電廠用渦輪機油復配消泡劑的制備及其性能評價

竇鵬,車美美

(江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

泡沫特性指標是運行渦輪機油的一項重要性能指標。泡沫超標，會使油箱內(nèi)的泡沫過量累積，這對機組的安全運行構成危害。首先油中含氣泡，會加速油的氧化劣化，在高壓下氣泡破裂會影響油的潤滑特性；氣泡進入油泵會引起油泵的氣蝕；如果泡沫過多還可能影響油泵的正常工作，甚至發(fā)生泡沫從油箱頂部呼吸口溢出的情況。

目前，電廠處理的方法是向渦輪機油中添加消泡劑，常用的消泡劑種類有非硅類聚合物和有機硅類聚合物。非硅類消泡劑是指脂類聚合物或脂醚共聚物，在渦輪機油中應用最多的非硅類聚合物消泡劑是丙烯酸酯和烷基丙烯酸共聚物，它們在礦物油中的溶解性好，但是抑泡時間短，常常需要多次添加[1]。有機硅類消泡劑包括硅油和改性有機硅聚合物，如疏水氣相二氧化硅具有高比面積，可以有效結合二甲基硅油，增強消泡劑消、抑泡性能，而且其疏水性能可以有效提高消泡劑乳液的穩(wěn)定性[2-3]。聚醚改性硅氧烷類消泡劑是在聚硅氧烷分子上引入具有親水效果的聚醚鏈段，有機硅聚醚鏈段共聚物中的聚醚鏈段可以提供親水親油性,而有機硅鏈段可在發(fā)泡液中提供降低表面活性的作用，具有一般的低揮發(fā)性和無毒特點外,還具有很多特殊優(yōu)點,比如耐強堿、耐高溫的特性[4]。有機硅類消泡劑由于不溶于渦輪機油，添加后需要很長時間進行分散才能起到消泡作用[5]。

由于上述兩類消泡劑的優(yōu)點及不足,單獨使用不能滿足渦輪機油性能要求，近年來復配型消泡劑迅速成為消泡劑研制領域的熱點，其化學性能穩(wěn)定、易溶于渦輪機油，且用量低、抑泡時間長，耐堿耐酸，耐高溫，既有普通消泡劑相容性好的特點，又有有機硅類消泡劑消泡效果好的特點[6]。如聚醚改性硅氧烷本身即具有較好的消泡性能，但單獨使用效率不高，因此可將聚醚改性硅氧烷與某些消泡劑進行復配，添加乳化劑、增稠劑等助劑，得到效率更高、性能穩(wěn)定的復配消泡劑[7]。磷酸三丁酯(CH3CH2CH2CH2O)3PO是一種無色液體消泡劑，抑泡性能雖然很差，但破泡能力比較強。它具有極低的表面張力，能有效地使已形成泡沫的膜處于不穩(wěn)定的狀態(tài)而迅速消泡，通常與其他消泡劑進行復配，能起到很好的消泡作用[8]。

本文研制出一種適合于電廠渦輪機油使用的復配型消泡劑，該消泡劑由聚醚改性硅氧烷和磷酸三丁酯復配合成，能很好地與渦輪機油相容，性能穩(wěn)定，可以快速解決汽輪機油泡沫超標問題，不會對油品理化性能產(chǎn)生不良影響，消泡速度快，抑泡時間長。

1 實驗部分

1.1 復配消泡劑的制備工藝

以低含氫硅油(含氫量0.05%～0.3%，道康寧公司)和烯丙基聚醚(天津賽菲化學公司)為原料，在氯鉑酸/異丙醇催化劑作用下進行硅氫加成反應得到聚醚改性硅氧烷，然后將其與磷酸三丁酯進行復配，添加乳化劑、增稠劑等助劑，得到效率更高、性能穩(wěn)定的復配消泡劑，見圖1。

圖1 復配消泡劑的制備工藝

1.2 聚醚改性硅氧烷的制備

1.2.1 實驗原理

Si-C型聚醚改性硅氧烷合成方法主要為硅氫加成法，其反應通式如下：

1.2.2 催化劑的配置

將1 g氯鉑酸(H2PtCl6·6H2O)加入49 g無水異丙醇中，在一定溫度下充分攪拌使氯鉑酸完全溶解，溶液顏色為桔黃色，質(zhì)量濃度為2%。將配好的催化劑置于干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 加成反應

將一定量的低含氫硅油和烯丙基聚醚進行脫水處理至水含量在1%以下，加入到帶溫度計和電動攪拌器的250 mL四口燒瓶中進行加成反應，為避免目標產(chǎn)物聚醚改性有機硅氧烷純度下降，需要通入氮氣保護并在升溫至60 ℃時加入一定量的氯鉑酸/異丙醇催化劑，經(jīng)一段誘導期后，為了使Si-H基充分轉(zhuǎn)化，繼續(xù)升溫至70 ℃，隨著反應的進行反應物逐漸變透明，即為反應終點，制備出了聚醚改性硅氧烷。

1.2.4 消泡劑的復配

按照質(zhì)量百分比組成為10%～20%聚醚改性硅氧烷和70%～80%磷酸三丁酯，加入乳化劑司盤/吐溫，加熱至60～70 ℃時緩慢加入增稠劑，并攪拌30～60 min直至溶化、分散，降溫并保持攪拌，直至室溫，放置在干燥皿中10 h以上，即得到復配消泡劑。

1.2.5 復配消泡劑紅外結構表征

聚醚的結構對改性硅油有較大的影響，環(huán)氧乙烷 EO 鏈段增加會提高水溶性，環(huán)氧丙烷 PO鏈段增加會提高聚醚硅油的疏水性，減小共聚物在水中的溶解度，降低溶點，能改善消泡性能[9]，但是溶解度大會有助泡作用，因此可選聚醚結構 EO/PO 為 0.5～2.0，見圖2。

圖2 復配消泡劑紅外結構

圖2可以看出，800 cm-1處的吸收峰是=C-H鍵面外彎曲振動引起，1024 cm-1處的吸收峰是Si-O-C 鍵，1261 cm-1處是 Si-CH3鍵，1390～1360 cm-1內(nèi)的雙峰，是C(CH3)2和-C(CH3)3基團，在 2800～3000 cm-1的范圍內(nèi)有3個吸收峰，是有機構成的吸收峰，即可推斷已經(jīng)通過化學嫁接方法使硅油與烯丙基聚醚結合[10]。

1.2.6 核磁共振氫譜分析(見圖3)

圖3 復配消泡劑的核磁共振氫譜

圖3是復配消泡劑的核磁共振氫譜，δ= 0～0.085 處為有機硅上的甲基氫峰( Si-CH3) ；δ= 1.128～1.145 處為環(huán)氧丙烷PO上的甲基氫峰[-CH( CH3) CH2O-]；δ= 3.372～3.652 處的一系列峰為聚醚中環(huán)氧乙烷EO 氫峰( -CH2CH2O-) 及環(huán)氧丙烷PO 中的非甲基氫峰; 在δ= 4.85～5 附近沒有Si-H鍵化學位移吸收峰，說明含氫硅油中Si-H鍵與聚醚中的C =C雙鍵反應生成了Si-C鍵，且反應較為完全[11]。

2 聚醚改性硅氧烷的最佳制備工藝

2.1 消泡效果的測定

消泡劑既有消泡作用又有抑泡作用，消泡是將已產(chǎn)生的泡沫消除，抑泡是防止泡沫的產(chǎn)生，所以消泡效果的測定主要包括消泡性能與抑泡性能的測定。發(fā)泡液為質(zhì)量分數(shù)0.5%的十二烷基苯磺酸鈉溶液，采用氣體鼓吹法測定消泡和抑泡性能，由于消泡時間較短，所以消泡效果的測定主要考慮其抑泡性能。

2.2 正交試驗

在參考有關資料[12]及所做探索試驗的基礎上，以低含氫硅油和烯丙基聚醚為原料，選用正交表L9(3)3， 確定反應溫度A (℃)，反應時間B (h)，反應物質(zhì)量百分比C (低含氫硅油,烯丙基聚醚)為主要因素，進行正交試驗，結果見表1。

表1 正交試驗因素及結果

將正交試驗結果的消泡效果進行極差分析(見表1)，可以看出反應物低含氫硅油和烯丙基聚醚質(zhì)量百分比對消泡效果的影響最大，合成聚醚改性硅氧烷效果最好的條件是：質(zhì)量百分比C為20%∶80%，反應溫度為70～80 ℃，反應時間為5～6 h。

3 復配消泡劑性能的評定

3.1 復配消泡劑最佳添加量的確定

將制得的不同濃度的復配消泡劑經(jīng)4000 r/min離心機分離60 min，未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，加入到1 L運行渦輪機油中，觀察油品的外觀，并按照GB/T 12579-2002《潤滑油泡沫測定法》檢測渦輪機油的泡沫體積，見表2。

表2 不同濃度復配消泡劑的消泡能力

表2可見添加不同濃度復配消泡劑時，油品外觀也會不同，這是因為聚合軟單體與硬單體的配比不僅影響聚合產(chǎn)品外觀，還會影響產(chǎn)品油溶性，進而影響其在油品中的分散和鋪展性能，所以為得到抗泡效果好的消泡劑，選擇合適的反應單體配比顯得尤為重要。當復合消泡劑在渦輪機油中的添加量小于等于0.1%時，油中的溶解性較好，可維持油品的透明度，超過0.1%以后油品出現(xiàn)渾濁。該復配消泡劑的最佳添加量在0.04%～0.1%時，消泡性能最好。

3.2 消泡能力

將某電廠渦輪機油升溫至40 ℃，按照質(zhì)量百分比稱取0.1%的復配消泡劑加入到油中，攪拌30 min 后，按照GB/T 7596-2017《電廠運行中礦物渦輪機油質(zhì)量》檢測未添加消泡劑的渦輪機油樣品和添加了消泡劑的渦輪機油樣品的理化指標，見表3。

表3 未添加消泡劑和添加消泡劑后渦輪機油理化指標

由表3可見，添加復配消泡劑后，渦輪機油已經(jīng)不起泡沫，消泡能力顯著，且并未影響到渦輪機油其他理化指標，使用效果顯著。

3.3 抑泡能力

消泡劑能否持續(xù)抑泡是非常重要的性能，直接關系到油品的儲存期和添加消泡劑后的持續(xù)消泡性能。考察復配消泡劑的消泡穩(wěn)定性結果見表4。

表4 復配消泡劑的抑泡能力

表4可見，添加復配消泡劑后，渦輪機油長時間不起泡，說明該復配消泡劑起到了顯著的長時間抑泡作用，消泡穩(wěn)定性很好，持久性也好。

3.4 復配消泡劑與市售抗泡劑性能比較

將制得的復配消泡劑與2種市售的消泡劑做比較，加入相同數(shù)量，比較其在24 ℃的消泡能力。起泡液為質(zhì)量分數(shù)0.5%的十二烷基苯磺酸鈉溶液，消泡劑用量均為0.1%， 試驗溫度24 ℃，見表5。

表5 復配消泡劑與市售消泡劑的性能比較

從表5中可以看到，在24 ℃條件下，研制的復配消泡劑比市售的2種消泡劑的消泡時間短，抑泡能力更好，符合石油產(chǎn)品添加劑的使用條件。

4 結論

(1)合成聚醚改性硅氧烷效果最好的條件是：質(zhì)量百分比C為20%∶80%，反應溫度為70～80 ℃，反應時間為5～6 h。低含氫硅油和烯丙基聚醚質(zhì)量百分比對合成聚醚改性硅氧烷的影響最大。

(2)研制的復合消泡劑在渦輪機油中的添加量小于等于0.1%時，油中的溶解性較好，可維持油品的透明度，超過0.1%以后油品出現(xiàn)渾濁。該復配消泡劑的最佳添加量在0.04%～0.1%時，消泡性能最好。

(3)研制的復合消泡劑消泡速度快，抑泡時間長，添加復配消泡劑后，可以快速解決渦輪機油泡沫超標問題，不會對油品理化性能產(chǎn)生不良影響。