不同植物油甲酯生物柴油的潤滑性能

曹興安，邵國泉

（1.合肥學(xué)院生物與環(huán)境工程系，安徽合肥230601；2.合肥學(xué)院化學(xué)與材料工程系，安徽合肥230601）

燃油燃燒產(chǎn)物中含有硫氧化物和氮氧化物，會對大氣產(chǎn)生嚴(yán)重污染。由于化石燃油不可再生，過度依賴化石燃油會加速能源危機[1]。為了減少汽車尾氣對環(huán)境的污染，我國對燃油中硫含量的限定標(biāo)準(zhǔn)越來越苛刻。但是，隨著燃油中硫含量的降低，燃油潤滑性能也隨之下降，從而影響發(fā)動機的壽命。生物柴油是以動植物油脂為主要原料，經(jīng)酯交換反應(yīng)合成的一種環(huán)境友好型可再生燃料[2]。與化石柴油相比，生物柴油含硫量低且具有良好的潤滑性，是石化柴油潛在的替代燃料。生物柴油的制備方法主要有堿催化[3]、酸催化[4]、生物酶催化[5]和超臨界酯交換法。其中，酯交換法是當(dāng)前工藝最為成熟、適合工業(yè)化生產(chǎn)的一種工藝。本文以大豆油[6]、菜籽油[7]、蓖麻油[8]與玉米油[9]為原料，通過堿催化酯化反應(yīng)制備生物柴油，并進(jìn)行潤滑性能測試，對磨斑表面進(jìn)行檢驗。通過比較，發(fā)現(xiàn)以菜籽油為原料合成的生物柴油具有較好的綜合摩擦學(xué)性能。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

市售大豆油（中糧食品營銷有限公司）、菜籽油（益海嘉里食品營銷有限公司）、蓖麻油（天津富宇精細(xì)化工有限公司）、玉米油（山東魯花集團(tuán)有限公司）；甲醇（分析純）；KOH（分析純）；無水硫酸鈉（分析純）；蒸餾水（自制）；0#柴油（中石油）。

1.2 生物柴油制備與表征

分別量取100mL不同的大豆油、菜籽油、蓖麻油與玉米油，置于250mL燒瓶中水浴加熱到55℃～65℃，加入預(yù)先配制好的KOH甲醇溶液（KOH用量為油的1%），再加入20mL甲醇。攪拌反應(yīng)55min后冷卻分層，上層為黃色澄清溶液，下層為紅褐色甘油成分，取上層清液洗滌至pH=7，再經(jīng)蒸餾得到淺橙色澄清產(chǎn)品，即生物柴油。實驗結(jié)束后用傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）對產(chǎn)物進(jìn)行表征。

1.3 潤滑性能測試

參照SH/T 0765-2005標(biāo)準(zhǔn)，在高頻往復(fù)試驗機上對合成的幾種生物柴油的潤滑性能進(jìn)行評定（見圖1）。試驗條件：試驗球GCr15，硬度HRC 60，粗糙度0.032 μm，直徑6mm；試驗片硬度HV30 190-210，粗糙度0.016μm，直徑10mm，深 3mm。標(biāo)準(zhǔn)載荷 200g（1.96N），測試溫度60℃，摩擦?xí)r間75min，相對濕度60%。每組試驗重復(fù)三次，數(shù)據(jù)取平均值。試驗結(jié)束后用基恩士3D激光顯微鏡對磨斑進(jìn)行檢驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR表征

圖2是不同植物油合成的生物柴油的FTIR光譜圖。圖中1740 cm-1為酯鍵上的C＝O伸縮振動峰，1165 cm-1為－C－O－C－的伸縮振動峰，3010cm-1是C＝C上的C－H伸縮振動引進(jìn)的，2950cm-1與2930cm-1分別屬于－CH3與－CH2－中的C－H不對稱伸縮振動，2850cm-1則是C－H的對稱伸縮振動引起的，1370cm-1是－CH3中的C—H特征的對稱彎曲振動，在1450cm-1左右若干小弱峰則屬于－CH3不對稱彎曲振動及-CH2－的彎曲振動峰，716cm-1是 -（CH2）n－碳鏈引起的。上述紅外峰歸屬的官能團(tuán)與（不飽和）脂肪酸甲酯（生物柴油）的結(jié)構(gòu)非常吻合，此外，圖中所有產(chǎn)物的FTIR光譜圖基本一致，表明產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似，均為脂肪酸甲酯。

圖1 高頻往復(fù)試驗機及摩擦副示意圖

圖2 不同植物油合成的生物柴油的FTIR譜圖

2.2 潤滑性能測試

表1顯示的是不同樣品的平均摩擦系數(shù)。從表1可以看出，合成的四種植物油甲酯生物柴油的摩擦系數(shù)均小于0#柴油，表明生物柴油的減摩性能優(yōu)于礦物柴油。生物柴油主要成分為脂肪酸甲酯，其中的酯基不僅具有良好的潤滑功能，還可以吸附在摩擦副表面，從而使生物柴油具有良好的減摩性能。表1還表明蓖麻油合成的生物柴油減摩性能最優(yōu)，菜籽油甲酯生物柴油次之，大豆油生物柴油的減摩性能與菜籽油甲酯生物柴油接近，最差的是玉米油甲酯生物柴油。

表2顯示的是不同樣品潤滑下的鋼球磨斑的平均直徑。從表2可以看出，0#柴油潤滑下的鋼球磨斑較大，而所有生物柴油潤滑下的鋼球均具有較小的磨斑，表明生物柴油比0#柴油的抗磨性能更優(yōu)。表2還表明，四種生物柴油的抗磨性能存在一定區(qū)別，其中玉米油生物柴油磨斑最小，抗磨損性能最好，菜籽油生物柴油抗磨損性能與玉米油甲酯生物柴油性能接近，而大豆油生物柴油與蓖麻油生物柴油抗磨損性能相對較差。植物油合成的生物柴油的化學(xué)結(jié)構(gòu)雖然類似，均是脂肪酸甲酯，但不同植物油的脂肪酸種類不同，從而使不同生物柴油表現(xiàn)出不同的減摩抗磨性能。圖3是不同樣品潤滑下鋼球磨斑的激光顯微照片。從圖3可以看出，所有樣品潤滑下的鋼球表面均出現(xiàn)較為明顯的犁溝，表明主要磨損方式均為磨料磨損。其中0#柴油潤滑下的鋼球表面犁溝最深，磨損最為嚴(yán)重。與0#柴油相比，所有生物柴油潤滑下的摩擦表面的犁溝均相對較淺，表明磨損較淺。

表1 不同樣品的平均摩擦系數(shù)

表2 不同樣品潤滑下的鋼球磨斑的平均直徑

3 結(jié)論

四種不同植物油合成的生物柴油的減摩抗磨性能均優(yōu)于礦物柴油，其中蓖麻油生物柴油減摩性能最好，玉米油生物柴油的抗磨性能最優(yōu)。但蓖麻油生物柴油的抗磨性能較差，玉米油生物柴油減摩性能差。綜合比較，菜籽油生物柴油既具有較好的減摩性能，同時也有較好的抗磨性能，因而綜合性能最優(yōu)。

圖3 不同樣品潤滑下的鋼球摩擦表面的激光顯微照片

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