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            聚a-烯烴航空潤滑油基礎油黏度衰變機理分析

            發布時間:2019.09.23

                聚a-烯烴航空潤滑油基礎油黏度衰變機理分析

                作為“機械運轉的血液”,航空發動機的正常工作與其使用壽命在很大程度上依賴于航空潤滑油的性能。眾所周知,航空發動機潤滑油經常處于極高的溫度,在與空氣及金屬材料接觸的強氧化條件下工作,所以對航空潤滑油而言,熱氧化安定性是其最重要也是最難解決的問題。航空發動機潤滑油主要采用全合成基礎油,例如聚a-烯烴(PAO)合成潤滑油基礎油,這類基礎油具有粘度指數高、傾點低、氧化安定性好、閃點高以及揮發度低等特點,基本滿足了現階段航空發動機運轉的苛刻要求。

              隨著飛機發動機的升級換代,其內部溫度也越來越高,其中渦輪軸承處溫度最高,可達到280°C,發動機剛停車時溫度繼續升高,甚至超過400C,在這種情況下潤滑油會發生一系列鏈反應,生成過氧化物,過氧化物再進一步反應成低分子量產物,如醇類、醛類、酮類、羧酸類和內酷類混合物等,它們氧化就會縮聚生成高分子量的聚合物,嚴重影響其潤滑效果。為提高潤滑油基礎油的抗氧化能力,人們選用的抗氧劑主要包括p,p‘-二異辛基二苯胺(Tz516)、N-苯基-a-萘胺(NPAN)和2,6-二叔丁基對甲酚(T501)等。

              為了從分子水平上深人探究航空發動機PA0合成航空潤滑油基礎油在實際使用條件下的熱氧化衰變規律,找出在用潤滑油黏度衰變的原因,本文以PA0基礎油、PA0+T501和PA0+Tz516配方油樣為研究對象,借助高溫高壓反應釜模擬航空發動機工況條件,采用CC/MS聯用技術分析高溫反應后配方油樣的結構組成,據此推測PA0可能的黏度衰變機理,為實現潤滑油的全程品質監控和在用潤滑油性能變化的監測提供重要的科學依據。

              與未添加抗氧劑的PAO相比,抗氧劑T501和Tz516加人后,高溫反應后油樣中的產物類型及含量明顯減少,其中種類和含量降低幅度最大的是烯烴類物質,由不添加抗氧劑的51種分別減少到添加有T501和添加有Tz516的45種和43種,相對含量由10.1 %分別降至9.72%和9.43%.可見,抗氧劑T501和Tz516能夠及時阻止基礎油的高溫裂解,特別是抑制烯烴的產生。添加不同抗氧劑,潤滑油基礎油也會發生不同程度的裂解反應,衰變產物的種類和含量也存在區別。與添加有T501油樣高溫反應相比,添加有Tz516油樣的正構烷烴的種類和含量雖基本相同,但對于異構烷烴和烯烴的種類數和相對含量,都顯著降低,可見Tz516的高溫抗裂解作用強于T501的作用。

              表2油樣在300 oC下反應所得產物的分布及相對含量物種油樣類數含量物種油樣類數含量物種油樣類數含量正構烷烴異構烷烴烯烴3PAO黏度衰變機理分析根據聚合物結構與黏度的關系可知,在其分子鏈結構中,直鏈骨架使PAO具有良好的黏溫特性。而在高溫環境中,PAO高溫裂解產生小分子正構烷烴、異構烷烴和烯烴,進而導致黏度衰變。正構烷烴與油品的熔點、黏度及傾點等理化指標有關,大量小分子的正構烷烴的生成,造成油液黏度的降低。

              異構烷烴多是單甲基異構烷烴,而且甲基基本上全居于主鏈骨架的兩端,與大分子多側鏈的PAO相比,異構烷烴主鏈長度較短,且含較少的短側鏈,其黏度亦小,因此,異構烷烴的生成同樣致使PAO黏度的下降。綜上,PAO在高溫作用下的熱裂解反應是油品黏度衰變的主要原因,尤其是一定量小分子烷烴的生成,導致PAO黏度急劇減小,而伴隨發生的熱氧化反應,是PAO潤滑基礎油酸值發生變化的主要原因,雖然其過程中生成的小分子酮、醛、酸、醇和酷也影響基礎油黏度的變化,但相比于相對含量較高的烴類物質,作用甚微。

              在PAO+T501反應油樣中,烷烴主要包括正十七碳烷、正十八碳烷、正十九碳烷、正二十碳烷、2-甲基十二碳烷、3-甲基十二碳烷、3-甲基十三碳烷、5-甲基十三碳烷、3-乙基十三烷、6-甲基十五碳烷,烯烴主要含有3,3-二甲基-1-十一碳烯、2-乙基-1-十一碳烯、(E)-3-二十碳烯、(Z)-3-十九碳烯、2-乙基十七碳烯,據此可以推測提出以下裂解機理:同理,對于PW反應油樣,由裂解反應后生成小分子化合物的種類及相對含量統計數據得出,正十五碳烷、正十六碳烷、正十八碳烷、正十九碳烷、正二十碳烷、正二十一碳烷、3-甲基十二碳烷、4-甲基十三碳烷、2,6-二甲基十二烷、3-乙基十三烷、6-甲基十五碳烷、3,3-二甲基-1-十一碳烯、2-乙基-1-十一碳烯、8-十六碳烯、2-乙基十七碳烯、(Z)-7-十六碳烯是主要裂解產物,因此可定性描述在此條件下的具體裂解方程為:綜上,對于本實驗條件下,不論是添加抗氧劑以寫成如下方程式:T501還是添加抗氧劑Tz516,PAO高溫裂解反應可十乓。一CH3 4結束語為試驗油樣,運用高溫高壓反應釜裝置,模擬航空發動機工作環境,測定不同溫度反應后的油樣40oC運動黏度,借助GC/MS現代檢測手段,依據產物種類和含量分布,從分子水平推測PAO基礎油的黏度衰變機理。高溫環境中,基礎油主要發生了熱裂解、熱氧化等反應,其中分子鏈的斷裂是最主要的反應,產生鏈長較短的正構烷烴、異構烷烴和烯烴,使分子間作用力減弱,進而降低油樣的運動黏度??寡鮿㏕501和Tz516的加人,極大地延緩了基礎油的黏度降解,在一定溫度范圍內能夠阻礙分子鏈的斷裂和含氧化合物的生成。

             

            --------------------------------------全文摘自《中國潤滑油網》資訊。

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