国产mPAO40在220号合成造纸机循环油上的应用研究

李兴阳，揭斌华，邹小芸，龙宇臻

(1.华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510630;2.中国石化润滑油有限公司茂名分公司，广东 茂名 525011)

0 引言

随着造纸机日益向大型化、宽幅化、高速化以及自动化等方向发展，高速造纸机被国内各大造纸厂广泛引进应用，而现代造纸机高速、重负荷、长周期运转的设备工况，对造纸机润滑油提出更高的要求[1]。其中造纸机的干部工况最为苛刻，经过轴承的蒸汽温度可达150～180 ℃，轴承温度约为110 ℃[2]，在高温潮湿的工作环境容易引起润滑油氧化变质、金属磨粒和水分等杂质含量增加，导致抗乳化性、抗氧化、极压抗磨性以及黏度等重要性能指标下降，从而影响造纸机的正常运行[3]。因此，要求造纸机循环润滑油具备以下性能[4]：①优异的热稳定性和热氧化安定性，确保长期在高温条件下无沉渣、沉积物产生，延长油品的使用寿命；②优异的抗乳化性，使混入油中的水快速实现分离，保证油品的使用性能；③良好的承载性能，防止轴承和齿轮在低速高扭矩和高速冲击负荷下磨损和擦伤[5]；④良好的过滤性，防止精密过滤元件的堵塞，保证油品的清洁度；⑤良好的防锈性和水解安定性等[6]。

造纸机循环润滑油按基础油分类，可分为矿物油型和全合成型，其中全合成型造纸机循环油采用高黏度指数的全合成基础油[7]。与矿物油型相比，全合成型具有优良的高低温性能，在高温下能保持足够的油膜，低温下保持良好的流动性能，并具有更优异的热安定性和氧化安定性，可延长换油期，同时，全合成型的价格昂贵，为矿物油型价格的5倍以上。2006年由中国石化润滑油有限公司牵头，起草制定了合成型造纸机循环润滑系统润滑油的轻工行业标准QB/T 2767-2006[8]，其中220号合成型造纸机循环润滑系统润滑油的要求和试验方法见表1，由于受制于高黏度指数的全合成基础油资源，目前国内造纸厂使用的全合成型造纸机循环油基本为国外润滑油公司产品，如埃克森美孚SHC PM220、壳牌Morlina S4 B220、道达尔MAP SH220、雪佛龙Clarity Synthetic Machine Oil等[9]。

表1 220号合成型造纸机循环润滑系统润滑油的要求和试验方法

为打破国外润滑油公司产品市场垄断，推进合成造纸机循环油的国产化替代，提高国产高档润滑油在造纸行业的市场影响力，文中采用国产mPAO基础油原料，通过开展添加剂主剂、辅助抗氧剂的筛选，研制满足我国轻工业标准的220号合成循环造纸机油，同时，对破乳性能进行优化，以提高其快速分水性能。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验所采用的原料见表2。

表2 主要原料

1.2 实验仪器

实验所采用的实验仪器见表3。

表3 主要实验仪器

1.3 PAO基础油的性质

实验所采用的基础油的主要理化数据见表4。

表4 基础油的主要理化性能

2 实验结果与讨论

2.1 添加剂主剂的确定

造纸机油的添加剂分为有灰和无灰添加剂，其中无灰添加剂因具有良好的氧化安定性、高温下沉渣产生的倾向性更小，良好的分水性能、极压抗磨性能和过滤性能，更适用于高速、高温、高负荷的现代化造纸设备工况，而得到广泛应用[7]。以国产PAO8、mPAO40为基础油，分别加入2%无灰复合剂F1、F2、F3调制220号合成造纸机油，考察不同无灰添加剂对220号合成造纸机油的性能影响，试验结果见表5。

表5 不同无灰添加剂对220号合成造纸机油的性能影响

由表5可知，不同无灰复合添加剂调制的220号合成造纸机油性能不尽相同，其中复合剂F2的抗乳化性能、极压性能、抗磨性能、抗腐蚀性能均优于复合剂F1和F3，因此，选用无灰复合剂F2作为220号合成造纸机油的主剂，同时，考虑到旋转氧弹试验的氧化诱导时间为506 min，略高于指标值，为进一步改善220号合成造纸机油的抗氧化性能，仍需继续补加辅助抗氧剂。

2.2 辅助抗氧剂的选择

对于润滑油配方研究而言，如何平衡抗氧化性与抗磨性是关键。随着抗氧剂的加入，可能与主剂中的抗磨剂在金属表面产生竞争吸附作用，从而影响油品的抗磨性能[10]，因此，在国产PAO8、mPAO40基础油、2%复合剂F2调制的220号合成造纸机油中，分别加入0.4%抗氧剂K1、抗氧剂K2、抗氧剂K3、抗氧剂K4，并考察辅助抗氧剂加入后对油品旋转氧弹试验的氧化诱导时间和磨斑直径的影响，试验结果见表6。

表6 辅助抗氧剂对抗氧化性能和抗磨性能的影响

由表6可知，随着辅助抗氧剂的加入，油品的旋转氧弹试验的氧化诱导时间增大，但磨斑直径也增大，其中加入抗氧剂K4后旋转氧弹试验的氧化诱导时间最大，且对磨斑直径影响相对较小，因此，选用抗氧剂K4作为220号合成造纸机油的辅助抗氧剂。

2.3 不同PAO基础油对220号造纸机油性能的影响

分别在国产mPAO40、进口PAO40-1、进口PAO40-2中加入2%复合剂F2、0.4%抗氧剂K4和适量国产PAO8基础油调制得到220号合成造纸机油，考察不同PAO基础油对220号合成造纸机油性能的影响，考察结果见表7。

表7 不同PAO基础油对220号造纸机油性能的影响

由表7可知，采用3种PAO40基础油调制的220号合成造纸机油均满足QB/T 2767-2006指标要求，由于3种基础油的性能差异，调制的220号合成造纸机油性能也有所差异。同进口PAO40-1相比，国产mPAO40调制的合成造纸机油的黏温特性(黏度指数)、抗乳化性能、抗磨性能(磨斑直径)和低温性能更优，而抗氧化性能(旋转氧弹试验的氧化诱导时间)略差。同进口PAO40-2相比国产mPAO40调制的合成造纸机油的抗磨性能、抗氧化性能和低温性能更优，而黏温特性略差。综合性能对比，国产mPAO40替代进口PAO40用于生产220号合成造纸机油是可行的。

2.4 快速分水性能的改进

2.4.1 不同破乳剂对82 ℃快速分水性能的影响

造纸机设备长期与纸浆水、水蒸汽等接触，油品乳化是造纸机润滑过程中的常见现象，进入油品中的水易导致添加剂水解，加速油品变质、黑色金属腐蚀，因此要求造纸机油具有优异的抗乳化性能，可实现油水快速分离，并将沉降分离水及时排出油箱[11]。为进一步提升220号合成造纸机油的快速分水性能，分别加入100 μg/g破乳剂P1、破乳剂P2、破乳剂P3、破乳剂P4，按照GB/T 7305《石油和合成液水分离性测定法》，分别记录82 ℃下0.5 min、1 min、5 min的分水量以及40-37-3 mL的时间，并与加入前的油品进行对比，对比结果如表8所示。

表8 不同破乳剂对82 ℃抗乳化性的影响

由表8可知，随着不同破乳剂的加入，220号合成造纸机油的82 ℃抗乳化性均较加入前的油品有所提升，40-37-3 mL时间下降，这是由于破乳剂可降低油-水界面膜的强度，使乳状液的稳定性下降，从而降低油水分离时间[12]。但从0.5 min、1 min、5 min的分水量来看，不同破乳剂的分水量差异较大，这可能是由于不同破乳剂的结构差异，对油-水界面膜的作用不同，4种不同类型的破乳剂82 ℃抗乳化快速分水效果依次是：P1﹥P4﹥P2>P3。

2.4.2 不同破乳剂对54 ℃快速分水性能的影响

一般造纸机中心润滑站的油品温度为40～65 ℃[13]，为模拟220号合成造纸机油在油箱中的快速分水性能，按照GB/T 7305《石油和合成液水分离性测定法》，分别记录54 ℃下0.5 min、1 min、5 min的分水量以及40-37-3 mL的时间，并与加入前的油品进行对比，对比结果如表9所示。

表9 不同破乳剂对54 ℃抗乳化性的影响

由表9可知，与82 ℃的抗乳化性的数据相比，54 ℃的分水量和分水时间均变差，这是由于随着温度的降低，油水密度差增大，黏度变大，同时分子布朗运动减缓，破乳剂在油水界面的作用也减弱，从而影响破乳化的速度[14]。加入破乳剂后的220号合成造纸机油54 ℃抗乳化性40-37-3 mL时间均有所下降，而从0.5 min、1 min、5 min的分水量来看，不同破乳剂的分水量差异更加显著，破乳剂P2和P3在0.5 min、1 min、5 min的分水量与加剂前相差不大，几乎无改善效果；破乳剂P1在1 min中内分水快，分水量多，但1 min后分水速度变得缓慢；破乳剂P4一直保持较快的分水性能，且40-37-3 mL时间最短，为17.0 min，说明破乳剂P4在54 ℃的快速分水性能最佳。

2.4.3 不同水质对快速分水性能的影响

采用国产PAO8、mPAO40基础油、2%复合剂F2、0.4%抗氧剂K4和100 μg/g破乳剂P4调制得到220号合成造纸机油，按照GB/T 7305《石油和合成液水分离性测定法》试验方法，分别考察82 ℃和54 ℃试验温度下，蒸馏水、新鲜水、冷却水对220号合成造纸机油抗乳化性能的影响，考察结果见表10、表11所示。

表10 不同水质的82 ℃抗乳化性能

表11 不同水质的54 ℃抗乳化性能

由表10和表11可知，220号合成造纸机油在蒸馏水、自来水、循环水中的分水效果差异较大，这是由于水的总硬度越高，pH值越大，水中的极性物质越多，多于油水分离[15]。由表12不同类型的水质分析数据可知，冷却水的总硬度最高、水质最差，自来水其次，蒸馏水水质最优，因此，220号合成造纸机油在82 ℃和54 ℃下的分水效果依次是：蒸馏水﹥自来水﹥冷却水。同时，从冷却水82 ℃和54 ℃下的抗乳化试验数据可知，40-37-3 mL时间小于30 min，0.5 min、1 min、5 min的分水量也较大，说明破乳剂P4在82 ℃和54 ℃的快速分水效果较好，在工业应用中也可快速实现油水分离。

表12 不同类型的水质分析数据

2.5 合成循环造纸机油的性能分析

对调制的220号合成造纸机油开展全性能分析，并与轻工行业标准QB/T 2767-2006《220号合成型造纸机循环润滑系统润滑油》的要求进行对比，对比结果如表13所示。

表13 220号合成造纸机油的性能分析

由表13可知，采用国产mPAO40调制的220号合成造纸机油的分析结果均满足轻工行业标准QB/T 2767-2006《220号合成型造纸机循环润滑系统润滑油》的指标要求。

3 结论

(1)采用国产mPAO40、PAO8基础油、2%复合剂F2、0.4%抗氧剂K4和100 ppm破乳剂P4调制的220号合成造纸机油，满足轻工行业标准QB/T 2767-2006《220号合成型造纸机循环润滑系统润滑油》的指标要求。且经综合性能对比，国产mPAO40替代进口PAO40用于生产220号合成造纸机油是可行的。

(2)经过筛选得到的破乳剂P4可进一步改善220号合成造纸机油抗乳化性能，82 ℃和54 ℃的快速分水效果较好，在工业冷却水中也可实现油水快速分离。