國產mPAO40在220號合成造紙機循環(huán)油上的應用研究

李興陽，揭斌華，鄒小蕓，龍宇臻

(1.華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510630;2.中國石化潤滑油有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525011)

0 引言

隨著造紙機日益向大型化、寬幅化、高速化以及自動化等方向發(fā)展，高速造紙機被國內各大造紙廠廣泛引進應用，而現代造紙機高速、重負荷、長周期運轉的設備工況，對造紙機潤滑油提出更高的要求[1]。其中造紙機的干部工況最為苛刻，經過軸承的蒸汽溫度可達150～180 ℃，軸承溫度約為110 ℃[2]，在高溫潮濕的工作環(huán)境容易引起潤滑油氧化變質、金屬磨粒和水分等雜質含量增加，導致抗乳化性、抗氧化、極壓抗磨性以及黏度等重要性能指標下降，從而影響造紙機的正常運行[3]。因此，要求造紙機循環(huán)潤滑油具備以下性能[4]：①優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和熱氧化安定性，確保長期在高溫條件下無沉渣、沉積物產生，延長油品的使用壽命；②優(yōu)異的抗乳化性，使混入油中的水快速實現分離，保證油品的使用性能；③良好的承載性能，防止軸承和齒輪在低速高扭矩和高速沖擊負荷下磨損和擦傷[5]；④良好的過濾性，防止精密過濾元件的堵塞，保證油品的清潔度；⑤良好的防銹性和水解安定性等[6]。

造紙機循環(huán)潤滑油按基礎油分類，可分為礦物油型和全合成型，其中全合成型造紙機循環(huán)油采用高黏度指數的全合成基礎油[7]。與礦物油型相比，全合成型具有優(yōu)良的高低溫性能，在高溫下能保持足夠的油膜，低溫下保持良好的流動性能，并具有更優(yōu)異的熱安定性和氧化安定性，可延長換油期，同時，全合成型的價格昂貴，為礦物油型價格的5倍以上。2006年由中國石化潤滑油有限公司牽頭，起草制定了合成型造紙機循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑油的輕工行業(yè)標準QB/T 2767-2006[8]，其中220號合成型造紙機循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑油的要求和試驗方法見表1，由于受制于高黏度指數的全合成基礎油資源，目前國內造紙廠使用的全合成型造紙機循環(huán)油基本為國外潤滑油公司產品，如?？松梨赟HC PM220、殼牌Morlina S4 B220、道達爾MAP SH220、雪佛龍Clarity Synthetic Machine Oil等[9]。

表1 220號合成型造紙機循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑油的要求和試驗方法

為打破國外潤滑油公司產品市場壟斷，推進合成造紙機循環(huán)油的國產化替代，提高國產高檔潤滑油在造紙行業(yè)的市場影響力，文中采用國產mPAO基礎油原料，通過開展添加劑主劑、輔助抗氧劑的篩選，研制滿足我國輕工業(yè)標準的220號合成循環(huán)造紙機油，同時，對破乳性能進行優(yōu)化，以提高其快速分水性能。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所采用的原料見表2。

表2 主要原料

1.2 實驗儀器

實驗所采用的實驗儀器見表3。

表3 主要實驗儀器

1.3 PAO基礎油的性質

實驗所采用的基礎油的主要理化數據見表4。

表4 基礎油的主要理化性能

2 實驗結果與討論

2.1 添加劑主劑的確定

造紙機油的添加劑分為有灰和無灰添加劑，其中無灰添加劑因具有良好的氧化安定性、高溫下沉渣產生的傾向性更小，良好的分水性能、極壓抗磨性能和過濾性能，更適用于高速、高溫、高負荷的現代化造紙設備工況，而得到廣泛應用[7]。以國產PAO8、mPAO40為基礎油，分別加入2%無灰復合劑F1、F2、F3調制220號合成造紙機油，考察不同無灰添加劑對220號合成造紙機油的性能影響，試驗結果見表5。

表5 不同無灰添加劑對220號合成造紙機油的性能影響

由表5可知，不同無灰復合添加劑調制的220號合成造紙機油性能不盡相同，其中復合劑F2的抗乳化性能、極壓性能、抗磨性能、抗腐蝕性能均優(yōu)于復合劑F1和F3，因此，選用無灰復合劑F2作為220號合成造紙機油的主劑，同時，考慮到旋轉氧彈試驗的氧化誘導時間為506 min，略高于指標值，為進一步改善220號合成造紙機油的抗氧化性能，仍需繼續(xù)補加輔助抗氧劑。

2.2 輔助抗氧劑的選擇

對于潤滑油配方研究而言，如何平衡抗氧化性與抗磨性是關鍵。隨著抗氧劑的加入，可能與主劑中的抗磨劑在金屬表面產生競爭吸附作用，從而影響油品的抗磨性能[10]，因此，在國產PAO8、mPAO40基礎油、2%復合劑F2調制的220號合成造紙機油中，分別加入0.4%抗氧劑K1、抗氧劑K2、抗氧劑K3、抗氧劑K4，并考察輔助抗氧劑加入后對油品旋轉氧彈試驗的氧化誘導時間和磨斑直徑的影響，試驗結果見表6。

表6 輔助抗氧劑對抗氧化性能和抗磨性能的影響

由表6可知，隨著輔助抗氧劑的加入，油品的旋轉氧彈試驗的氧化誘導時間增大，但磨斑直徑也增大，其中加入抗氧劑K4后旋轉氧彈試驗的氧化誘導時間最大，且對磨斑直徑影響相對較小，因此，選用抗氧劑K4作為220號合成造紙機油的輔助抗氧劑。

2.3 不同PAO基礎油對220號造紙機油性能的影響

分別在國產mPAO40、進口PAO40-1、進口PAO40-2中加入2%復合劑F2、0.4%抗氧劑K4和適量國產PAO8基礎油調制得到220號合成造紙機油，考察不同PAO基礎油對220號合成造紙機油性能的影響，考察結果見表7。

表7 不同PAO基礎油對220號造紙機油性能的影響

由表7可知，采用3種PAO40基礎油調制的220號合成造紙機油均滿足QB/T 2767-2006指標要求，由于3種基礎油的性能差異，調制的220號合成造紙機油性能也有所差異。同進口PAO40-1相比，國產mPAO40調制的合成造紙機油的黏溫特性(黏度指數)、抗乳化性能、抗磨性能(磨斑直徑)和低溫性能更優(yōu)，而抗氧化性能(旋轉氧彈試驗的氧化誘導時間)略差。同進口PAO40-2相比國產mPAO40調制的合成造紙機油的抗磨性能、抗氧化性能和低溫性能更優(yōu)，而黏溫特性略差。綜合性能對比，國產mPAO40替代進口PAO40用于生產220號合成造紙機油是可行的。

2.4 快速分水性能的改進

2.4.1 不同破乳劑對82 ℃快速分水性能的影響

造紙機設備長期與紙漿水、水蒸汽等接觸，油品乳化是造紙機潤滑過程中的常見現象，進入油品中的水易導致添加劑水解，加速油品變質、黑色金屬腐蝕，因此要求造紙機油具有優(yōu)異的抗乳化性能，可實現油水快速分離，并將沉降分離水及時排出油箱[11]。為進一步提升220號合成造紙機油的快速分水性能，分別加入100 μg/g破乳劑P1、破乳劑P2、破乳劑P3、破乳劑P4，按照GB/T 7305《石油和合成液水分離性測定法》，分別記錄82 ℃下0.5 min、1 min、5 min的分水量以及40-37-3 mL的時間，并與加入前的油品進行對比，對比結果如表8所示。

表8 不同破乳劑對82 ℃抗乳化性的影響

由表8可知，隨著不同破乳劑的加入，220號合成造紙機油的82 ℃抗乳化性均較加入前的油品有所提升，40-37-3 mL時間下降，這是由于破乳劑可降低油-水界面膜的強度，使乳狀液的穩(wěn)定性下降，從而降低油水分離時間[12]。但從0.5 min、1 min、5 min的分水量來看，不同破乳劑的分水量差異較大，這可能是由于不同破乳劑的結構差異，對油-水界面膜的作用不同，4種不同類型的破乳劑82 ℃抗乳化快速分水效果依次是：P1﹥P4﹥P2>P3。

2.4.2 不同破乳劑對54 ℃快速分水性能的影響

一般造紙機中心潤滑站的油品溫度為40～65 ℃[13]，為模擬220號合成造紙機油在油箱中的快速分水性能，按照GB/T 7305《石油和合成液水分離性測定法》，分別記錄54 ℃下0.5 min、1 min、5 min的分水量以及40-37-3 mL的時間，并與加入前的油品進行對比，對比結果如表9所示。

表9 不同破乳劑對54 ℃抗乳化性的影響

由表9可知，與82 ℃的抗乳化性的數據相比，54 ℃的分水量和分水時間均變差，這是由于隨著溫度的降低，油水密度差增大，黏度變大，同時分子布朗運動減緩，破乳劑在油水界面的作用也減弱，從而影響破乳化的速度[14]。加入破乳劑后的220號合成造紙機油54 ℃抗乳化性40-37-3 mL時間均有所下降，而從0.5 min、1 min、5 min的分水量來看，不同破乳劑的分水量差異更加顯著，破乳劑P2和P3在0.5 min、1 min、5 min的分水量與加劑前相差不大，幾乎無改善效果；破乳劑P1在1 min中內分水快，分水量多，但1 min后分水速度變得緩慢；破乳劑P4一直保持較快的分水性能，且40-37-3 mL時間最短，為17.0 min，說明破乳劑P4在54 ℃的快速分水性能最佳。

2.4.3 不同水質對快速分水性能的影響

采用國產PAO8、mPAO40基礎油、2%復合劑F2、0.4%抗氧劑K4和100 μg/g破乳劑P4調制得到220號合成造紙機油，按照GB/T 7305《石油和合成液水分離性測定法》試驗方法，分別考察82 ℃和54 ℃試驗溫度下，蒸餾水、新鮮水、冷卻水對220號合成造紙機油抗乳化性能的影響，考察結果見表10、表11所示。

表10 不同水質的82 ℃抗乳化性能

表11 不同水質的54 ℃抗乳化性能

由表10和表11可知，220號合成造紙機油在蒸餾水、自來水、循環(huán)水中的分水效果差異較大，這是由于水的總硬度越高，pH值越大，水中的極性物質越多，多于油水分離[15]。由表12不同類型的水質分析數據可知，冷卻水的總硬度最高、水質最差，自來水其次，蒸餾水水質最優(yōu)，因此，220號合成造紙機油在82 ℃和54 ℃下的分水效果依次是：蒸餾水﹥自來水﹥冷卻水。同時，從冷卻水82 ℃和54 ℃下的抗乳化試驗數據可知，40-37-3 mL時間小于30 min，0.5 min、1 min、5 min的分水量也較大，說明破乳劑P4在82 ℃和54 ℃的快速分水效果較好，在工業(yè)應用中也可快速實現油水分離。

表12 不同類型的水質分析數據

2.5 合成循環(huán)造紙機油的性能分析

對調制的220號合成造紙機油開展全性能分析，并與輕工行業(yè)標準QB/T 2767-2006《220號合成型造紙機循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑油》的要求進行對比，對比結果如表13所示。

表13 220號合成造紙機油的性能分析

由表13可知，采用國產mPAO40調制的220號合成造紙機油的分析結果均滿足輕工行業(yè)標準QB/T 2767-2006《220號合成型造紙機循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑油》的指標要求。

3 結論

(1)采用國產mPAO40、PAO8基礎油、2%復合劑F2、0.4%抗氧劑K4和100 ppm破乳劑P4調制的220號合成造紙機油，滿足輕工行業(yè)標準QB/T 2767-2006《220號合成型造紙機循環(huán)潤滑系統(tǒng)潤滑油》的指標要求。且經綜合性能對比，國產mPAO40替代進口PAO40用于生產220號合成造紙機油是可行的。

(2)經過篩選得到的破乳劑P4可進一步改善220號合成造紙機油抗乳化性能，82 ℃和54 ℃的快速分水效果較好，在工業(yè)冷卻水中也可實現油水快速分離。