(jié)構(gòu)(2))、十二烯基丁二環(huán)酰肼(結(jié)構(gòu)(3))、十二烯基丁二酸(結(jié)構(gòu)(4))、十二烯基丁二酸半酯(結(jié)構(gòu)(5))、十二烯基丁二酸二酯(結(jié)構(gòu)(6)),均為自制,原料和試劑的分子結(jié) 構(gòu)如圖1所示。DF06柴油(硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)<10 μg/g),中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司提供。

      圖1 原料和試劑的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structures of reaction materials and agentsR1—Dodecenyl; R2—Pentadecyl;(0) Dodecenyl succinic anhydride; (1) Dodecenyl succinimide; (2) N-methyldodecenyl succinimide; (3) Dodecenyl butyl hydrazide;(4) Dodecenyl succinic acid; (5) Dodecenyl succinic monoester; (6) Dodecenyl succinic diester;(7) Methyl palmitate; (8) Glycerol monopalmitate

      1.2 模擬計(jì)算方法

      根據(jù)前線軌道理論,對(duì)抗磨劑分子能否在摩擦表面發(fā)生化學(xué)吸附進(jìn)行分析。利用Materials Studio軟件的Dmol3模塊,計(jì)算分子和摩擦表面的最高占據(jù)軌道(HOMO)和最低未占軌道(LUMO),以及Fukui指數(shù),以考察分子在摩擦表面是否有可能發(fā)生化學(xué)吸附并判斷可能的吸附位點(diǎn)。

      考慮到抗磨劑分子作用的表面主要由Fe構(gòu)成,且金屬Fe的(110)面在整個(gè)晶體的表面形態(tài)中所占面積比例最大,因此構(gòu)建Fe(110)面作為摩擦表面的模型。

      為提高計(jì)算效率,在考察抗磨劑分子極性基團(tuán)與Fe表面的化學(xué)吸附作用時(shí),所用的抗磨劑模型分子的烯基或烷基的碳鏈長(zhǎng)度均縮短至3,如以丙烯基丁二酸酐代表十二烯基丁二酸酐,以丙酸甲酯代表棕櫚酸甲酯。

      1.3 抗磨效果評(píng)價(jià)方法

      根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0765《柴油潤(rùn)滑性評(píng)定法(高頻往復(fù)試驗(yàn)HFRR機(jī)法)》,通過(guò)測(cè)定鋼球上產(chǎn)生的磨斑直徑來(lái)評(píng)價(jià)加入200 μg/g抗磨劑的柴油的潤(rùn)滑性,從而評(píng)價(jià)抗磨劑的抗磨性能。測(cè)試所用空白柴油DF06的磨斑直徑為650 μm。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 抗磨劑分子的化學(xué)吸附

      考慮到化學(xué)吸附在抗磨劑成膜、潤(rùn)滑過(guò)程中的重要作用,著重考察了抗磨劑分子的化學(xué)吸附能力。前線軌道理論認(rèn)為,分子間反應(yīng)關(guān)鍵取決于HOMO和LUMO。兩個(gè)分子互相接近時(shí),如果一個(gè)分子的HOMO和另一個(gè)分子的LUMO對(duì)稱性匹配,同時(shí)互相起作用的HOMO、LUMO能級(jí)高低接近(約6 eV 以內(nèi)),那么隨著兩個(gè)分子的HOMO與LUMO發(fā)生重疊,電子可以從一個(gè)分子的HOMO轉(zhuǎn)移到另一個(gè)分子的LUMO,即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

      Fe(110)面及抗磨劑分子的HOMO、LUMO軌道分布情況,見(jiàn)圖2、圖3。

      圖2、圖3中,十二烯基丁二酸半酯因其十二烯基位置不同而具有(5a)、(5b) 2種結(jié)構(gòu),其他結(jié)構(gòu)編號(hào)與圖1中相同。由圖2、圖3可知,F(xiàn)e(110)面的HOMO、LUMO軌道與抗磨劑分子的LUMO、HOMO軌道在形態(tài)上均能以正(藍(lán)色區(qū)域)與正(藍(lán)色區(qū)域)疊加、負(fù)(黃色區(qū)域)與負(fù)(黃色區(qū)域)疊加的方式接近[10],即無(wú)論是抗磨劑分子的HOMO還是LUMO都分別與Fe表面的LUMO、HOMO對(duì)稱性匹配。這表明抗磨劑分子與Fe表面有發(fā)生化學(xué)作用的可能性。

      表1列出了各抗磨劑分子的HOMO、LUMO軌道能級(jí)。ΔE越小越容易反應(yīng),若ΔE1<ΔE2,則Fe表面LUMO與抗磨劑分子HOMO參與反應(yīng);若ΔE1>ΔE2,則Fe表面HOMO與抗磨劑分子LUMO參與反應(yīng)。

      圖2 抗磨劑分子及Fe(110)面的HOMO軌道示意圖Fig.2 HOMO orbitals of anti-wear agent molecules and Fe(110)(5a) The dodecenylis close to the carboxyl group; (5b) The dodecenylis close to the ester group Other lengths are same as Fig.1.

      圖3 抗磨劑分子及Fe(110)面的LUMO軌道示意圖Fig.3 LUMO orbitals of anti-wear agent molecules and Fe(110)Lengths are same as Fig.2.

      由表1可知,8種抗磨劑分子與Fe(110)面的能級(jí)差都出現(xiàn)如下規(guī)律:ΔE1?6 eV,ΔE2接近6 eV。這說(shuō)明在摩擦過(guò)程中,以上8種抗磨劑分子均能與Fe表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。并且由抗磨劑分子與Fe(110) 面的軌道能級(jí)比較可知,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí),F(xiàn)e(110)面的HOMO電子流入抗磨劑分子的LUMO中,即Fe失去電子,抗磨劑分子得到電子。

      表1 Fe(110)面及抗磨劑分子的HOMO、LUMO能級(jí)Table 1 HOMO and LUMO energy levels of Fe(110) and anti-wear agent molecules

      ΔE1=|LUMOFe-HOMOMole|;ΔE2=|LUMOMole-HOMOFe|

      在確認(rèn)以上抗磨劑分子可以通過(guò)其LUMO與Fe(110)面的HOMO作用而發(fā)生化學(xué)吸附后,下面利用抗磨劑分子的Fukui(+)指數(shù)來(lái)進(jìn)一步判斷發(fā)生該化學(xué)吸附反應(yīng)的活性位點(diǎn)。Fukui指數(shù)是判斷分子反應(yīng)活性部位的有效方法,F(xiàn)ukui(+)、Fukui(-)指數(shù)分別表示原子得、失電子后電荷的變化量,數(shù)值越大表示該原子得、失電子能力越強(qiáng)。基于前線軌道理論,結(jié)合圖3中觀察到的抗磨劑分子的LUMO主要出現(xiàn)在其含氧原子的基團(tuán)上的現(xiàn)象,下面重點(diǎn)考察抗磨劑分子中氧原子的Fukui(+)指數(shù)。

      以棕櫚酸單甘油酯(結(jié)構(gòu)(8),計(jì)算中簡(jiǎn)化為丙酸單甘油酯)為例進(jìn)行分析,其結(jié)構(gòu)中各原子編號(hào)見(jiàn)圖4,各原子Fukui(+)指數(shù)具體數(shù)值見(jiàn)表2。

      圖4 丙酸單甘油酯分子的原子編號(hào)Fig.4 Atom numbers of glyceryl monopropionate molecule

      表2 丙酸單甘油酯分子中氧原子Fukui(+)指數(shù)Table 2 Fukui(+) index of oxygen atoms ofglyceryl monopropionate molecule

      丙酸單甘油酯的各氧原子的Fukui(+)指數(shù)中O10值最高,且O10也是貢獻(xiàn)LUMO軌道的原子,因此脂肪酸單甘油酯類抗磨劑分子在摩擦過(guò)程中與摩擦表面發(fā)生化學(xué)吸附的活性位點(diǎn)是O10,而不是酯基氧O4,也不是羥基氧O8、O9。而未與Fe表面發(fā)生化學(xué)吸附的—OH便可以與吸附于Fe表面的其他相鄰分子形成分子間氫鍵,分子間作用力大大增強(qiáng),吸附膜穩(wěn)定性也隨之大大增強(qiáng)。

      上述預(yù)測(cè)過(guò)程中所需的其他結(jié)構(gòu)抗磨劑分子的吸附位點(diǎn)見(jiàn)表3。

      表3 抗磨劑分子的化學(xué)吸附位點(diǎn)Table 3 The chemical adsorption sites ofanti-wear agent molecules

      2.2 分子間氫鍵

      因抗磨劑中含有2個(gè)極性官能團(tuán),其中N和O原子具有較強(qiáng)的電負(fù)性,具有形成氫鍵的可能。因此在確定了抗磨劑分子化學(xué)吸附的優(yōu)勢(shì)官能團(tuán)后,計(jì)算了抗磨劑分子中其他極性基團(tuán)的分子間氫鍵強(qiáng)弱,結(jié)果見(jiàn)表4。

      由表4可知,形成相同數(shù)量的氫鍵時(shí),羧基形成的氫鍵更強(qiáng),其次是酰胺基形成的氫鍵,這說(shuō)明含有羧基或酰胺基的抗磨劑分子間的氫鍵作用可能更強(qiáng)一些。當(dāng)抗磨劑分子中的羧基或酰胺基不是化學(xué)吸附的優(yōu)勢(shì)基團(tuán)時(shí),則很可能形成分子間氫鍵,起到增加抗磨劑在摩擦表面吸附穩(wěn)定性的作用。

      2.3 所考察的新結(jié)構(gòu)抗磨劑的抗磨效果

      本研究所考察的新結(jié)構(gòu)抗磨劑分子,在DF06柴油中加劑量200 μg/g時(shí)的抗磨性能評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。

      由表5可知,如結(jié)構(gòu)(5)和(8)這種含有一個(gè)能與摩擦表面發(fā)生化學(xué)吸附的官能團(tuán),同時(shí)還含有一個(gè)易于形成分子間氫鍵的官能團(tuán)的分子,其抗磨性能更優(yōu)異。而如結(jié)構(gòu)(1)、(3)和(4)這種同一官能團(tuán)既具有發(fā)生化學(xué)吸附的作用又具有形成分子間氫鍵作用的抗磨劑分子,其抗磨性能略差一些。如結(jié)構(gòu)(0)、(2)、(6)和(7)這種僅能發(fā)生化學(xué)吸附而不能形成分子間氫鍵的抗磨劑分子,其抗磨性能更差。

      2.4 理想抗磨劑的分子模型

      吸附于金屬表面的基團(tuán)往往會(huì)有從金屬表面得到電子的趨勢(shì),形成化學(xué)吸附。吸附于金屬表面的抗磨劑分子間距較小,此時(shí)因?yàn)榇嬖诳梢孕纬煞肿娱g氫鍵的基團(tuán),抗磨劑分子之間形成分子間氫鍵,存在分子間相互作用。為了敘述方便,稱此假設(shè)為“T”形分子假設(shè),“T”形分子構(gòu)成的吸附潤(rùn)滑膜的結(jié)構(gòu)如圖5所示,其抗磨機(jī)理示意圖如圖6所示。

      表4 分子間氫鍵的鍵能Table 4 The bond energy of intermolecular hydrogen bond

      表5 新結(jié)構(gòu)抗磨劑抗磨性能評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 The anti-wear performance ofnew anti-wear agent molecules

      抗磨劑分子中與摩擦表面進(jìn)行化學(xué)吸附的基團(tuán)以及與其他抗磨劑分子形成氫鍵的基團(tuán)在摩擦表面呈現(xiàn)“T”形構(gòu)型。“T”的“|”端是與摩擦表面發(fā)生化學(xué)吸附的一端,“T”的“―”端是與鄰近的抗磨劑分子形成氫鍵的一端,整個(gè)“T”形結(jié)構(gòu)保證了抗磨劑分子在摩擦表面形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜;“T”形結(jié)構(gòu)上連接的柔性長(zhǎng)烷基側(cè)鏈用于減少摩擦表面間的摩擦。圖7以月桂酸單甘油酯為例,展示了具有“T”形結(jié)構(gòu)特征的抗磨劑分子構(gòu)成的潤(rùn)滑膜。

      摩擦副之間作剪切運(yùn)動(dòng)時(shí),金屬表面微凸體會(huì)擠壓成膜的“T”形抗磨劑分子,導(dǎo)致其脫落。但“T”形抗磨劑分子的端基之間存在較強(qiáng)的分子間作用力,被擠壓區(qū)域的“T”形分子在脫落過(guò)程中,不僅要克服該片區(qū)域分子本身與金屬表面之間的作用力,還要克服其周邊分子對(duì)該分子的吸引力,因此脫落的難度增大了,即表現(xiàn)為抗磨效果增強(qiáng)?!癟”形分子的“|”端和“―”端見(jiàn)圖8。

      圖5 理想抗磨劑分子潤(rùn)滑膜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The structure diagram of lubricant film formed by ideal anti-wear agent molecules

      圖6 抗磨劑分子的端基之間的相互作用示意圖Fig.6 The schematic diagram of interaction between end group of anti-wear agent molecules F1—Hydrogen-bond interaction between the end groups of anti-wear agent molecules; v—A certain shear rate

      圖7 棕櫚酸單甘油酯分子在Fe(110)面形成吸附膜的示意圖Fig.7 The schematic diagram of adsorption film formed by glycerol monopalmitate moleculesHydrogen atom; Carbon atom; Oxygen atom; Iron atom

      圖8 “T”分子的“|”端及“―”端Fig.8 The “|” and “―” group of “T” molecule “|”group of “T”; “―” group of “T”

      將抗磨劑模擬研究結(jié)果(圖3、表2及表4)與其抗磨性能評(píng)價(jià)結(jié)果綜合分析可知,結(jié)構(gòu)(5)和(8)的抗磨性能更優(yōu)異是因其具有獨(dú)立的化學(xué)吸附優(yōu)勢(shì)官能團(tuán)(“T”分子的“|”端)以及獨(dú)立的分子間氫鍵作用優(yōu)勢(shì)官能團(tuán)(“T”分子的“―”端),發(fā)揮兩種作用的官能團(tuán)“各司其職”,兩者無(wú)對(duì)抗作用,保證了抗磨劑較強(qiáng)的吸附成膜能力以及潤(rùn)滑膜較強(qiáng)的抗剪切能力。

      相比之下,與結(jié)構(gòu)(5)和(8)同碳數(shù)的結(jié)構(gòu)(1)、(3)和(4),因其同一官能團(tuán)既具有化學(xué)吸附作用又具有形成分子間氫鍵的作用,即抗磨劑分子的“|”端與“―”端功能劃分不清,導(dǎo)致兩種作用互相影響,分子的抗磨性能反而較弱。

      與結(jié)構(gòu)(5)和(8)同碳數(shù)的結(jié)構(gòu)(0)、(2)、(6)和(7)只具有能發(fā)生化學(xué)吸附的官能團(tuán),即只具有“T”分子的“|”端,其抗磨性能更差。其中,結(jié)構(gòu)(6)因含有2個(gè)能分別發(fā)生化學(xué)吸附的酯基,其抗磨性能略優(yōu)于結(jié)構(gòu)(0)、(2)和(7)??梢?jiàn)當(dāng)抗磨劑分子的化學(xué)吸附或分子間作用的某方面性能缺失時(shí),依靠官能團(tuán)數(shù)量也可一定程度上彌補(bǔ)抗磨性能的不足,但效果比較有限,性能優(yōu)異的抗磨劑仍需同時(shí)具有相對(duì)獨(dú)立的化學(xué)吸附優(yōu)勢(shì)官能團(tuán)以及分子間作用優(yōu)勢(shì)官能團(tuán)。

      綜上所述,符合“T”形分子結(jié)構(gòu)特征的抗磨劑分子,均表現(xiàn)出較好的抗磨效果,進(jìn)一步驗(yàn)證了“T”形分子假設(shè)的合理性,對(duì)開(kāi)發(fā)新型柴油抗磨劑具有很好的指導(dǎo)作用。

      3 結(jié) 論

      (1)首次提出并論證了一種“T”形的理想抗磨劑分子模型:含有獨(dú)立的能與摩擦表面發(fā)生化學(xué)吸附的官能團(tuán)(“|”端)以及獨(dú)立的能形成分子間氫鍵的官能團(tuán)(“―”端),該“T”形抗磨劑分子的“|”端用于保證抗磨劑分子在摩擦表面形成穩(wěn)固的化學(xué)吸附潤(rùn)滑膜,而“―”端保證抗磨劑分子構(gòu)成的潤(rùn)滑膜具有較強(qiáng)的抗剪切能力,兩方面作用互不影響,共同增強(qiáng)抗磨劑的抗磨性能。

      (2)根據(jù)前線軌道理論及Fukui指數(shù)判斷出適合做“T”分子“|”端的基團(tuán)有酯基、N,N-二取代酰胺基等;根據(jù)各極性基團(tuán)分子間氫鍵相互作用的強(qiáng)弱確定了適合做“T”頂部的基團(tuán)有羥基、氨基、羧基、酰胺基等。

      (3)通過(guò)高頻往復(fù)試驗(yàn)(HFRR)對(duì)多種十二烯基丁二酸酐及其衍生物和脂肪酸單甘油酯的抗磨性能進(jìn)行了評(píng)價(jià),試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了“T”分子模型假設(shè)的正確性,同時(shí)也給開(kāi)發(fā)新型抗磨劑提供了新思路。

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