柴油抗磨劑組成及性能研究

齊邦峰，范開輝，張國相，胡 淼

（1.中海油煉油化工科學研究院，北京102209；2.中海石油煉化有限責任公司，北京100029）

隨著環保要求的日趨嚴格，車用柴油正向高質量、清潔化方向發展，對柴油產品指標中的硫含量提出了更加嚴格的要求，目前車用柴油國Ⅵ產品標準要求含硫質量分數不大于10 mg/kg。為了降低硫含量，需對柴油加氫精制，而柴油加氫精制脫硫的同時也會脫除具有潤滑性能的含氧、含氮等雜環化合物及多環芳烴，從而造成了柴油潤滑性下降，引起柴油發動機中燃料泵的磨損甚至損壞[1]。

為了改善低硫柴油的潤滑性，向柴油中加入抗磨劑是行之有效的方法[2?4]。目前，市場中應用最多的柴油抗磨劑主要有脂肪酸型和脂肪酸酯型兩類。脂肪酸型柴油抗磨劑主要是一些長鏈的不飽和脂肪酸類化合物，由于其酸值較高，加劑后容易導致柴油酸值超標，另外酸性物質會對發動機金屬表面造成腐蝕，同時還會與柴油中堿性分散劑反應生成難溶物進而阻塞燃料過濾網[5]。脂肪酸酯型抗磨劑具有酸值低、凝點低、抗磨性能好等特點，尤其不飽和脂肪酸單酯具有優良的抗磨性能，是一種環境友好型添加劑，具有良好的應用前景。但是酯型抗磨劑生產成本高、遇水易乳化、破乳時間長，影響柴油產品質量，是目前酯型抗磨劑實際使用中遇到的最大問題，使其推廣應用受阻[6]。

本文對市售的3種脂肪酸型和3種脂肪酸酯型抗磨劑的組成、性質進行分析表征，并以中捷石化加氫柴油為基礎柴油，對6種抗磨劑的使用性能進行了綜合評價。

1 實驗部分

1.1 原料性質

中捷石化加氫精制柴油作為基礎柴油，其理化性質見表1。

1.2 儀器設備

氣相色譜?質譜聯用儀（美國安捷倫公司GC?MS 7890B?5877B），測定柴油抗磨劑分子組成與結構。傅里葉變換紅外光譜儀（美國熱電Nicolet is10），測定抗磨劑分子結構。HFRR高頻往復實驗儀（英國PCS公司），測定柴油潤滑性。LAB/TS硫測定儀（德國Photonlab公司），測定抗磨劑及柴油的硫含量。LAB/TN氮含量測定儀（德國Photonlab公司），測定抗磨劑的氮含量。

表1 基礎柴油理化性質Table 1 Basic diesel oil property

2 結果與討論

2.1 抗磨劑性質分析

選取典型的3種酸型和3種酯型抗磨劑，對其性質進行分析，結果見表2。由表2可見，酸型抗磨劑的酸值高，當加入到柴油中時會對柴油的酸度產生影響，并對發動機產生腐蝕；而酯型抗磨劑的酸值均小于1 mg（KOH）/g，與酸型抗磨劑相比具有明顯的優勢。

表2 抗磨劑性質分析結果Table 2 Analysis results of antiwear agent properties

2.2 抗磨劑組成表征

2.2.1 酸型抗磨劑組成表征采用紅外光譜儀對3種酸型抗磨劑進行表征，3種酸型抗磨劑紅外光譜圖中主要吸收峰完全一致，結果見圖1。

圖1 酸型抗磨劑的紅外光譜Fig.1 Infrared spectrogram of acid?based antiwear agents

由圖1可知，3種酸型抗磨劑在3 009 cm?1處為H?C=C?H的伸縮振動吸收峰；2 924、2 854 cm?1處分別為?CH2?的反對稱伸縮振動峰和對稱收縮振動吸收峰；1 708 cm?1處為酸羰基C=O特征吸收峰；935 cm?1處為O?H面外彎曲振動吸收峰；1 245 cm?1處為C?O伸縮振動吸收峰；723 cm?1處為?（CH2）n?平面搖擺振動吸收峰。綜合可知，3種酸型柴油抗磨劑皆為不飽和脂肪酸類化合物。

進一步采用氣質聯用儀（GC?MS）對其組成進行分析,結果見圖2。通過檢索NIST標準譜庫，3種酸型抗磨劑的主要成分可能是油酸和亞油酸，質譜圖相識度大于90%。

2.2.2 酯型抗磨劑組成表征采用紅外光譜法對3種酯型抗磨劑進行分析表征，其中酯型E、G紅外光譜圖中主要吸收峰完全一致，見圖3（a）,酯型F紅外光譜見圖3（b）。

圖2 酸型抗磨劑組分質譜分析Fig.2 Mass spectrum of acid?based antiwear agents

圖3 酯型抗磨劑E、G、F的紅外光譜Fig.3 Infrared spectrogram of ester?based antiwear agents E,G and F

由圖3可知，3 430 cm?1附近為?OH特征吸收峰，3 009 cm?1處為H?C=C?H的伸縮振動吸收峰；2 924、2 854 cm?1處分別為?CH2?的反對稱伸縮振動峰和對稱收縮振動吸收峰；1 741 cm?1附近為酯羰基C=O特征強吸收峰；1 170 cm?1附近為C?O?C伸縮振動吸收峰；1 049 cm?1附近為醇C?O伸縮振動吸收峰；723 cm?1處為?（CH2）n?平面搖擺振動吸收峰。綜合以上各官能團吸收峰可知，酯型E和酯型G為不飽和脂肪酸酯且分子中含有?OH，酯型F僅為不飽和脂肪酸脂類化合物。

進一步采用氣質聯用儀（GC?MS）對其組成進行分析，其中酯型E、G的兩種主要組分質譜圖基本一致，見圖4；酯型F兩種主要組分質譜分析見圖5。

圖4 酯型抗磨劑E、G主要組分質譜分析Fig.4 Infrared spectrogram of ester?based antiwear agents E and G

圖5 酯型抗磨劑F主要組分質譜分析Fig.5 Mass spectrum of ester?based antiwear agent F

由圖4、5中數據推測，酯型E、G抗磨劑主要組分可能為油酸甘油單酯和亞油酸甘油單酯；酯型G中有剩余未反應的甘油和其他副產物，產物純度不如酯型E高。酯型F抗磨劑主要組分可能是油酸甲酯、亞油酸甲酯，還有少量棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯等。

2.3 抗磨劑潤滑性能評價

以中捷石化加氫柴油為基礎柴油，抗磨劑添加質量分數為100、150、200、500 mg/kg，考察添加不同質量分數抗磨劑對柴油潤滑性的影響，結果見表3。

表3 不同抗磨劑的柴油潤滑性實驗結果Table 3 Test result of diesel oil added different antiwear agents

由表3可見，隨著抗磨劑添加質量分數的增加，柴油的抗磨效果逐漸變好?？鼓┑慕M成對其抗磨結果影響較大，脂型F抗磨劑是完全的長鏈單酯類物質，其中無?OH官能團，吸附性差，不宜在金屬表面成膜[7?8]，抗磨效果較差。其余5種抗磨劑添加質量分數在200 mg/kg時，其校正磨斑直徑均在400μm以下，尤其酯型E抗磨劑的抗磨性能最好，這是由于酯型E抗磨劑在酯基附近有2個?OH基團，羥基的存在有助于增加吸附膜分子間的靜電引力，吸附膜的內聚能得到增強，從而提高了在金屬表面的成膜致密性[9?10]。酯型G抗磨劑雖然分子組成與酯型E大致相近，但由于含有一定量的甘油和丙二醇等小分子，成膜性、致密性不如脂型E，抗磨性也略差。

2.4 抗磨劑乳化性能實驗

以中捷石化加氫柴油為基礎柴油，抗磨劑添加質量分數為200 mg/kg，沉降時間15 min，對6種抗磨劑的抗乳化性能進行實驗，結果見表4。

表4 抗磨劑添加質量分數200 mg/kg柴油破乳性實驗結果Table 4 Demulsification test result of diesel oil added 200 mg/kg antiwear agents

表4 實驗結果表明，3種酸型抗磨劑的破乳速度快、破乳性能好，靜止15 min后油層基本清澈透明。酯型抗磨劑的抗乳化性不如酸型抗磨劑效果好，而且其抗乳化性與組成關聯性較強，酯型F抗磨劑的破乳速度快，抗乳化性能好，酯型E抗磨劑次之，酯型G抗磨劑的抗乳化性最差，油中含水量最高，靜止15 min，觀察到油相呈輕微渾濁現象。以上實驗結果與抗磨劑組成相一致，酸型抗磨劑的脂肪酸親水親油平衡值（HLB）一般為1.0左右；棕櫚酸甲酯、油酸甲酯、硬脂酸甲酯等完全酯化的脂類HLB一般在1.0~2.0；由于脂肪酸甘油單酯和脂肪酸丙二醇單酯增加了親水基團?OH的數量，它的HLB一般在3.5~4.0，酯型G抗磨劑中含有一定比例未反應的甘油、丙二醇及反應的親水副產物，HLB會更大[11?12]，因此酯型G抗磨劑的抗乳化性能最差，酯型E抗磨劑次之，而酸型及高純度的脂肪酸甘油單酯抗磨劑抗乳化性較好。

2.5 酸型與酯型抗磨劑復配實驗

為解決酯型抗磨劑抗乳化性差的問題，實驗考察酸型抗磨劑與酯型抗磨劑復配對柴油破乳性的影響，結果見表5。表5實驗結果表明，酯型抗磨劑與酸型抗磨劑復配能夠大大改善柴油的抗乳化性能，當酯型抗磨劑與酸型抗磨劑的復配質量比為1∶1時，在抗磨劑添加質量分數200 mg/kg時，不僅柴油的潤滑性滿足要求，油層整體清澈透明，柴油的抗乳化性能也較好。

表5 不同復配體系抗磨劑的柴油破乳性能及潤滑性實驗結果Table 5 Demulsification and lubrication property test result of diesel oil added mixed antiwear agents

3 結論

3種酸型抗磨主要成分是油酸和亞油酸，酸值均在180.0 mg（KOH）/g以上；3種酯型抗磨劑的酸值均較低，酯型F抗磨劑是由長鏈脂肪酸甲酯組成，酯型E和酯型G抗磨劑的主要成分是油酸甘油單酯和亞油酸甘油單酯組成；甘油單脂類抗磨劑的潤滑性較好，6種抗磨劑以酯型E抗磨劑的抗磨效果最好，酯型F抗磨劑的潤滑效果最差；酸型抗磨劑的抗乳化性能較好，含有親水基團?OH的酯型抗磨劑抗乳化性能較差，并且隨著抗磨劑HLB的增大，加入抗磨劑的柴油抗乳化性逐步變差；酸型與酯型抗磨劑復配使用能夠改善柴油的抗乳化性能，其潤滑性能夠保持原有單劑的性能。