润滑油抗泡剂的类型和机理探讨

邓广勇,刘红辉,李纯录

(中国石油大连润滑油研究开发中心,辽宁大连 116032)

润滑油抗泡剂的类型和机理探讨

邓广勇,刘红辉,李纯录

(中国石油大连润滑油研究开发中心,辽宁大连 116032)

结合润滑油抗泡沫性能测定法及表面活性剂的基本理论对润滑油抗泡剂的作用机理进行了探讨。认为润滑油抗泡剂的作用机理并非通常认为的是降低液体与空气界面间的表面张力,提出能够降低润滑油生成泡沫能力的抗泡剂应具有增加油品泡沫的表面张力或降低泡沫表面膜强度及韧性的性能,并对其原理进行了详细叙述。本文还对目前广泛使用的三种类型润滑油抗泡剂,有机硅聚合物、非有机硅聚合物及复合抗泡剂进行了简单介绍。

抗泡剂;表面活性剂;机理;类型

Abstract:According to the determ ination m ethod of foam ing characteristics for lubricating oils and the principles of surfactant,the defoam ing and antifoam ing m echanism of antifoam er for lubricating oils is described.The author doesn′t think that the m echanism of antifoam er for lubricating oils is debasing the surface tension of the interface of liquid and air.It is pointed out that the antifoam er fo r lubricating o ils should possess the abilities of enhancing tension or debasing intensity and tenacity of foam surface.And its principle is described in detail.Finally,the properties of o rganic silicone antifoam er,non silicone antifoam er and compounded antifoam er are presented briefly also.

Key words:antifoam er;surfactant;m echanism;type

0 前言

现代润滑油中,不论是发动机润滑油、工业润滑油或是传动润滑油都含有定量的添加剂,在油品的使用过程中由于油品的输送或油与机器部件的剧烈振动等原因,都会使油品有生成泡沫的倾向,而稳定泡沫的形成会造成极为不良的后果,不仅造成润滑油的浪费损失,还降低了油品的使用性能,造成机器的磨损。

润滑油抗泡沫性能的测定是按照美国试验与材料协会AST M D892标准实验方法进行的,在我国相应的标准为 GB/T 12579《润滑油泡沫特性测定法》。方法的概要为:将一定空气通入油内 5 min,然后静止 10 min,分别测量这两个时间终了时的泡沫体积。在规定的不同温度下,测出润滑油的泡沫体积,用来描述被测油品的起泡倾向和泡沫稳定性。

为了防止润滑油生成泡沫或尽快将生成的泡沫消除,在润滑油中使用了抗泡沫添加剂,本文对润滑油中使用的抗泡沫添加剂的作用机理进行了探讨并对抗泡剂的类型进行了简单介绍。

1 抗泡剂作用机理

关于抗泡剂作用机理的研究尽管目前尚不十分清楚,但也提出了若干机理,其中最广泛的理论认为主要作用是降低液体与空气界面间的表面张力,从而使泡沫破坏[1]。

结合润滑油抗泡沫性能测定法及表面活性剂的基本理论,本人亦对润滑油抗泡剂的作用机理进行探讨。润滑油的起泡能力与表面张力密切相关,从能量观点考虑,低表面张力对泡沫形成有利,因为生成一定总表面积的泡沫,需要做较少的功 (表面功),而表面张力较大情况下生成一定总表面积的泡沫,需做较多的功,不利于泡沫的形成,因此增加油液与空气界面的表面张力能够降低润滑油起泡倾向。

为了降低泡沫稳定性,必须降低泡沫表面膜的强度和韧性,表面膜的强度一方面与表面吸附分子间的相互作用有关,相互作用力大则表面膜强度也大。另一方面与表面膜的厚度有关,表面膜越厚强度越大,生成的泡沫也越稳定,高粘度油品生成的泡沫较低粘度油品生成的泡沫表面膜要厚,泡沫也稳定;表面膜的韧性也与表面吸附分子间的相互作用有关,如膜中的分子不易自由流动,则韧性差,受到作用力泡沫易消除。

因此,笔者认为:为降低润滑油生成泡沫的能力,抗泡剂应具有增加油品泡沫的表面张力或降低泡沫表面膜强度及韧性的性能。之所以许多文章及书籍介绍润滑油抗泡剂机理时认为是降低液体与空气界面间的表面张力,可能是根据表面活性剂的定义:表面活性剂是指一些在很低的浓度下,能显著降低液体表面张力 (或界面张力)的物质。该定义是指表面活性剂在纯物质中起的作用,而润滑油抗泡剂是添加在已含有许多表面活性物质,而且表面张力足够小,易生成泡沫的混合物体系中。加入它的目的就是要改变体系的表面张力小易产生泡沫的倾向,由于表面活性剂的性质决定了其只能是在一定的含表面活性剂体系中适当的增加液体和空气界面间表面张力。

纯物质是不易起泡的,润滑油之所以易生成稳定的泡沫,是因为油品中通常含有定量的清净剂、分散剂及其他添加剂,它们大多数是表面活性物质,表面活性物质富集于气液界面,其非极性基团伸向气泡内,极性基团指向液体,形成单分子层膜,这种膜的形成降低了界面的张力而使气泡处于较稳定的热力学状态,当气泡在液体中上浮到液面并逸出时,气泡膜已形成双分子层膜了。如再加入另一类表面活性剂,部分替代原气泡膜中的表面活性剂,从而改变膜层分子间引力,使膜强度降低,泡沫的稳定性下降,就可达到消泡的目的。

消除泡沫的另一种方式是使形成泡沫的液体受地心引力等的作用快速流走,使液膜变薄,从而降低强度,使气泡破裂。液膜中液体粘度大则不易流走,还会使膜的强度增加,所以要求作为抗泡剂的表面活性剂具有非常好的粘温性能,在较宽的温度范围都有合适的粘度、良好的流动性能。由于其非常好的粘温性能,许多抗泡剂还常被用来作为要求高粘温性能场合的润滑剂;此外,润滑油抗泡剂在相当低的浓度时就表现出其性能,这是其他润滑油添加剂所不具备的。

2 常用抗泡剂类型

润滑油抗泡剂为油溶性表面活性剂,它是由极性基团和非极性基团组成。常用的润滑油抗泡剂有三类。第一类是有机硅聚合物,最常用的是二甲基硅油,它是由带有极性基团的 Si和非极性基团的烷基聚合而成,活性基团有OH、CHO、COOH、NH2及SH等,常用的是带有 OH基团,它由二甲基二氯硅烷 [(CH3)2SiCl2]与少量三甲基一氯硅烷[(CH3)3SiCl]的混合物水解得到,产物经缩聚为含有 Si-O键和甲基组成的烷基聚醚,即通常的甲基硅油。有机硅类型抗泡剂的加量通常是 (2～10) μg/g。它能有效抑制泡沫的产生,降低机器磨损并延长油品使用寿命,有机硅聚合物抗泡剂并不溶解于油,它是通过高度分散稳定的胶体状态而分布于油中,如在酸性油品里,随着时间的延长,有机硅类型的抗泡剂会不稳定而沉降,聚积造成消泡性能的失效。有机硅聚合物抗泡剂的作用机理为增加液体同空气的表面张力,使之不易生成气泡,因此含有机硅聚合物抗泡剂的油品空气释放性较差。

第二类是单独使用的非有机硅聚合物。在汽轮机油及液压油等酸性油品中,长时间使用后有机硅聚合物会失去消泡性能,这种场合可以使用非硅聚合物抗泡剂。应用最多的非有机硅聚合物润滑油抗泡剂是丙烯酸酯和烷基丙烯酸共聚物。它们在矿物油中的溶解性好,对调合技术不敏感,用量也很少0.001%～0.05%(质量分数)。这类抗泡剂的抗泡性能受体系已存在的表面活性物质影响较大,抗泡剂的作用效果取决于整个油品体系,因此同一种表面活性剂在一个油品体系中具有降低泡沫的能力,但在另一种情况下则可能完全没有抗泡性能,某些场合不仅没有抗泡性能,反而促进油品生成泡沫,在润滑油体系中存在清净剂时应特别注意这种情况。这类抗泡剂和有机硅类型抗泡剂相比,能有效地改善油品的空气释放性。因为这类非有机硅聚合物抗泡剂的作用机理为部分替代原气泡膜中的表面活性剂,从而改变膜层分子间引力,使膜强度降低,或韧性降低使泡沫的稳定性下降,达到消泡的目的,因此含这类非有机硅聚合物抗泡剂的油品中的空气能以气泡形式放出,具有良好的空气释放性。

第三类是复合抗泡剂。由于上述两类抗泡剂的优点及不足,某些情况下单独使用不能满足油品性能要求,因此发展了复合抗泡剂,通过复合增加抗泡效果和提高抗泡剂的稳定性。多数复合抗泡剂是上述两类抗泡剂的复合,以发挥各自的优点,满足油品使用性能的要求。此外也有非硅类抗泡剂之间的复合。

3 结束语

选择抗泡剂类型的原则取决于润滑油的组成和油品的使用方式,润滑油中使用的添加剂多为表面活性剂,一种表面活性剂可以兼有数种作用,因此在降低和抑制润滑油生成泡沫方面应考虑润滑油配方中使用的其他功能添加剂的类型,象清净剂、分散剂及抗磨剂等。润滑油里的清净剂,如烷基酚盐、硫化烷基酚盐;抗氧抗磨剂,如烷基硫代磷酸盐都具有一定的泡沫抑制作用,烷基分子的高低决定了添加剂的性能和功效,如热稳定性、清净性、抗磨性和抗泡性,就泡沫抑制作用来说当烷基为采用低分子醇获得的上述添加剂时其抗泡效果更好,因为随着表面活性剂中烷基链的加长表面活性增加,起泡性能亦增加。在合成油中加入适量的烷基聚酰胺,不仅可

以改善合成油对加入功能添加剂的溶解效果,还可以降低合成油的起泡性能,并增加油品的分散性。油品中表面活性剂间的相互作用机理是复杂的,许多场合并不能靠理论推理解决问题,要使润滑油抗泡剂的应用发挥好的效果,必须进行实际油品体系的多方面试验,另外研究并采用多效添加剂是提高经济效益和提高油品质量的关键,因为,采用多效添加剂可以在满足油品使用功能的前提下,减少使用功能添加剂的数量,这可以减少润滑油这个含多种表面活性物质体系的复杂性,减少不确定因素对油品稳定性能的影响,油品的稳定与否是决定其质量的关键。

[1]黄文轩.润滑剂添加剂应用指南[M].北京:中国石化出版社,2004:168.

D iscuss ion on the Typ e and M echanism of Antifoam e r for Lub rica ting O ils

DENG Guang-yong,L IU Hong-hui,LIChun-Lu
(PetroChina Dalian Lubricating O ilR&D Institute,Dalian 116032,China)

TE624.82

A

2009-06-08。

邓广勇(1964-),男,高级工程师,1983年毕业于辽宁石油化工大学(原抚顺石油学院)应用化学专业,从事过油品分析、润滑油研究及技术服务工作,已公开发表论文多篇。

1002-3119(2010)03-0041-02