聚a-烯烃航空润滑油基础油黏度衰变机理分析

发布时间:2019.09.23

    聚a-烯烃航空润滑油基础油黏度衰变机理分析

    作为“机械运转的血液”,航空发动机的正常工作与其使用寿命在很大程度上依赖于航空润滑油的性能。众所周知,航空发动机润滑油经常处于极高的温度,在与空气及金属材料接触的强氧化条件下工作,所以对航空润滑油而言,热氧化安定性是其最重要也是最难解决的问题。航空发动机润滑油主要采用全合成基础油,例如聚a-烯烃(PAO)合成润滑油基础油,这类基础油具有粘度指数高、倾点低、氧化安定性好、闪点高以及挥发度低等特点,基本满足了现阶段航空发动机运转的苛刻要求。

  随着飞机发动机的升级换代,其内部温度也越来越高,其中涡轮轴承处温度最高,可达到280°C,发动机刚停车时温度继续升高,甚至超过400C,在这种情况下润滑油会发生一系列链反应,生成过氧化物,过氧化物再进一步反应成低分子量产物,如醇类、醛类、酮类、羧酸类和内酷类混合物等,它们氧化就会缩聚生成高分子量的聚合物,严重影响其润滑效果。为提高润滑油基础油的抗氧化能力,人们选用的抗氧剂主要包括p,p‘-二异辛基二苯胺(Tz516)、N-苯基-a-萘胺(NPAN)和2,6-二叔丁基对甲酚(T501)等。

  为了从分子水平上深人探究航空发动机PA0合成航空润滑油基础油在实际使用条件下的热氧化衰变规律,找出在用润滑油黏度衰变的原因,本文以PA0基础油、PA0+T501和PA0+Tz516配方油样为研究对象,借助高温高压反应釜模拟航空发动机工况条件,采用CC/MS联用技术分析高温反应后配方油样的结构组成,据此推测PA0可能的黏度衰变机理,为实现润滑油的全程品质监控和在用润滑油性能变化的监测提供重要的科学依据。

  与未添加抗氧剂的PAO相比,抗氧剂T501和Tz516加人后,高温反应后油样中的产物类型及含量明显减少,其中种类和含量降低幅度最大的是烯烃类物质,由不添加抗氧剂的51种分别减少到添加有T501和添加有Tz516的45种和43种,相对含量由10.1 %分别降至9.72%和9.43%.可见,抗氧剂T501和Tz516能够及时阻止基础油的高温裂解,特别是抑制烯烃的产生。添加不同抗氧剂,润滑油基础油也会发生不同程度的裂解反应,衰变产物的种类和含量也存在区别。与添加有T501油样高温反应相比,添加有Tz516油样的正构烷烃的种类和含量虽基本相同,但对于异构烷烃和烯烃的种类数和相对含量,都显著降低,可见Tz516的高温抗裂解作用强于T501的作用。

  表2油样在300 oC下反应所得产物的分布及相对含量物种油样类数含量物种油样类数含量物种油样类数含量正构烷烃异构烷烃烯烃3PAO黏度衰变机理分析根据聚合物结构与黏度的关系可知,在其分子链结构中,直链骨架使PAO具有良好的黏温特性。而在高温环境中,PAO高温裂解产生小分子正构烷烃、异构烷烃和烯烃,进而导致黏度衰变。正构烷烃与油品的熔点、黏度及倾点等理化指标有关,大量小分子的正构烷烃的生成,造成油液黏度的降低。

  异构烷烃多是单甲基异构烷烃,而且甲基基本上全居于主链骨架的两端,与大分子多侧链的PAO相比,异构烷烃主链长度较短,且含较少的短侧链,其黏度亦小,因此,异构烷烃的生成同样致使PAO黏度的下降。综上,PAO在高温作用下的热裂解反应是油品黏度衰变的主要原因,尤其是一定量小分子烷烃的生成,导致PAO黏度急剧减小,而伴随发生的热氧化反应,是PAO润滑基础油酸值发生变化的主要原因,虽然其过程中生成的小分子酮、醛、酸、醇和酷也影响基础油黏度的变化,但相比于相对含量较高的烃类物质,作用甚微。

  在PAO+T501反应油样中,烷烃主要包括正十七碳烷、正十八碳烷、正十九碳烷、正二十碳烷、2-甲基十二碳烷、3-甲基十二碳烷、3-甲基十三碳烷、5-甲基十三碳烷、3-乙基十三烷、6-甲基十五碳烷,烯烃主要含有3,3-二甲基-1-十一碳烯、2-乙基-1-十一碳烯、(E)-3-二十碳烯、(Z)-3-十九碳烯、2-乙基十七碳烯,据此可以推测提出以下裂解机理:同理,对于PW反应油样,由裂解反应后生成小分子化合物的种类及相对含量统计数据得出,正十五碳烷、正十六碳烷、正十八碳烷、正十九碳烷、正二十碳烷、正二十一碳烷、3-甲基十二碳烷、4-甲基十三碳烷、2,6-二甲基十二烷、3-乙基十三烷、6-甲基十五碳烷、3,3-二甲基-1-十一碳烯、2-乙基-1-十一碳烯、8-十六碳烯、2-乙基十七碳烯、(Z)-7-十六碳烯是主要裂解产物,因此可定性描述在此条件下的具体裂解方程为:综上,对于本实验条件下,不论是添加抗氧剂以写成如下方程式:T501还是添加抗氧剂Tz516,PAO高温裂解反应可十乓。一CH3 4结束语为试验油样,运用高温高压反应釜装置,模拟航空发动机工作环境,测定不同温度反应后的油样40oC运动黏度,借助GC/MS现代检测手段,依据产物种类和含量分布,从分子水平推测PAO基础油的黏度衰变机理。高温环境中,基础油主要发生了热裂解、热氧化等反应,其中分子链的断裂是最主要的反应,产生链长较短的正构烷烃、异构烷烃和烯烃,使分子间作用力减弱,进而降低油样的运动黏度。抗氧剂T501和Tz516的加人,极大地延缓了基础油的黏度降解,在一定温度范围内能够阻碍分子链的断裂和含氧化合物的生成。

 

--------------------------------------全文摘自《中国润滑油网》资讯。