伴随着机械化行业的高速发展, 作为其传递介质及减少磨损的润滑油领域也在日新月异。而在其所包含的基础油领域, 合成基础油也在不断的增加和改进。酯类基础油作为其中一员, 发挥着不可替代的作用。目前对于酯类基础油的开发使用不足, 影响配方体系的发展。
本文主要对酯类基础油中的多元醇酯进行分析论证, 通过研究其独特的性能特点及在应用领域中的表现, 使我们对这类基础油有更加清晰的认知, 对配方体系的研究奠定基础。
酯的合成主要分为酯化、中和、过滤, 而醇+酸=酯+水是最基本的反应。
多元醇酯主要有为两种合成途径: (1) 多羟基醇和单功能酸经酯化反应合成, 其中多羟基醇包括新戊醇 (NPG) , 三羟甲基丙烷 (TMP) , 聚戊丙醇 (PE) 。 (2) 酯基转移作用 (醇解) 制备, 具体指单酯与新戊醇在催化剂存在下进行酯转移[1], 得到所希望的生成物, 同时选取特定的催化剂有助于反应的合成的速率。
(1) 物理性质
分别选取市面上的Ⅱ类基础油150N、PAO6、双酯和多元醇酯基础油, 进行性质测定, 结果见表1。
分析表1得出, 多元醇酯相比于二类基础油150N, 倾点小于-20℃, 挥发性也更小, 对于润滑油配方体系而言, 挥发度小的油品粘度增大幅度更小, 有利于大大延长其使用寿命;同时多元醇酯整体性能相比于PAO6, 低温性能略差, 其他参数彼此接近;双酯由二元酸和支链一元醇反应制得, 由表1看出, 其有极佳的粘度指数和倾点, 整体性能达到PAO型基础油, 但低温略有不足。多元醇酯与双酯相比, 两者物理性质很接近, 但多元醇酯和双酯相对分子质量低, 限制其粘度范围, 整体粘度偏低。
(2) 高极性
多元醇酯基础油具有高极性, 可以作为PAO型配方体系的有效溶剂[2], 该性质在配方体系研究中发挥着巨大的作用。伴随着机械化的日新月异, 人们对润滑油的要求也在不断升级, 随着而来的配方体系的升级带动PAO型基础油的全面推广。而PAO型基础油为非极性, 在使用添加剂特别是增粘类聚合物时, 存在溶解性问题, 这对于配方的结果有很大的影响。通过多元醇酯等其他酯类基础油的添加, 改变了整个体系的极性, 有助于改善添加剂的溶解问题, 保证油品的品质。
(3) 密封溶胀性
弹性体与液体润滑剂接触, 存在物理和化学作用, 导致弹性体发生溶胀现象。多元醇酯及其他酯类基础油与弹性体聚合物之间几乎不发生化学反应, 两者的物理作用主要有两个不同的过程: (1) 弹性体聚合物与润滑剂之间吸附发生膨胀, 这个主要取决于弹性体聚合物的相对分子质量大小, 其越大, 膨胀越小。 (2) 弹性体聚合物被润滑剂溶解抽提造成收缩, 这个由润滑剂与弹性体溶解参数的接近性决定, 即遵循“相似相溶”原理。
(4) 热和氧化稳定性
基础油整体都是非常稳定的, 酯链的稳定性比C-C键更好, 但酯的氧化稳定性略差于矿物油, 这是由于矿物油中含有不纯物, 起到抗氧剂的作用。该性能主要取决于烃存在的数量和类型, 直链酸的酯比支链更稳定, 短链酸的酯比长链更稳定。
多元醇酯相比于双酯, 具有更佳的热稳定性。由于酯的醇部分上的β碳原子上缺少氢原子导致其具有更好的热稳定性。氢原子的存在会造成分解反应, 此分解机理可理解为环状的六元产生酸和1-烯烃, 当双酯上的β碳上氢原子被烯烃置换后装换为多元醇酯不再发生该反应, 而是通过自由基发生热分解反应, 需要更高的能量, 热稳定性增强。
但是多元醇酯的氧化稳定性略低于双酯, 这是由于其中含有的烯烃键使其氧化稳定性降低。而长链分子需要不饱和烃来改善低温流动性, 所以减少不饱和烃很重要, 特别是避免连接双键。
评分系统:>2.0不及格, 0.5~2.0通过, <0.5优秀。
用成焦板试验评定润滑油的沉积物生成趋势, 综合考虑热稳定性和氧化稳定性。由表2得出, 有芳烃的邻苯二甲酸与缺少β氢的多元醇酯性能比双酯更好, 优化多元醇酯性能最佳。多元醇酯热稳定性比双酯好, 但氧化稳定性不如双酯, 整体性能极佳主要是由于多元醇酯基础油对抗氧剂的感受性很好, 加入少量抗氧剂即可大大增强其氧化稳定性。表2中由于加入1%抗氧剂量, 氧化稳定性得到大大提高。
在内燃机油领域中, 一般多用多元醇酯。市场的主要驱动力是延长换油期, 而多元醇酯的热和氧化稳定性极佳, 同时蒸发损失小, 这些都大大延长润滑油的使用寿命[3]。同时其低温流动性好, 可以减少启动磨损。
在配方体系的研究中, 多元醇酯和PAO的合成流体是内燃机油的理想基础油。PAO型基础油具有极低的倾点和高粘度指数, 对于内燃机的冷启动有极大的改善, 同时其添加剂的感受性非常好, 两者的合成流体在有添加剂的情况下性能优越, 而多元醇酯本身对粘指剂的溶解性很强, 并具有优良的溶胀密封性, 弥补了PAO型基础油的不足。
(1) 多元醇酯主要由多羟基醇和单功能酸经酯化反应和酯基转移作用两条合成途径制备。
(2) 多元醇酯具有优良的低温性能, 同时挥发度小, 但相对分子质量小限制其粘度范围。
(3) 多元醇酯具有高极性, 可作为PAO型配方体系的溶剂, 解决添加剂的溶解问题。同时与密封件之间具有良好的溶胀性。成焦板试验显示其热稳定性极佳, 并对抗氧剂感受性强, 在加入1%胺型抗氧剂后氧化稳定性优良。
(4) 多元醇酯和PAO的合成流体是内燃机油领域的理想合成基础油, 具有极低的倾点及热安定性, 并对添加剂有良好的感受性及溶解性。
摘要：多元醇酯在酯类合成基础油中占据举足轻重的地位, 研究其性能及应用会对配方体系奠定基础。本文主要对多元醇酯物理性质, 高极性, 溶胀性及热和氧化稳定性进行研究, 并分析其在内燃机油领域的应用及价值。最终得出多元醇酯低温性能优良, 高极性和溶胀性弥补了PAO型基础油的缺陷, 与PAO型基础油组成的合成流体是内燃机油理想的基础油。
关键词：多元醇酯,高极性,密封溶胀性,热和氧化稳定性
[1] 王贻全, 梁宇翔.多元醇酯基础油性能-结构关系研究及在航空润滑油中的发展概述[J].润滑油, 2014, (03) :33-38.
[2] 费建奇, 赵伟.多元醇酯类冷冻机用基础油的合成及其性能[J].润滑油, 2009, (04) :22-25.
[3] 纪献兵, 陈银霞.新戊基多元醇酯在润滑领域的应用研究[J].化工技术与开发, 2013, (09) :15-17.
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