酯类润滑油的结构对性能影响研究

姜会泽 费逸伟 姚婷 卞森

摘 要：在科学技术日新月异的今天，润滑油工作条件也愈加苛刻。分析了结构的差异对酯类油摩擦性能、粘温性能、低温性能、氧化安定性和水解安定性的影响，探究了解油品结构与性能的关系，对研制性能更好、更适用于当前环境的新型润滑油提供科学的理论支撑。

关 键 词：航空润滑油基础油；合成酯；结构；性能分析

中图分类号：TE 624 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1570-03

Research on Effect of Ester Lubricant Structure on Its Performance

JIANG Hui-ze， FEI Yi-wei， YAO Ting， BIAN Sen

（Key Laboratory of Aviation Oil Engineering， Air Force Logistics College， Jiangsu Xuzhou 221006， China）

Abstract： Nowadays， when science and technology are developing rapidly， the working environment of the lubricating oil is becoming harsher and harsher. In this paper， effect of different structure of ester lubricant on friction performance， viscosity-temperature performance， low temperature performance， oxidation stability and hdrolytic stability was analyzed. The relationship between structure and performance of product was explored， which could provide reliable theoretical basis and technical supports for development of high-end lubricanting oil.

Key words： Aviation lubricating oil； Synthetic ester； Structure； Performance analysis

隨着人类进步和科技发展，资源和环境已经成为人类可持续发展面临的两个重大课题。润滑油是一个资源性行业，传统矿物基基础油的不可再生性和较低的生物降解性决定了它不会是未来润滑油的发展方向。而合成润滑油不仅具有优异的使用性能，还在节能环保等方面起着重要的作用，越来越受到人们关注和认可，其销售量也逐年上升[1-3]。

酯类油是一种高性能润滑油基础油，在合成油中占有非常重要的地位和相当大的市场份额。酯类油按其结构通常分为双酯、芳香酯、多元醇酯以及复酯，酯类油通常具有很好的高低温性能和高的黏度指数，对添加剂和发动机高温下生产的油泥有优秀的溶解能力[4]。酯类油是为满足燃气涡轮发动机润滑要求而发展起来，因其具有优良的使用性能，现已广泛应用于航空航天发动机油、汽车和船用发动机油、压缩机油、液压油以及齿轮油等领域。

油品的性能与其结构密切相关，早在1947年E.M.Bried等[5]就对34种结构不同的双酯类基础油的化学稳定性、低温流动性和粘温性能进行了研究。本文主要介绍了近年来国内外酯类基础油的结构与摩擦性能、粘温性能、低温性能、氧化安定性和水解安定性等性能相关性的研究现状，并对性能优异的合成酯类基础油进行了探讨和展望。

1 摩擦性能

酯类油分子结构中含有高活性的酯基团，在润滑金属时可以吸附在金属表面，形成牢固的润滑剂膜，所以一般具有良好的摩擦性能。张红等[6]以己二酸和不同链长的直链醇进行反应，合成了己二酸二正丁酯、己二酸二正己酯等。利用四球机试验对以上各酯进行摩擦磨损试验，按GB3142-48方法测量最大无卡咬载荷（PB）；测量试验结束前后钢球质量，以得到实验中钢球磨损量，并测量钢球摩斑直径；结果如下表1。

表1 四球机试验结果

Table 1 Result of four-boll test

基础油名称 PB/N 钢球磨损质量/g 钢球摩斑直径/mm

己二酸二正丁酯 372 0.005 1 0.921

己二酸二正己酯 393 0.003 3 0.825

己二酸二正辛酯 470 0.003 0 0.745

己二酸二正癸酯 470 0.001 6 0.658

从表1可知：随着合成酯中有机酸碳链的增加，钢球的磨损质量依次为0.005 1、0.003 3、0.000 3以及0.0016 g，钢球摩斑直径分别为0.921、0.852、0.745和0.658 mm。基于此得出随着链长增加，PB值逐渐增大，双酯类润滑油的抗磨性能愈优秀。

2 粘温性能

双酯类基础油的粘度与粘度指数与结构组成密切相关。相对于其他润滑油基础油，双酯类基础油具有较宽的液体范围、较高的度指数以及优良的粘温性能。高永建[7]等以不同碳数的长链二元酸为原料，在杂多酸催化下合成了一系列长链双酯，并考察了其物化性能。

表2分别列出了含有十一、十二和十三碳原子的二元酸与异辛醇，异壬醇与十一和十二碳二元酸合成双酯的运动粘度和粘度指数。对比发现在相同条件及分子结构下，分子量越大，粘度就越大。

表2 不同酸/醇合成酯的粘度和粘度指数测量值

三种油样的起始氧化温度的高低顺序与其老化过程中酸值的变化大小顺序存在一定的对应关系，老化前后酸值变化最小的1938起始氧化温度最高，为246.13 oC，而老化前后酸值变化最大的3959起始氧化温度最低，为194.13 oC。综上，判断润滑油的热氧化稳定性不能只从某个单个指标判断，应综合粘度变化、总酸值变化等多个指标进行考虑。

5 水解安定性

酯分子水解安定性也与结构密切相关，结构不同其水解安定性也不同。陶菲[12]对酯中含水量、酯的醇度、酯的结构与添加剂的应用对酯的水解安定性影响进行了研究，结果表明：酯的水解速度与酯中水含量无关，而与酯-水界面的面积有关。同一种酯加入相同含量的水，振荡情况下酯的水解速度远远大于静置情况下的水解速度；同样的酯类油品，其初始酸值越大，纯度越低，水解速度也越大，原因是未完全反应的酸会对水解起到催化作用，从而加快水解；酯的结构不同，会对水解安定性造成较大差异，其中酯分子结构屏蔽酯分子结构可能会阻滞水解，屏蔽酸链部分的效果要强于屏蔽醇链部分；添加剂的使用同样会对水解安定性有很大影响，其中加入胺型添加剂会提升水解安定性，而含磷、氯的添加剂会使其水解安定性变差。

6 结 论

（1）酯碳链长度的增加，可以提高油品的摩擦性能、黏度和黏度指数，但是会降低低温流动性。

（2）不饱和键的存在可以小幅降低油品的黏度，但会使油品的氧化安定性变差，经加氢处理后倾点较未加氢要高。酯碳链的支化可以一定程度上改善油品的低温流动性和水解安定性，且支化位置不同产生的效果也会有差异。

（3）评价润滑油的氧化安定性，不能从某个单项指标判断，应综合多种指标判断评价。酯的水解安定性受酯-水接触面积、酯的纯度和酯分子结构等多个因素影响。

综上可知，结构决定性能，酯类基础油分子结构的变化导致其性能千差万别。在选择基础油时，不同的工作条件对基础油的各种性能的要求也各不相同，应综合多种因素进行考虑。因此，深入了解酯类基础油结构与性能的关系，可以为设计符合特定工作条件下的基础油提供理论支撑，也对未来寻找新型基础油有着深刻的意义。

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