多元醇酯基础油性能—结构关系研究及在航空润滑油中的发展概述

2014-11-07 09:56王贻全梁宇翔
润滑油 2014年3期
关键词:航空发动机

王贻全+梁宇翔

摘要:多元醇酯作为一种性能优异的合成基础油,广泛应用在航空发动机润滑油、精密仪器仪表油、齿轮油等领域。不断发展的航空发动机对多元醇酯的黏温性能、低温性能、热安定性、氧化安定性要求逐步提高。文章主要对多元醇酯基础油这些优异性能与结构的关系进行了总结概括,并根据航空润滑油规格标准的发展提出了多元醇酯基础油以后的发展趋势。

关键词:航空发动机;多元醇酯;黏温性能;倾点;热安定性;氧化安定性

中图分类号:TE626.34 文献标识码:A

0 引言

润滑油保证航空发动机的正常工作,是现代航空油料的重要组成部分,在航空发机中起着润滑、冷却、清洗、密封、防锈、缓和防震等作用。目前全球广泛使用的航空发动机润滑油有BP Turbo Oil 2197、Mobil Jet Oil 254、Mobil Jet Oil Ⅱ以及我国的4050、4106号润滑油,这些润滑油的基础油均以多元醇酯为主。

多元醇酯基础油的性能优异:氧化安定性好、热稳定性高、低温流动性好、良好的黏温性能等。随着飞机发动机的发展,发动机对润滑油的性能要求以及规格标准的要求不断提升,故对多元醇酯基础油的优异性能要求也越来越高。这些优异的性能与多元醇酯本身的结构有着密切的关系,目前规律性研究主要集中在单一的某种多元醇和某种短链脂肪酸(C5~C10)形成的多元醇酯,这对于改善多元醇酯基础油的性能有一定的指导意义。

1 航空发动机与酯类油概述

Loomis、Fusaro[1]研究发现,常见的合成油中合成烃PAO、多元醇酯和改进聚硅氧烷的使用温度与航空润滑系统实际工作温度范围最为接近,温度范围维持在-50~250 ℃之间。改进聚硅氧烷生产工艺较酯类油复杂,成本也相对较高;PAO的润滑性和抗氧化性能比酯类油差;全氟聚醚有较好的高温性能,但低温流动性能较差,目前还不能满足航空润滑系统低温使用要求。所以多元醇酯成为主要的航空发动机油基础油,如已经广泛使用的BP Turbo Oil 2197、Mobil Jet Oil 254、Mobil Jet Oil Ⅱ以及我国的4050、4106号润滑油等。

1.1 航空发动机润滑油性能要求

航空发动机润滑油的主要作用是润滑和冷却涡轮发动机的转子轴承以及附件传动机构的齿轮和轴承[2],同时起到良好的密封作用。转子轴承的高负荷、高转速、高温下工作的条件对润滑油具备良好的润滑性、热安定性、高温抗氧化性以及更好的黏温性能提出了更高的要求。

航空涡轮发动机的不断改进主要体现在推力、推重比和发动机轴承速度的不断提高,推重比的不断增加直接导致发动机涡轮前的温度不断上升,进而提升了发动的润滑系统的温度。润滑系统的温度越来越高对发动机润滑油的黏温性能、热安定性、氧化安定性的要求逐步提高。

1.2 多元醇酯基础油

目前为了满足航空涡轮发动机润滑油的各项要求,使用最多的基础油是多元醇酯。多元醇酯是分子中羟基数目大于2的多元醇与饱和脂肪酸在催化剂下酯化反应得到。常见的多元醇有:季戊四醇(PE)、三羟甲基丙烷(TMP)、双季戊四醇(DiPE)等,且都具有新戊基结构,脂肪酸通常是C5~C10饱和脂肪酸。

多元醇酯比其他酯类油更具优越性[3]:氧化安定性更好;热稳定性更高;低倾点,低温流动性更好;良好的黏温性能;良好的抗磨损、抗擦伤及摩擦特性;更低的挥发性。

1.3 航空润滑油的规格及发展

酯类油按黏度可以分为低、中、高三等级,分别对应100 ℃的运动黏度3 mm2/s、5 mm2/s、7.5 mm2/s。目前航空润滑油以低中黏度的多元醇酯基础油为主,国际上通用的两大航空润滑油规格是MIL-L-7808和MIL-L-23699,这两大规格标准随着发动机对润滑油的要求不断发展。

1.3.1 MIL-L-7808规格

最初对应的是低黏度3厘斯油,Ⅰ型合成油,即100 ℃运动黏度是3 mm2/s,使用温度在-54 ~ 175 ℃,-54 ℃低温黏度不高于17000 mm2/s。美国空军在1951年提出,这种低黏度油的低温启动性能很好,主要用于涡轮喷气发动机[4],但是低黏度润滑油在发动机的高温部位烧结严重[5]。1982年颁布的MIL-L-7808J,200 ℃的氧化试验时间增加了一倍,改为96 h,基础油改为多元醇酯。1994年提升为MIL-L-7808L标准,主要包括3厘斯和4厘斯两类油,又在1997年升级为MIL-PRF-7808L。其中100 ℃下4 mm2/s油使用温度在-54 ~ 205 ℃,同时满足在220 ℃下长期使用。因此4厘斯合成油既具备3厘斯油良好的低温性能,又有优良的耐高温性能,随着航空发动机的不断发展,4厘斯油很有使用前景。

1.3.2 MIL-L-23699规格

对应的是中黏度5厘斯油,Ⅱ型合成油,即100 ℃运动黏度是5 mm2/s,使用温度是-40 ~ 200 ℃,-40 ℃低温黏度不高于13000 mm2/s,基础油是多元醇酯。由美国海军在1963年实施,这是为了解决MIL-L-7808的3厘斯规格油高温烧结带来的润滑油系统淤渣问题[6]。此规格1994年升级为MIL-L-23699E规范,提高了润滑油海上抗腐蚀性能,基础油仍为多元醇酯。1997年该标准发展为MIL-PRF-23699F,主要包括了标准油(STD)、防腐油(C/I)、高热安定性油(HTS),提高了对航空润滑油热氧化安定性的要求。目前世界上约有95%的航空飞机润滑油使用此规格标准[6]。2007年美国汽车工程协会根据发动机润滑油使用时间及附件设备需求,把该标准升级到SAE AS 5780[7]。随着发动机发展,涡轮前温度逐渐升高,目前的标准近些年可能升级为MIL-PRF-23699G。

因此从以上航空润滑油规格发展来看,5厘斯油在目前航空发动机润滑油领域中占主导地位,4厘斯油在以后航空润滑油领域有较好的发展前景。航空润滑油的耐高温性能、低倾点、优异的低温流动性的要求随着飞机发动机的发展越来越高,因此耐高温、黏温性能优异的多元醇酯会是以后航空发动机润滑油基础油的发展趋势。

2 黏温、低温性能与结构的关系

2.1 多元醇结构对黏温性能、倾点的影响

Hirano、Tal S. Chao等人[8-9]研究发现,季戊四醇PE、三羟甲基丙烷TMP和双季戊四醇DiPE的结构对多元醇酯的黏度指数、倾点的影响分别如图1、图2所示。

分析图1可知,季戊四醇酯的黏度指数稍高,黏温性能更好;季戊四醇酯的倾点较高,低温性能不如三羟甲基丙烷酯。这与TMP的分子对称性差以及分子量小是有关系的,故分子量小、结构不对称的酯倾点优于分子量大、结构对称的酯。同时随脂肪酸碳原子数的增加,多元醇酯的倾点与黏度指数都呈现增加趋势,这表明酯的黏温性能更加优异,而低温性能越来越差。

Niedzielski[10]研究发现,在优化5厘斯酯类油的黏温性能与倾点两者关系上,季戊四醇酯比三羟甲基丙烷酯更易调解、更易优化。因为同样合成5厘斯酯类油,季戊四醇需要的脂肪酸的碳原子数、分子量更低,这样合成出的多元醇酯的低温流动性更加优异。

分析图2可知,脂肪酸相同时,双季戊四醇酯的黏度指数明显高于季戊四醇酯和三羟甲基丙烷酯,双季戊四醇酯的黏温性能优势明显;但是双季戊四醇酯的倾点即低温性能不如季戊四醇酯、三羟甲基丙烷酯。

2.2 脂肪酸结构对黏温、低温性能的影响

2.2.1 脂肪酸碳原子奇偶数对低温性能的影响

Niedzielski[11]的研究如表1所示,分析可知:

(1)偶数碳原子脂肪酸得到的酯的低温流动性较奇数碳原子脂肪酸得到的酯的低温流动性差。由于偶数碳原子数脂肪酸的晶体结构对称性较高,晶体结合得较为紧密,低温黏度较大,使得酯的低温流动性变差;而奇数碳脂肪酸正好与之相反[12]。

(2)由C5~C9的5种奇偶混合酸得到的酯的低温流动性与倾点明显优于只用三种奇数脂肪酸(C5、C7、C9)或者三种偶数(C4、C6、C8或C6、C8、C10)脂肪酸得到的酯。因为脂肪酸种类的增加,比如5种奇偶混合酸会使得季戊四醇酯的对称性变的更差,从而降低倾点。

(3)分析组合特点发现,使用碳原子数为奇数的低分子脂肪酸,如正戊酸,可以明显改善酯的低温流动性。

2.2.2 脂肪酸分子量与支化度的影响

(1)直链脂肪酸的分子量的影响

由图1、图2发现,随着直链脂肪酸碳原子数目的增加,季戊四醇酯的黏度指数增加、倾点上升,因此黏温性能变好,低温性能变差;三羟甲基丙烷酯和双季戊四醇酯的黏度指数增加,黏温性能变好,倾点呈现马鞍形变化,倾点先降低再升高,这可能与酯分子的柔韧性有关系。

(2)脂肪酸支化度的影响

脂肪酸支化度对多元醇酯的影响[8-9,13]如图3所示。

注:图中四个点从左到右依次代表正辛酸、2-乙基己酸、4,4-二甲基己酸、5,5-二甲基己酸,后三种酸的支化度均为25%,故图中只标注了一个25%。

①引入支链,多元醇酯的黏度指数降低,黏温性能变差。一般三羟甲基丙烷酯的倾点会升高,季戊四醇酯的倾点会下降,但是支链过多倾点都呈升高趋势。

②支链越多,黏温性能越差;支化度相同时,加入的支链酸比例越大,酯的低温流动性越差[10]。

③支链类型:支化度相同时,季戊四醇酯中一个乙基支链比两个甲基支链更能降低倾点,虽然支链使得三羟甲基丙烷酯的倾点会升高,但乙基支链比两个甲基支链倾点升高的幅度小,因此脂肪酸主链、分量相同时,乙基支链脂肪酸的酯比两个甲基支链脂肪酸的酯具有更低的倾点。

④支链位置:支化度相同时,三羟甲基丙烷酯的支链离得羧基越远,倾点越高,黏度指数越低;季戊四醇酯则呈现先下降再升高的趋势。这与酯分子的对称性是有关系的。

⑤分子对称性与分子量:在低温流动性上,分子对称性的影响大于分子量的影响。由图3发现,三羟甲基丙烷正辛酸酯的倾点在-60 ℃左右,4,4-二甲基己酸酯的倾点升高幅度远大于2-乙基己酸对酯的升高幅度。

2.2.3 不饱和脂肪酸的影响

相同碳原子数的脂肪酸,如果存在C=C双键会造成酯黏温性能下降,倾点升高;也会造成酯的黏度上升,而且温度越低不饱和程度的影响越大[14]。造成以上现象可能的原因是不饱和酸形成的酯具有较大的摩尔体积,分子间凝聚力较饱和酯较小。

同时双键的位置对酯的倾点、黏度和黏度指数都有较大影响。不饱和脂肪酸中的双键离羧基越远,倾点越低,黏度和黏度指数越高,特别是黏度指数增加的更明显[14]。这种现象与双键的位置对分子的对称性、柔韧性的影响是有关系的,双键越靠近脂肪酸碳链的中间位置,分子的对称性增加、柔韧性下降,倾点略高于对称性小的酯,黏度指数低于对称性小的酯。

3 热安定性与结构的关系

3.1 酯的热分解机理

Barnes、Sommers等人[15-17]发现,酯类油存在醇-β氢时分解机理通过六元环结构分解为酸和烯烃,分解所需活化能约180 kJ/mol。新戊基多元醇分子中季碳原子的特殊结构使得新戊基醇酯分解为自由基所需的活化能约280 kJ/mol,比一般酯类约高100 kJ/mol,因此多元醇酯的分解温度比二元酸酯高出50 ℃左右[18]。

3.2 多元醇结构对热安定性的影响

多元醇结构对酯热安定性的影响研究较少。通过对三羟甲基丙烷三正壬酸酯(TMPC9酯)和季戊四醇四正壬酸酯(PEC9酯)在260 ℃下的热分解曲线[19]看得出TMPC9酯的热安定性优于PEC9酯,这与TMPC9酯的黏温性能优于PEC9酯是一致的,但是某个温度下单个酯的热安定比较不能代表多元醇酯整体的比较趋势,有待于全面细化研究比较多元醇的结构对热安定性的影响。

3.3 脂肪酸结构对热安定性的影响

3.3.1 酸的支链位置

Tal S. Chao[13]研究发现,酸的α-、β-或γ-位的氢原子被烷基取代后,酯的热安定性得到明显提高。

3.3.2 脂肪酸支化度

Thomas L. Ashcraft等[20]研究了碳氢键对酯热安定性的影响,并把仲、叔碳氢键中的H总数目定义为“活性氢”。研究发现,随着活性氢数目的增加,季戊四醇酯的热安定性呈下降趋势。根据Thomas L. Ashcraft的活性氢数目对酯热安定性的影响判断,同一脂肪酸形成的酯,支链越多,活性氢数目越少,氧化安定性越好。

3.4 酯化度对热安定性的影响

不完全酯化度越高,酯的热稳定性越差。ValérieEychenne[21]通过研究芥酸季戊四醇酯的酯化程度对酯热安定性的影响发现,不完全酯化下残余的OH越多热安定性越差,完全酯化的酯相对于部分酯化的酯在高温具有更稳定的结构,因此热安定性更好。这与分子间作用力以及羟基在高温下的迁移变化是有关系的。经FTIR分析,OH迁移变化幅度与残余的羟基数目成正相关,迁移变化的幅度越大热安定越差,因此有残余OH的酯的热安定性高低依次是三酯>二酯>单酯。

4 氧化安定性与结构的关系

酯类油作为高温润滑材料,经常在高温与空气和热金属表面接触的强氧化条件下工作。因此,氧化安定性成为航空润滑油的重要性能之一,因此需要研究影响润滑油氧化安定性的结构因素。

4.1 氧化机理与氧化动力学

在光、热和金属催化剂的影响下,酯类合成油的氧化遵循自由基链式反应机理[18],氧化会产生一些羧酸、烯烃类的物质,使得润滑油酸度增大,促进氧化。此外带羟基的产物会发生氢键聚合导致润滑油黏度变大[22]。因此酯类油的氧化机理可能既包含了自由基机理又有聚合机理。同时酯类油的热氧化可以视为一级反应[23]。

4.2 多元醇结构对氧化安定性的影响

多元醇结构对氧化安定性的影响研究相对较少,B.Koch,E.Jantzen[24]研究发现季戊四醇四庚酸酯(PEC7酯)与三羟甲基丙烷三庚酸酯(TMPC7酯)在220 ℃氧化下,同等时间内TMPC7酯的黏度变化稍小,因此氧化安定性略优于PEC7酯,但是多元醇单一直链酸酯的某个温度下黏度的变化不能代表多元醇酯整体的热安定性比较趋势,有待于详细研究。

4.3 脂肪酸结构对热安定性的影响

4.3.1 脂肪酸碳氢键的种类

Sniegoski Paul J[25]在新戊基酯类油模型化合物氧化安定性的研究发现,过氧化基对酯结构中C-H键的氢的攻击,具有一定的选择性,如下表2所示。

分析表2可知,从C-H键的相对氧化速率的比较可以发现C-H对过氧自由基的敏感程度,C-H键稳定顺序依次是伯键EF、α-酰基仲键A、α-醇基仲键G、“正常的”仲键BCD。由于A与G键受临近氧原子的影响,羰基氧原子的斥电子作用,导致临近C-H键上的电子减少,降低了亲电子的过氧基的攻击。因此在设计提高酯的氧化安定性的结构时要考虑到羧酸中类似于仲键BCD较高活泼性的影响。

4.3.2 脂肪酸链长

Tal S. Chao[13]研究发现,C5~C8直链脂肪酸形成的季戊四醇酯,其氧化安定性随着碳原子数的增加(图4)或者-CH2比例的增加而线性下降。这与Sniegoski Paul J酯类油模型的氧化安定性研究结论是一致的,即“正常的”-CH2相对于其他碳氢键更加活泼,对过氧自由基更活泼,其数目越多氧化安定性越差;而且直链或者支链脂肪酸-CH2比例的增加都会造成酯的氧化安定性下降。

4.3.3 脂肪酸支链位置

由α-或β-取代基的脂肪酸生成的酯,其氧化安定性明显提高[13]。

4.3.4 脂肪酸不饱和度

不饱和酸的存在会降低酯的氧化安定性,不饱和程度越高酯的氧化安定性越差。存在双键易产生不溶性化合物,增加产物的酸性和黏度,促进油品氧化[26-27]。

研究还发现,不饱和三羟甲基丙烷酯在氧化前后50 ℃黏度的变化值与不饱和酸的溴值成一定的线性关系;不饱和程度越高氧化前后黏度变化越大;氧化诱导时间与溴值的倒数存在一定的线性关系[14]。

5 结束语

(1)多元醇酯的特殊结构决定了其优异的黏温性能、低温性能、热安定性和氧化安定性等性能。根据多元醇酯基础油的优异的性能进行单一的某种多元醇和某种短链脂肪酸(C5~C10)形成的多元醇酯研究对于改善多元醇酯的性能具有重要的意义,但目前的探索性研究缺乏多元醇的结构对酯的热安定性、氧化安定性的规律性探索,有待于进行更全面的多元醇酯结构与性能的规律性研究。

(2)航空润滑油规格MIL-L-7808和MIL-L-23699发展来看,飞机发动机润滑油耐高温性能的发展趋势使得5厘斯油的规格标准MIL-PRF-23699F近几年可能升级为MIL-PRF-23699G,同时MIL-L-7808规格中的4厘斯油有较好的发展应用前景。

(3)航空润滑油的耐高温性能、低倾点、优异的低温流动性的要求随着飞机发动机的发展越来越高,因此耐高温、黏温性能优异的多元醇酯会是以后航空发动机润滑油基础油的发展趋势。

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