不同来源150BS光亮油的抗氧化性能研究

周 康，蒲宸光，姚元鹏，李 旭，伏喜胜

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心，兰州 730060；2.中国石油天然气集团公司润滑油重点实验室)

150BS光亮油是一种重要的高黏度润滑油基础油，是生产高档内燃机油、齿轮油不可缺少的重要原料[1]。150BS光亮油的结构和性能受原油来源和加工工艺的影响，主要包括两大类，一类是采用溶剂精制工艺制得，另一类是采用加氢工艺制得。润滑油在使用过程中，特别在较高温度下运转时会加速油品的氧化，生成含碳沉积物，造成金属的腐蚀和锈蚀，影响润滑效果。随着节能和环保法规的日益严格，要求润滑油具有较长的使用寿命或换油周期，对油品的氧化安定性提出了苛刻的要求。基础油的氧化安定性对润滑油的影响最为显著，有关150BS光亮油的来源对其调合油品的抗氧化性能影响的研究甚少。本研究采用吸附柱法、质谱法、核磁共振法考察不同来源150BS光亮油的族组成、烃组成和支化度，利用旋转氧弹法、加压差示扫描量热法、烘箱氧化法和极压润滑油氧化性能测定法测试不同来源150BS光亮油的抗氧化性能，以期为工业齿轮油的开发提供参考。

1 实 验

1.1 实验原料

选用2种进口油和1种国产油为原料，油品编号分别为150BS-1，150BS-2，150BS-3，其中：150BS-1和150BS-3为加氢基础油；150BS-2为溶剂精制基础油。试验用150BS光亮油及HVI500基础油的主要理化性质见表1。复合剂RHY4026的主要理化性质见表2。

从表1可以看出：150BS-1和150BS-3的色度较小，硫含量低；150BS-2的硫质量分数为7 450 μgg，远大于150BS-1和150BS-3的硫含量。

表1 试验用150BS光亮油及HVI500基础油的主要理化性质

表2 试验用RHY4026复合剂的主要理化性质

1.2 实验方法

1.2.1 加压差示扫描量热法(PDSC) 采用德国NETZSCH公司生产的DSC204HP加压差示扫描量热仪测定油品的抗氧化性。试样用量0.5 mg，氧气压力1.5 MPa，氧气流速100 mLmin，升温速率10 ℃min。

1.2.2 旋转氧弹法(RPVOT) 采用英国STANHOPE公司生产的旋转氧弹测试仪测定旋转氧弹时间。试验步骤：将(50±0.5) g试样、5 mL水、催化剂铜线圈放入一个带盖的玻璃试样器内，置于装有压力表的氧弹中，充入氧气，在压力达到620 kPa时，放入规定的恒温油浴中(150 ℃)，以100 rmin的速率与水平面呈30°角轴向旋转，记录达到规定的压力降175 kPa所需的时间，即为旋转氧弹时间。旋转氧弹时间越长，油品的氧化安定性越好。

1.2.3 烘箱氧化法(OOT) 在250 mL 烧杯中加入200 mL 试油，将磨好的45号钢片以和杯底约30°角浸于试油中，将烧杯置于120 ℃烘箱中恒温72 h，然后取出钢片用石油醚冲洗，观察钢片变色和杯底沉积物情况。钢片评级规定：0—钢片不变色；1—稍变色，几乎与新片相同；2—局部淡白色；3—钢片淡白色，擦去后钢片亮；4—红、黄、蓝、灰等彩色或灰白色；5—局部灰黑色，明显腐蚀；6—钢片灰黑，剥落。杯底沉积物以多、中、少、无来区分。同时测定油品氧化前后酸值及100 ℃运动黏度的变化。

2 结果与讨论

2.1 不同来源150 BS光亮油的组成分析

采用硅胶-氧化铝吸附柱法对不同来源150BS光亮油的族组成进行分析，采用质谱法对饱和烃组成进行分析，采用核磁共振法对支化度进行测定，结果见表3。支化度是表征具有支链的大分子在溶剂中其支链对分子尺寸影响的参数[2]，根据1H NMR谱的各质子面积积分曲线，计算出甲基(—CH3)、亚甲基(=CH2)、次甲基(—CH)质子峰面积，再计算出支化度[3]。支化度反映了基础油的异构化程度，异构分支程度越大，氧化安定性越差[4]。

从表3可以看出：①150BS-1和150BS-3的饱和烃质量分数大于90%，芳烃含量很低；150BS-2的饱和烃质量分数为52.4%，芳烃质量分数为46.9%，胶质质量分数为0.7%。②从链烷烃分布看，150BS-1、150BS-2的链烷烃质量分数分别为34.6%、15.6%，环烷烃质量分数分别为64.7%、36.2%，环烷烃含量是链烷烃的2倍；150BS-3的链烷烃与环烷烃质量分数差别最大，分别为14.8%和84.3%。③从环烷烃分布看，150BS-1、150BS-3的环烷烃含量随环数的增加依次减小；150BS-1的三环以上环烷烃含量均比150BS-3低；150BS-1、150BS-3的一环、二环和三环环烷烃含量比150BS-2大得多。④150BS-1，150BS-2，150BS-3的支化度分别为0.202，0.306，0.287，表明150BS-1的氧化安定性最好。

表3 不同来源150BS光亮油的组成w，%

2.2 不同来源150 BS光亮油的抗氧化性能对比

采用PDSC法测定3种150BS光亮油的抗氧化性能，结果见表4。Δt表示峰值温度与起始氧化温度的差值，其值越大，氧化安定性越好。从表4可以看出：采用加氢工艺得到的150BS-1、150BS-3比采用溶剂精制得到的150BS-2起始氧化温度和峰值温度要高，150BS-1的Δt值最大，因此，氧化安定性最好，这与支化度结果相一致。150BS-1和150BS-3的饱和烃中四环及四环以上环烷烃含量越低，基础油的黏度指数越高，其氧化安定性越好[5-6]，而芳烃含量越高，氧化安定性越差。

表4 3种150BS光亮油的抗氧化性能

在3种150 BS光亮油中分别加入0.8%抗氧剂T501，采用RPVOT法测定油品的旋转氧弹时间，结果见表5。从表5可以看出：未加抗氧剂时，150BS-1和150BS-3的旋转氧弹时间分别为79.0 min和58.0 min，差别不大，加入抗氧剂T501后，150BS-1和150BS-3的旋转氧弹时间分别提高到479.5 min和350.0 min；150BS-2在加入抗氧剂T501前后诱导期分别为102.0 min和167.2 min。说明加氢基础油150BS-1、150BS-3与溶剂精制基础油150BS-2相比，对抗氧剂具有更加优异的感受性。

表5 3种150BS光亮油的旋转氧弹时间

不同来源150 BS光亮油对抗氧剂的感受性存在差异的主要原因在于基础油结构组成的差异。一般来说，加氢基础油饱和烃中链烷烃的氧化稳定性优于环烷烃，而环烷烃中多环环烷烃是氧化反应中极不稳定的组分[4]，与150BS-1相比，150BS-3的链烷烃含量低，多环环烷烃的含量较高，因此，150BS-1的氧化安定性更好；溶剂精制150BS-2基础油由于硫含量较高，在氧化初期具有一定的抗氧化作用，起到了天然抗氧剂的作用，但抗氧剂的加入无法阻止油品的氧化趋势[6]。

2.3 150 BS光亮油对齿轮油抗氧化性能的影响

分别以质量分数70%的150BS-1，150BS-2，150BS-3与30%的HVI500混合后作为基础油，加入中国石油兰州润滑油研究开发中心自主研发的RHY4026复合剂以及选定的降凝剂、抗泡剂和破乳剂，调制成40 ℃运动黏度为288～352 mm2s的工业齿轮油GO-1，GO-2，GO-3，采用旋转氧弹试验、烘箱氧化(120 ℃，72 h)试验以及极压润滑油氧化性能试验测定调合工业齿轮油的抗氧化性能，结果见表6，烘箱氧化试验的钢片变色情况见图1。

表6 150BS调合齿轮油的抗氧化性能

从表6可以看出：①GO-1，GO-2，GO-3调合齿轮油的旋转氧弹时间分别为1 130.4，564.8，1 028.6 min，GO-1的旋转氧弹时间最长，GO-2的旋转氧弹时间最短，这主要是受基础油抗氧化性能的影响，基础油的氧化安定性越好，调合油品的抗氧化性能越好；②120 ℃条件下烘箱氧化试验结果显示，虽然3种150 BS调合的油品都没有产生油泥，但是GO-2的酸值变化最大，这是由于溶剂精制基础油150BS-2的硫含量较高，在一定温度下氧化后酸值容易增大[7]；③极压润滑油氧化试验结果显示，GO-1的沉淀量最小，GO-1、GO-3的黏度增长率均比GO-2小，GO-1、GO-3的氧化安定性更好，说明150BS基础油经过加氢工艺处理，其抗氧化性能有所提高。

图1 150BS调合齿轮油烘箱氧化试验的钢片变色情况

从图1可以看出，GO-1油品烘箱氧化试验的钢片变色为2级，GO-2和GO-3油品的钢片变色均为3级，说明在氧化安定性方面，GO-1油品最好。

3 结 论

(1)150BS基础油的氧化安定性与结构组成密切相关。采用加氢工艺制备的进口150BS-1和国产150BS-3基础油中一环、二环和三环环烷烃总含量较高，质量分数分别为59.3%和74.2%；支化度较小，分别为0.202和0.287；氧化安定性较好；采用溶剂精制工艺制备的进口150BS-3基础油的芳烃质量分数高达46.9%，氧化安定性较差。

(2)对于加氢工艺制备的150BS基础油，饱和烃中四环及四环以上环烷烃含量越低，芳烃含量越高，其氧化安定性越好。

(3)不同来源150BS调合齿轮油的抗氧化性能差异较大，基础油的氧化安定性越好，调合工业齿轮油的抗氧化性能越优异。