真空泵潤滑油分子結(jié)構(gòu)研究

于宏偉，孟露，孔昊，吳子騰，李佳欣

(石家莊學(xué)院化工學(xué)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(nèi)擔(dān)負(fù)著降低摩擦、減少磨損、冷卻、防銹、密封作用等。性能優(yōu)良的真空泵油必須有適宜的黏度、低的飽和蒸氣壓、優(yōu)良的油水分離性、優(yōu)良的熱安定性和氧化安定性。近年來，隨著真空技術(shù)的快速發(fā)展，真空泵向高速高效、低噪音、小型化方向發(fā)展，因此對(duì)于相應(yīng)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(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于有機(jī)物的結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域[4-14]，而真空泵油的相關(guān)結(jié)構(gòu)研究少見報(bào)道。因此，本文以常見的旋片式真空泵專用泵油為研究對(duì)象(以石蠟油為對(duì)比)，分別開展了真空泵油及石蠟油分子的三級(jí) MIR 光譜(包括：一維 MIR 光譜、二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜、同步二維 MIR 光譜)研究，為我國真空泵油的生產(chǎn)研發(fā)及應(yīng)用提供了有意義的科學(xué)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(shè)備有限公司生產(chǎn))；石蠟油(天津市醫(yī)藥公司，化學(xué)純)。

1.2 儀器與設(shè)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(yàn)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(yàn)對(duì)于真空泵油及石蠟油分子的光譜信號(hào)進(jìn)行 8 次掃描累加，測定頻率范圍600～4000 cm-1。

1.3.2 MIR 光譜數(shù)據(jù)獲得及處理

真空泵油及石蠟油分子的一維及二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采用清華大學(xué) TD Versin 4.2軟件。

2 結(jié)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(jié)構(gòu)的研究(見圖 1a)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)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(duì)稱伸縮振動(dòng)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(duì)稱伸縮振動(dòng)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(duì)稱伸縮振動(dòng)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(duì)稱變角振動(dòng)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(duì)稱變角振動(dòng)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(nèi)搖擺振動(dòng)模式(ρCH2-真空泵油-一維)。進(jìn)一步開展了石蠟油分子一維 MIR 光譜的研究(圖 1b)，相關(guān)光譜數(shù)據(jù)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(dǎo)數(shù) MIR 光譜研究

采用二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜進(jìn)一步開展了真空泵油分子結(jié)構(gòu)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(dǎo)數(shù)；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(dǎo)數(shù)；2871.19 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子CH3對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νsCH3-真空泵油-二階導(dǎo)數(shù))；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(dǎo)數(shù)；1465.62 cm-1處的吸收峰歸屬于真空泵油分子 CH2變角振動(dòng)模式(δCH2-真空泵油-二階導(dǎo)數(shù))；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(dǎo)數(shù)；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(dǎo)數(shù)。進(jìn)一步開展了石蠟油分子的二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜研究(圖 2b)，相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見表1。

圖2 二階導(dǎo)數(shù) 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(dǎo)數(shù) MIR 光譜(表 1)發(fā)現(xiàn)，真空泵油和石蠟油分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本相同，均為長碳鏈烷基，而采用一維 MIR 光譜和二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜不能有效地區(qū)分真空泵油和石蠟油分子結(jié)構(gòu)的差異性。

表1 真空泵油與石蠟油分子一維及二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜數(shù)據(jù)(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(tuán)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(gè)頻率區(qū)間。并且同步二維 MIR 光譜的譜圖分辨能力要優(yōu)于相應(yīng)的一維 MIR 光譜及二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜，因此在這 8 個(gè)頻率區(qū)間，采用同步二維 MIR 光譜，進(jìn)一步開展了真空泵油及石蠟油分子結(jié)構(gòu)差異性研究。

2.3.1 第一頻率區(qū)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(qū)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(fā)現(xiàn) 4 個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)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(dòng)模式(νC-H-芳基-真空泵油-二維)。而其中(3011 cm-1，3011 cm-1)對(duì)應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)度最大，則進(jìn)一步證明該官能團(tuán)對(duì)于溫度變化比較敏感。試驗(yàn)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(fā)現(xiàn)5個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的交叉峰，則進(jìn)一步證明真空泵油分子νC-H-芳基-真空泵油-二維對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)之間存在著較強(qiáng)的分子內(nèi)相互作用。進(jìn)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(fā)現(xiàn)1個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰(νC-H-芳基-石蠟油-二維)。研究發(fā)現(xiàn)：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(qū)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(qū)間進(jìn)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(fā)現(xiàn)2個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)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(duì)應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)度最大。真空泵油分子在(2920 cm-1，2953 cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)1個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的交叉峰。進(jìn)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(qū)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(qū)間進(jìn)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(fā)現(xiàn)2個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)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(duì)應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)度最大(圖5a)。進(jìn)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(qū)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(qū)間進(jìn)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(fā)現(xiàn)有價(jià)值的光譜信息(圖6a)。進(jìn)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(fā)現(xiàn)2個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰，前者歸屬于酮C=O伸縮振動(dòng)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(dòng)模式(νC=O-2-石蠟油-二維)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：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(qū)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(qū)間進(jìn)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(fā)現(xiàn)2個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)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(dòng)模式(νC=C-真空泵油-二維)。進(jìn)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(jià)值的光譜信息。

2.3.6 第六頻率區(qū)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(qū)間進(jìn)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(fā)現(xiàn)2個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)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(fā)現(xiàn)1個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的交叉峰(圖8a)。研究發(fā)現(xiàn)：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(yōu)于相應(yīng)的一維MIR光譜及二階導(dǎo)數(shù)MIR光譜。進(jìn)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(fā)現(xiàn)1個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰，歸屬于石蠟油分子δasCH3-石蠟油-二維。

2.3.7 第七頻率區(qū)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(qū)間進(jìn)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(fā)現(xiàn)1個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰，歸屬于真空泵油分子δsCH3-真空泵油-二維(圖9a)。進(jìn)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(qū)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(qū)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(fā)現(xiàn)1個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的自動(dòng)峰，歸屬于真空泵油分子ρCH2-真空泵油-二維(圖10a)。進(jìn)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(jù)表2數(shù)據(jù)，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(fā)現(xiàn)：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(shù)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(shù)據(jù)

3 結(jié)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(fā)現(xiàn)：真空泵油及石蠟油的分子結(jié)構(gòu)基本相同，均為碳?xì)漕惢衔铩Ｕ婵毡糜头肿又械姆蓟衔锏姆N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。