合成润滑油基础知识讲座之一

1999年 10月 悯 南 第14卷第5期 文章编号：1002 3119I1999】05 0059—06 合成润滑油基础知识讲座之一 唐俊杰 (中国石化石油 ；丽 院，北京100083) 中闰分类号 ：TF．626．3 文献标识码tA 1 概述 1．1 什么是合成润滑油 一 般润滑油由基础油和添加剂组成。基础油可 以采用矿物油．它是一类 由原油经常减压蒸馏所得 的润滑油馏分．再经过酸碱精制、溶剂抽提、脱蜡、自 土处理、加氢精制等不同加工过程而获得的润滑油。 目前绝大部分润滑油产 品都是 以矿物油为基础油 的。第二类基础油是动植物油。例如菜子油、葵花子 油、大豆油等。这类油人们早就把它们作为润滑油 使用．但由于它们极易氧化，使用寿命很短，后来被 矿物油替代。近年来由于环境保护的需要，考虑到 植物油易被生物降解，而矿物油大都不能生物降解。 因此又采用植物油 来制备 各种可生物降解的润滑 油。第三类为合成润滑油，它完全是采用有机 合成 方法制备的，具有一定化学结构和特殊性能的润滑 油。制备合成油的原料可以是动植物油脂。也可以 用石油或其它 化工产品。在化学组成上。矿物油是 以各种不同化学结构的烃类为主要成分的混合物。 合成润滑油的每一个品种都是单一的纯物质或同系 物的混合物。构成合成润滑油的元素除碳、氢之外。 还包括氧、硅、磷和卤索等。在碳氢结构中引入含有 这些元素的官能团是合成润滑油的特征。合成润滑 油与矿物润滑油相 比．在性能上具有一系列优点，可 以解决矿物润滑油不能解决的问题，因此 日益得到 重视，合成润滑油不但是许多军工产品的重要润滑 材料+而且在民用方面也有很大的潜力。合成润滑 油虽然比矿物润滑油价格高，但由于性能优 良、使用 寿命长、机械磨损小．因此使用合成润滑油仍然可以 收到 良好的经济效益。 1．2 合成润滑油的分类 根据合成润滑油基础油的化学结构。美国材料 试验学会(ASTM)特设委 员会制定 一个合成润滑 了 I s毛 丁 乳6、 油基础油的试行分类法．将合成润滑油基础油分为 三大类 ： 第一类 合成烃润滑油 聚 a一烯烃油 第二类 有机酯 第三类 其它合成油 烷基苯 聚丁烯 合成环烷烃 双酯 多元醇酯 聚酯 聚醚 磷酸酯 硅油 硅酸酯 卤代烃 聚苯醚 制备合成润滑油的原料主要来 自石油、煤、页岩 和天然气．例如翩备合成烃润滑油和聚醚所需的乙 烯、丙烯、异丁烯、苯和环氧乙烷、环氧丙烷等都可以 从石油中得到。磷酸酯、硅油 、硅酸酯和氟油还需要 矿石或非金属矿为原料。翩备酯类所需的脂肪酸和 二元酸也可从动植物油中获得。 1．3 合成润滑油的性能特点 矿物润滑油是目前最常用的润滑油．由于它来 源广、价格便宜，并能满足大多数机械设备的润滑要 求，因此今后较长时间内仍将继续使用矿物润滑油。 但矿物油产品有明显的不足：首先矿物油的低温性 收稿日期：1999一[J3一∞ 作者简升：唐俊杰(1937一)，男，教授级高工。1961年毕 业于前算 联门捷列夫化工大学燃料乐石油化学台成 业．现在石油化工科 学研究院．长期从事工业润滑油．台成润滑油产品及有机精细化学 品的开发．研制及应用．研究．科研成果曾害援获中国石化总公司 科拄进步奖．享受政府特殊津贴，公开发表论文 余篇 、 涤 田 油 丹 告 润 ) ) 维普资讯 http://www.cqvip.com 润 滑 油 能差，尤其是高粘度润滑油的倾点 般都在一10℃ 以 卜，在寒区冬季野外操作很难启动。其次，矿物油 在 120℃下就开始迅速 氧化，加入各种添加剂后可 以在 150℃下长期使 用，但在更高温度下使 用寿命 很短，且容易生成积炭。矿物油的粘度指数 一般都 在 90～1l0，加氢油可提高到 l20～l30，再高的牯度 指数矿物油就达不到 了，。矿物油遇火会燃烧，抗辐 射性差，密度不大于 1。随着科学技术的进步，尤其 是国防军工和高技术产业的发展，矿物油 的性能不 能满足需要。合成润滑油与矿物油相比具有 -系列 099年第 l4卷 优点，可以弥补矿物油的 述不足 归纳起来，合成 润滑油具有以下特性 ： 1．3 1 具 有优 良的耐 高温性 能 合成润滑油 ‘般 比矿物油热安定性好、热分解 温度高、闪点及 白燃点高、对添加剂的感受性好．加 入一定抗氧化添加剂后，其氧化安定性好，使用温度 高。 此．合成油 比矿物油具有更为优良的耐高温 性能。表 1-1列出了各类合成油的热分解温度和整 体极限工作温度范围 从表巾可以看出，对粘度相 近的油品米说，合成油比矿物油的使用温度要高。 表 1-1 各类台成油的热分解温度及整体极限工作温度范围 1．3 2 具有好 的低温性 能及粘 温性能 大多数合成润滑油比矿物油粘度指数高．粘度 随温度的变化小。在高温粘度相同时，大多数合成 润滑油比矿物油的凝点低、低温粘度小．这就保证 _r 合成润滑油可在较低的温度下使用 表 1 2列出 r 各类合成润滑油的粘度指数及凝点的范围。 从表 l 2可以看出，聚 一烯烃油、双酯 、多元醇 酯、硅油 、硅酸酯、聚醚和聚全氟烷基醚都 比矿物油 的粘度指数高，倾点低，因此它们都具有低温性能及 粘温性能好的特点，同时它们的高温性能也比矿物 油好．所以它们比矿物油的使用温度范围要宽。 1 3 3 具有 低 的挥 发损 失 般合成油与相『司粘崖的矿物油相比挥发性要 低。这是因为合成油大多数是 一种单 一的化合物， 其沸点范围较窄，而矿物油是 一段馏分油，在 啶 蒸 发温度下，其轻馏分易挥发。圈 1—1画出 r相近粘 度的矿物油、聚 烯烃油、双酯及聚酯馏出温度与馏 出量的比较 表 1-2 各类台成润滑油的粘度指数tz．~7i凝点的范围 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 5期 50 4o 耋30 i暑 盖 o 蚕 10 唐俊杰．合成润滑油基础 ’i!t 61 80 200 9．22．0 2加 温度／℃ ·(mmH 囝 l l 合成油与矿物油馏出量的比较 1 矿物油．4o'c粘度为 20 59叫 ／s； 2一聚 烯烃油．4o'c粘度为 33 07mm ／s{ 3 疆百}『．40"(2粘度为 14 42一 s： 4 聚酯．4o'c粘座为 20 59mm ／s 油品的挥发性是油品在使用过程中的 一项重要 性能。在使用过程中，由于温度高，挥发性大的油品 不但耗油量增加和需要经常补油．而且 由于轻组分 的挥发会使油品变粘．造成油品基本性能发生变化， 因而影 汕l 的使用寿命。合成油与旧粘度的矿物 油相比在高温下挥发损失要小得多。用矿物油调制 的 SAE 40内燃机油 比用合成油漏制的 SAE 20内 燃机油的挥发损失大 ‘倍 1．3．4 某些 合成油具 有难 燃性 矿物润滑油遇火会燃烧。在许多释近热源的部 位．常常由于矿物油的泄漏着火造成重 大事故。 目 前还没有找到靠 入添加剂的办法来改善矿物油的 着火性能。而某些合成油却具有优 良的难燃性 能。 侧如，磷酸酯虽然本身闪点并不高，但是由于没有易 燃和维持燃烧的分解产物，因此不会造成延续燃烧。 芳基磷酸酯在 700℃以上遇 明火会发生燃烧，但它 不传播 火焰，一旦 火源切断，燃烧立印 所以磷 酸酯其本身具有难燃性。聚醚是水 一已 醇难燃液 的重要组分，主要用来增加粘度。聚醚和 己 ：醇都 能燃烧，但 水 一己二醇难燃液 中含 40％～60％的 水，在着火情况下，由于水大量蒸发，水蒸汽 隔绝 r 空气．从而达到阻止燃烧的 目的。全氟碳润滑油在 空气中根本不燃烧，而全氟烷基醚油甚覃于 在氧气 中亦不能燃烧。表 1—3列出了合成油的难燃性能。 表 1 3 合成油的难燃性能 合成油的难燃性 能对航空、冶金和发电等工业 部门具有极重要的使用价值。 1．3．5 其它特殊性能 除 r上述共有的特性外，某些合成润滑油还具 有矿物润滑油不可能具有的特殊性能。例如： 【】)含氟润滑油具有优良的化学稳定性 含氟润滑油，包括全氟碳化合物 、氟氯 油、氟溴 油和聚全氟烷基醚等，都具有极好的化学稳定性，这 是矿物油及其它合成油所不及的。在 100℃以下． 垒氟碳油、氟氯碳油 与全氟聚醚油分别与氟 气、氯 气、68％硝酸、98％硫酸、浓盐酸、工水、铬酸洗液、高 锰酸钾和 30％的过氧化氢溶液不起作用。在 100℃ 下，全氟碳油与全氟聚醚油用 20％的氢氧化钾溶液 处理后可长期与偏二 甲肼接触不发生反应。氟油与 火箭用的液体燃料及氧化荆，如煤油馏分、烃类燃料 和偏 甲肼、二己基三胺、过氧化氢、红色发烟硝酸 及液氧等不起反应 但氟油可与融化的金属钠发生 猛烈反应。全氟聚醚油与金属 卣化物一路易斯酸如 A1a sl】F1、CoF 接触，在 100℃以 会发生分解。 (2)聚苯及聚苯醚具有抗辐射性能 一 般来说，每年 1() 拉德的吸收剂碹对润滑剂 的影响很小，到 10 ～100拉德就能分出润滑油抗辐 射性能的优劣。矿物油能耐 10 ～10 拉德／年的剂 量。酯类油、聚 一烯烃油与矿物油的耐辐射性能相 近，硅油、磷酸酯则低于矿物油，只能耐 】0 扣德／年 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 5期 唐俊杰．合成润滑油基础知识讲座之一 63 l，4 合成润滑油的现状与发展 合成润滑剂是在二十世纪 30年代中期发展起 来的。首先是美国人和德国人先后制备了合成烃润 滑油，以解决润滑剂的短缺 。在第二次世界大战中。 德国为了维持战争，克服严冬低温的困难，首先发展 了酯类合成润滑油的生产，解决了坦克和牵引车在 低温下的启动。并开始用于活塞式和喷气式飞机发 动机的润滑。德国还开始了包括聚合、氯化烃脱氢、 烯烃与芳烃缩 合的合成烃生产。1942年 德国合 成 油的生产量达到 6，7万 t。其中 50，7％用于航空。 在 1935年左右，美国研究了有机硅聚合物制备 方法，并于 1944年用直接合成法生产硅油。在此期 间美国和德国都研究了用环氧乙烷和环氧丙烷生产 聚醚合成油，著名的“Ucon”润滑剂就是美国联合碳 化合物公司生产的单烷基聚醚润滑剂。 50到 60年代，由于商业和军用飞机 的涡轮喷 气式发动机的发展，对航空润滑油提出了耐高温 、低 温的苛刻要求，一般矿物润滑油 已不能满足。于是加 速了酯类合成油的发展。1952年美军首次提 出 r 酯类航空润滑油的军用规格 MII，I，7808。到 50年 代末，美国酯类航空润滑油的年产量达到 7400 t。 然而，对于用于更现代化飞机的高功率发动机来说， 要求使用高温性能更好的润滑油，于是又发展了多 元醇酯类航空润滑油。到 60年代末，美国酯类航空 润滑油的年产量达到 2 7万 t。 在 1949年至 1953年问，壳牌公司研究 了，有机 磷化合物作为合成润滑油和液压油的可能性。找到 了芳基磷酸酯可作为难燃液压液，先用于民用飞机。 后用于工业液压设备和海军舰船上。 为了研制原子弹，在二战中美国发展了氟油。用 于六氟化铀气体扩散的润滑。随后前苏联亦开展了 氟油的研究工作。到 60年代，氟油的制备技术一直 处于绝密状态。 在 70年代以前，由于合成润滑油的产量小、价 格高．主要在军工部门应用。进入 70年代后，由于 能源危机和汽车等民用工业 的技术进步．出现了 一 些特殊润滑问题．使合成润滑油找到 了，更广阔的应 用场合，逐步得到更广泛的应用．特别是在汽车上使 用获得节能效果和经济效益。促使合成润滑油的产 量得到了较快的增长。到 80年代末，全世界合成润 滑油的总产量达到 13．6万 t／a。至本世纪末．预计会 超过 50万 t／a。合成润精油需求量的迅速增长主要 有以下几方面的因素：首先是高科技的发展对润滑 剂的要求更苛刻。机械设备的体积缩小、负荷增加、 精密度提高、使用寿命延长、要求润滑油用量少，同 时能耐高、低温、重负荷、长寿命。例如高级轿车用 的 5W／50 SG汽油机油，只有全合成油才能达到指 标要求。其次，由于资源短缺，普遍要求节能。合成 润滑油可利用动植物油及其它化工原料制备，扩大 了原料来源。而且合成润滑油用量少、蒸发量小，补 加量少，且寿命长，最终可减少用量，达到了节约能 源的 目的。再一方面，新世纪对环境保护的要求更 维普资讯 http://www.cqvip.com 润 滑 油 1999年第 14卷 高、更全面。矿物油不能生物降解，而酯类合成油 、 低分子的聚 a．烯烃油及聚乙二醇都有很好的生物降 解性能。可以满足新世纪的环保要求。今后，在各类 合成润滑油中增长较快的是聚 烯烃油和酯类合成 油。 中国的合成润滑剂工业起步于 5O年代。1949 年生产聚烯烃润措油 18 t。50年代末期 开发硅油 和氟油的生产工艺，并建立了工业生产装置，为我国 第一颗原子弹爆炸和第一枚人造卫星上天提供 润 滑剂产品。60年代初开始研究酯类合成油，研制成 酯类航空润滑油、精密仪表油和高温润滑脂，并供应 航空工业部门正式使用。7O年代初，为配合引进的 大型喷气客机和轧钢设备配套用油，发展了磷酸酯 航空液压油和工业难燃液压油。同时还研究和生产 _『全氟聚醚产品。70年代中期研 究出了聚醚产品。 同时对蜡裂解和合成烃加氢工艺进行了系统研究。 80年代以来，对合成润滑剂 的生产工艺进行改进， 优化生产条件，降低原材料消耗，开发新品种和扩展 产品市场。据不完全统计，到 目前 为止，中国共有 15个单位研究和生产合成润滑剂。已研制和生产 的合成润滑油有聚 烯烃油、酯类油、聚醚、硅油、氟 油、磷酸酯等各类品种，发展 了一百多种合成润滑油 脂产品。中国石化集团公司重庆高级润滑油公司所 属一坪化工厂是中国研究和生产合成润滑油脂的重 要基地，多年来，为中国国防军工和尖端科技提供了 许多重要的润滑油产品，满足了军工和 民用工业不 断发展的需要。 合成润滑油的应用领域是很广的，可以说，凡使 用矿物油的部位均可以使用合成油代替。此外，由 于合成油具有许多矿物油所不及的特殊性能，因此 有些部位只能使用合成润滑油。随着科学技术的发 展，合成润滑油的应用领域和生产量将不断扩大，使 用合成润 滑油的经济和社会效益将更加 显著。表 1 6列出了合成润滑油的应用领域。 表 I-6 合成掏滑油的应用顿域 应 用 领 域 用 途 合 成 润 滑 油 类 型 汽车工业 一 般工业 国防军事工业 发动机润滑油 二冲程发动机油 汽车齿轮油 汽车 自动传动{葭 中心{葭压油 制动棱 螺气轮机润滑油 齿轮和轴承润滑油 砖冻机油 压缩机油 难燃液压帔 导热和电气用油 金属加工帔 裥罱脂 航空喷气发动机油 活塞式发动机油 航空厦导弹液压油 耐辐射、抗化学润滑荆 聚烯烃、酯类油 聚丁烯 聚烯烃、酯类油 、聚醚 聚烯烃、酯类油 聚烯烃 酯类油 聚醚 酯类油 聚烯烃、石；}类油、聚醚 酯类油、窠醚 聚烯烃、酯类油、聚醚 磷酸酯、聚醚 烷基苯、聚烯烃 硅油 聚醚、酯类油 聚烯烃、酯类油、硅油、氟油 聚烯烃、酯类油 聚烯烃、酯类油 聚烯烃、酯类油、磷酸酯、硅酸酯 烷基苯 聚苯醚、氟油 维普资讯 http://www.cqvip.com