潤滑油抗氧化性能檢測方法研究

吳　楠，費逸偉，姚　婷，宗志敏

(1 中國礦業(yè)大學化工學院，江蘇　徐州　221116；2 空軍勤務學院航空油料物資系，江蘇　徐州　221000)

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潤滑油抗氧化性能檢測方法研究

吳楠1,2，費逸偉2，姚婷2，宗志敏1

(1 中國礦業(yè)大學化工學院，江蘇徐州221116；2 空軍勤務學院航空油料物資系，江蘇徐州221000)

潤滑油抗氧化性能的好壞直接影響潤滑油的使用性能，是潤滑油品質高低的重要指標。本文通過分析探討潤滑油抗氧化性能的現(xiàn)代檢測方法，利用紅外光譜法和高壓差示掃描量熱法分析潤滑油的組成和結構、潤滑油中的抗氧劑含量、分析評定潤滑油的氧化安定性，研究探討將紅外光譜法和高壓差示掃描量熱法用于潤滑油抗氧化性能檢測的特點和關聯(lián)性。

潤滑油；抗氧化性；檢測方法

航空潤滑油工作溫度較高，在發(fā)動機運轉過程中，油箱潤滑油溫度可達160 ℃，摩擦副間潤滑油的溫度會更高。在如此高溫環(huán)境下，潤滑油與空氣接觸，在銅、鐵等金屬的催化作用下，到一定程度會發(fā)生氧化衰變，導致潤滑油黏度增加，酸值升高[1]，甚至會發(fā)生沉積物或積炭[2-4]，最終導致潤滑油失效，影響飛機發(fā)動機工作，嚴重時會導致抱軸等災難性故障。因此，抗氧化性能的好壞直接影響潤滑油的使用性能，決定著換油周期的長短，是潤滑油品質高低的重要指標。

潤滑油氧化安定性的評價方法多種多樣，針對潤滑油抗氧化性能的不同方面，可以采用不同的測量方法，如表1所示。

表1　潤滑油的抗氧化性能檢測方法

這些檢測方法雖然檢測指標不同，且存在一定適應性，但相互之間又存在相關性和一致性。

本文比較分析了應用紅外光譜法和高壓差示掃描量熱法測量潤滑油抗氧化性能的優(yōu)缺點，研究探討了兩種檢測方法的特點和相關性。

1　紅外光譜法在潤滑油氧化安定性研究中的應用

紅外光譜法(簡稱IR)是由分子振動能級的躍遷而產生，是一種分子吸收光譜，作為一種近代儀器分析方法，已經廣泛用于分子結構的基礎研究和化學組成的研究。紅外光譜法應用面廣，既可以鑒定未知物的分子結構或確定其化學基團，又可以進行定量分析和純度鑒定；而且檢測過程不受樣品相態(tài)的限制，無論是固態(tài)、液態(tài)還是氣態(tài)樣品都能直接測定；不僅如此，紅外光譜法樣品用量少，分析速度快，操作方便。因此，在潤滑油氧化安定性的研究中可以通過紅外光譜法測定潤滑油的組成以及潤滑油中抗氧化劑的含量來分析油品的抗氧化性能。

1.1分析潤滑油的組成和結構

李春秀等[5]用紅外光譜技術分析國內外PAO的組成和結構，通過測定PAO中殘留烯烴的類型和相對含量，進而評定PAO的熱穩(wěn)定性、熱氧化安定性及產品的顏色等性能的好壞。

PAO是一種寬餾分的混合物，主要以癸烯為原料，通過石蠟裂解法和乙烯齊聚法制得，圖1是兩種方法制得的PAO的結構示意圖。

圖1　PAO結構示意圖

圖1中，左圖是由乙烯齊聚法制得的聚α-烯烴，右圖是由石蠟裂解法制得的聚α-烯烴，由圖可見，正是因為聚α-烯烴生產工藝不同，原料組成不同，因此制備工藝不同，因此PAO產品的分子結構和殘余物的類型也會存在一定差異。

雙鍵在端基的烯烴(即α-烯烴)的C=C伸縮振動特征峰在1640 cm-1附近，隨著烯烴碳鏈上取代基數目增多，C=C伸縮振動特征峰逐漸移向高頻(高于1690 cm-1)。如果在PAO的紅外光譜數據中，在1151 cm-1附近出現(xiàn)變形振動吸收峰，說明PAO的碳鏈中存在甲基，同時亞甲基的特征彎曲振動吸收峰(δ-CH2-=721 cm-1)數量減少。

根據朗伯-比耳定律，當液槽厚度一定時，樣品中的組分濃度越大，其特征吸收峰的峰面積的吸收值越大，因此可以通過比較峰面積吸收值的大小來判斷樣品中組分含量的高低。

由此根據紅外光譜法的數據分析，既可以區(qū)分不同生產工藝生產的PAO，也可以區(qū)分國產PAO和進口PAO。

1.2分析潤滑油中的抗氧劑含量

龍芬[6]用紅外光譜測定法快速測定了潤滑油中抗氧劑的含量，分別對酚型T511、胺型T534和酚酯型L135三種抗氧劑特征吸收峰進行分析，確定了三種抗氧劑分析峰的位置，建立了三種抗氧劑的線性回歸方程。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)：T511的特征定量分析譜帶為-OH的伸縮振動吸收峰(3648 cm-1處)，該羥基吸收峰對濃度的變化最為敏感，而其它添加劑對其干擾較少(見圖2)；T534的特征定量分析譜帶為N-H的伸縮振動吸收峰(1600 cm-1處)，該N-H吸收峰對濃度的變化比較敏感(見圖3)；L135的特征定量分析譜帶為-OH的伸縮振動吸收峰(3650 cm-1處)，雖然在1741 cm-1位置會同時出現(xiàn)較強的羰基吸收峰，但在潤滑油中添加劑種類較多，因此該處的羰基吸收峰容易受到干擾，如果沒有其它含羰基物質的干擾，也可以選擇1740 cm-1作為定量分析峰(見圖4)。

圖2　T501和T511加入基礎油中的FTIR圖

圖3　T534及其加入基礎油中的FTIR

圖4　L135及其加入基礎油中的FTIR

2　高壓差示掃描量熱法在潤滑油氧化安定性研究中的應用

高壓差示掃描量熱法(PDSC)是以潤滑油氧化反應的熱流量作為檢測氧化反應進程的指標，把檢測到熱流時的起始時間或溫度作為油品的氧化誘導期或起始氧化溫度[7]。該方法樣品需要量少，分析快速、準確、結果重現(xiàn)性好，能夠有效的分析評價不同潤滑油的氧化安定性和抗氧劑性能的好壞，已經廣泛應用于工業(yè)生產和科學研究。

2.1評定潤滑油基礎油的氧化安定性

向暉等[8]用高壓差示掃描量熱法研究了煤轉化的基礎油(CTL)和Ⅲ類油以及Ⅳ類油(PAO)的氧化安定性，通過研究發(fā)現(xiàn)CTL基礎油和Ⅲ類油的抗氧化性能接近，Ⅳ類油的抗氧化性稍好(不同基礎油的程序升溫法PDSC曲線如圖5所示)。

圖5　不同基礎油的程序升溫法PDSC

高壓差示掃描量熱儀通過程序控溫，在氧氣存在的條件下，使待測潤滑油發(fā)生氧化反應，根據測得的起始氧化溫度和氧化誘導期來判斷待測油品的抗氧化性能，起始氧化溫度越高和氧化誘導期越長，說明待測油品的氧化安定性越好。從圖5可以看出，Ⅳ類油(PAO)的氧化誘導時間最長，CTL基礎油次之，Ⅲ類油最短，但三者相差不大?？赡苁且驗镻AO是由規(guī)則的長鏈烷烴組成，氧化穩(wěn)定性較好；Ⅲ類油采用加氫異構工藝，產品中除了含有飽和烴以外，還有多種芳烴和少量的氮、硫等雜質，因此氧化安定性略差；CTL基礎油是由多種內烯烴的聚合物組成，除了直鏈飽和烴外，還有環(huán)烷烴，因此其氧化安定性最差。

2.2評定潤滑油基礎油對抗氧劑的感受性

向暉等[8]在Ⅲ類潤滑油、Ⅳ類潤滑油(PAO)和煤轉化的基礎油(CTL)中加入等量胺型抗氧劑AO，通過PDSC法考察不同基礎油對抗氧劑的感受性, 研究發(fā)現(xiàn)3種基礎油在添加胺型抗氧劑后，氧化誘導時間大大延長，其中PAO對胺型抗氧劑的感受性最好。

3　結　論

紅外光譜法和高壓差示掃描量熱法可以較好的評定潤滑油的氧化安定性，且與旋轉氧彈法、介電常數法等傳統(tǒng)方法之間存在一定的相關性和一致性，側重點不同，各有優(yōu)缺點。

紅外光譜法操作過程簡單，檢測結果準確度高，重現(xiàn)性好，但只能對已發(fā)生氧化反應的油品進行檢測，很難對油品的整個使用過程進行實時監(jiān)控，不易實現(xiàn)油品控制信息化。因此可以考慮將紅外光譜法與其他檢測方法聯(lián)用，如與熱重分析法、質譜分析法等結合，配合分析潤滑油的抗氧化性能。

PDSC能夠直接反映油品的抗氧化能力，樣品使用量少，但檢測過程復雜，操作技術難度大，儀器設備維護保養(yǎng)成本高。因此該方法目前也只適用于實驗室中潤滑油品的抗氧化性能檢測。

[1]Karis T E, Miller J L, Hunziker H E. Oxidation of chemistry of a pentaerythritoltetraesteroil[J]. Tribology Transactions, 1999, 42(3): 431-442.

[2]Ingold K U, Puddington I E. The influence of alkali on the oxidation of lubricating oils[J]. J Ind Petroleum, 1958, 44: 168-177.

[3]Jayaprkash K C. Oxidation stability of steam turbine oil and Iaboratory methods of evaluation[J]. Lubircation Engineering, 1984, 40(2): 89-95.

[4]Wilson A C M. Problem encountered with turbine lubricants and associated systems[J]. Lubrication Engineering, 1976, 32(2): 59-65.

[4]李春秀,韋夏. 紅外光譜分析PAO的組成和結構[J]. 合成潤滑材料, 2009, 36(3):10-13.

[5]龍芬.紅外光譜測定潤滑油中多種類型抗氧劑含量的應用[J].化學工程與裝備,2010(8): 190-196.

[6]郭青鵬,費逸偉,姚婷,等. 高壓差示掃描量熱法在潤滑油熱氧化研究中的應用[J].合成潤滑材料,2014, 41(3): 28-31.

[7]向暉,陳國需. PDSC法研究煤轉化基礎油的氧化安定性[J].潤滑與密封,2008, 33(4):89-91.

Research on Test Technology of Anti-oxidation Property of Lubrication Oil

WUNan1,2，F(xiàn)EIYi-wei2,YAOTing2,ZONGZhi-min1

(1 School of Chemical Engineering & Technology, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116; 2 Department of Aviation oil and material,Air Force Logistics Institute, Jiangsu Xuzhou 221000, China)

The modern test technology was researched, the composition and structure characters were analyzed, contents of antioxidants and oxidative stability of lubrication oil was studied using IR and PDSC.

lubrication oil; oxidation resistance; test technology

吳楠(1980-), 副教授, 研究方向為油料應用。

宗志敏，教授，研究方向為重質碳資源的高效利用和藥用植物中生物活性成分的分離與分析。

TE821

B

1001-9677(2016)02-0107-03