新戊基多元醇酯中含有硫化异丁烯的试验研究
Material Sciences 材料科学, 2014, 4, 4-9
https://www.sodocs.net/doc/f414807153.html,/10.12677/ms.2014.41002Published Online January 2014 (https://www.sodocs.net/doc/f414807153.html,/journal/ms.html) Experimental Study Neopentyl Polyol Ester of Containing
Sulphur Isobutene
Zhuojun Chen, Hang Si, Baishu Li
School of Automotive and Transportation, Shenyang Ligong University, Shenyang
Email: chenzhuojun@https://www.sodocs.net/doc/f414807153.html,, 745520472@https://www.sodocs.net/doc/f414807153.html,, baishuli_1207@https://www.sodocs.net/doc/f414807153.html,
Received: Dec. 13th, 2013; revised: Jan. 3rd, 2014; accepted: Jan. 10th, 2014
Copyright ? 2014 Zhuojun Chen et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the Creative Commons Attribution License all Copyrights ? 2014 are reserved for Hans and the owner of the intellectual property Zhuojun Chen et al. All Copyright ? 2014 are guarded by law and by Hans as a guardian.
Abstract:In order to study the new type of automobile gear oil, we use the MS-800 four ball testing machine. In Neo-pentyl Polyol Ester (NPE-3), we use common additives: Sulphurized isobutylene (T321), extreme pressure antiwear agent two alkyl five sulfide (RC2540), phosphorus and phosphorus star (P110). We use the method of uniform design to design the experiment, study the bearing capacity of the lubricating oil and optimally design the test results. Test results show that the plan of adding 0.6% sulfurized isobutylene, 0.8% two alkyl five sulfide, 1.6% phosphorus star in Neo-pentyl Polyol Ester (NPE-3) has higher carrying capacity and better cost performance.
Keywords: Lubricating Oil Formula; Uniform Design; Optimization
新戊基多元醇酯中含有硫化异丁烯的试验研究
陈卓君，司行，李柏姝
沈阳理工大学汽车与交通学院，沈阳
Email: chenzhuojun@https://www.sodocs.net/doc/f414807153.html,, 745520472@https://www.sodocs.net/doc/f414807153.html,, baishuli_1207@https://www.sodocs.net/doc/f414807153.html,
收稿日期：2013年12月13日；修回日期：2014年1月3日；录用日期：2014年1月10日
摘要：为了研究新型汽车齿轮润滑油，使用MS-800四球试验机，在新戊基多元醇酯中添加常用添加剂硫化异丁烯(T321)、极压抗磨剂二烃基五硫化物(RC2540)、含磷添加剂磷之星(P110)；采用均匀设计的方法进行实验设计：进行润滑油的承载能实验研究，并对试验结果进行了优化设计。实验结果表明在新戊基多元醇酯中添加0.6%硫化异丁烯，0.8%二烃基五硫化物，1.6%亚磷之星，该方案承载能力较高，且有较好的性价比。
关键词：润滑油配方；均匀设计；优化
1. 引言
在润滑油中，试验表明，硫系添加剂极压性能好于磷系添加剂，磷系添加剂抗磨性好于硫系添加剂，但两者单独使用都不能满足高级润滑剂综合性能要求，而将两者复配使用可以显著改善油的挤压抗磨性能[1]。润滑油配方的组成不仅要考虑润滑性能，还要考虑其成本和环保的关系。均匀设计(Uniform Design) 是一种试验设计方法，称为均匀设计或均匀设计试验法，或空间填充设计。所有的试验设计方法本质上都是在试验的范围内给出挑选代表性点的方法，均匀设计也不例外，它是只考虑试验点在试验范围内均匀散布的一种试验设计方法。它由方开泰教授和数学家王元在1978年共同提出，是数论方法中的“伪蒙特卡罗方法”的一个应用。本文采用均匀设计法对润滑油
配方进行优化设计，既达到了提高实验效率，减少实验次数的目的，同时又有效地解决了润滑油配方中各因素间较强的非线性关系及多目标同时优化问题，具有一定的实用性[2-5]。均匀设计的数学原理是数论中的一致分布理论，此方法借鉴了“近似分析中的数论方法”这一领域的研究成果，将数论和多元统计相结合，是属于伪蒙特卡罗方法的范畴。均匀设计只考虑试验点在试验范围内均匀散布，挑选试验代表点的出发点是“均匀分散”，而不考虑“整洁可比”，它可保证试验点具有均匀分布的统计特性，可使每个因素的每个水平做一次且仅做一次试验，任两个因素的试验点点在平面的格子点上，每行每列有且仅有一个试验点。它着重在试验范围内考虑试验点均匀散布以求通过最少的试验来获得最多的信息，因而其试验次数比正交设计明显的减少，使均匀设计非凡适合于多因素多水平的试验和系统模型完全未知的情况。例如，当试验中有m个因素，每个因素有n个水平时，假如进行全面试验，共有nm种组合，正交设计是从这些组合中挑选出n2个试验，而均匀设计是利用数论中的一致分布理论选取n个点试验，而且应用数论方法使试验点在积分范围内散布得十分均匀，并使分布点离被积函数的各种值充分接近，因此便于计算机统计建模。如某项试验影响因素有5个，水平数为10个，则全面试验次数为105次，即做十万次试验；正交设计是做102次，即做100次试验；而均匀设计只做10次，可见其优越性非常突出。均匀设计是通过一套精心设计的表来进行试验设计的，对于每一个均匀设计表都有一个使用表，可指导如何从均匀设计表中选用适当的列来安排试验。均匀设计分会还编制了一套软件《均匀设计与统计调优软件包》供试验设计和数据处理、分析使用，非常方便。均匀设计法的试验数据分析要用到回归分析方法，例如线性回归模型、二次回归模型。
2. 试验设计与优化
2.1. 试验材料
新戊基多元醇酯(Neopentyl Polyol Ester, NPE-3)的运动粘度为25~35 (mm2/s)，是分子结构中酯基邻位为季碳原子的一类合成酯，比双酯具有更优异的热和水解稳定性。包括NPE-3，NPE-2，新戊基多元醇酯具有优良的高、低温性能，闪点高，倾点低，它的粘度较低40℃，一般常用作Ⅱ型航空发动机油，高温链条油，合成空气压缩机油与之环保制冷剂相容的冷冻机油的基础油，也可和聚-烯烃使橡胶收缩和对添加剂相容性不好的缺陷。用作内燃机齿轮油的基础油。NPE-2特别适合Ⅱ型航空发动机油，NPE-3适合合成酯高温链条油(表1)。T321的结构式：
硫化异丁烯Sulphurized isobutylene, T321可与硫磷氮剂复配，是硫磷型工业齿轮油和GL-4、GL-5车辆齿轮油的主剂，也可用于金属加工用油，润滑脂等产品中。硫含量高，相对于一般的硫烯产品而言，具有更优异的极压、抗磨性能。氯含量极低，铜腐蚀性能良好。在各类基础油中均具有很好的相溶性。与其它极压抗磨剂具有优秀的协同效果，T321是车辆及工业用油中首选的极压抗磨剂，但T321有强烈的异味，人们要解决环保车辆齿轮油就要寻找其替代品或尽量减少其添加用量硫化异丁烯(T321)理化性能见表2。T321的结构式：
二烃基五硫化物，代号为RC2540。产品为浅棕色透明液体，可非常好的取代元素硫对基础油硫化得到的硫化油。另外其活性硫含量随着温度上升而增加(可达38%)，结果是温度略有上升，就有显著的极压作用，极压性能进一步提高。含磷类的极压剂主要有磷之星P120和亚磷之星P110。磷之星P120，具有极好的极压抗磨性能，主要用于重负荷工业齿轮油。磷之星P120是由低碳醇与三氯氧磷反应制的烷基磷酸盐，再与有机胺与磷酸酯反应生成。因有机胺的烷基基团小极压性能高，已生成物理吸附膜和化学反应膜，从而提高其承载能力。磷之星P120的理化性能见表3。亚磷之星P110是由亚磷酸酯与甲醛反应的生成物，加上P2O5生成烷基磷酸酯，胺与磷酸再与有机胺反应生成亚磷之星，其反应式如：硫磷酸含氮衍生物(T305)，油溶性好，具有优良的极压抗磨性能、抗氧及抗腐性能以及较好的热稳定行。主要用于配置重负荷车辆齿轮油，也可用于重负荷和中负荷工业齿轮油。
Table 1. The biodegradable physical and chemical properties of Neopentyl Polyol Ester, NPE-3
表1.新戊基多元醇酯的理化及生物降解性能
外观粘度(mm2/S) 40℃100℃粘度指数生物降解性% 倾点(℃) 闪点(开口，℃) 淡黄色油状透明液体25~35 5.5~6.5 ≤130 90 ?10 >270
Table2. The physical and chemical properties of sulphurized isobutylene (T321)
表2.硫化异丁烯(T321)理化性能
项目外观硫含量
wt%
氯含量
% wt%
粘度mm2/s
(100℃)
水份%
铜片腐蚀
(121℃3 h)级
闪点℃
测试方法
密度
Kg/m3(20℃)
质量指标桔黄色或琥珀色透
明油状液体
40~46 ≤0.40 5.5~8 ≤0.03≤3≥1001100~1200
Table 3. The physical and chemical properties of star of phosphorus (P120)
表3.磷之星(P120)的理化性能
项目外观硫含量wt% 磷含量wt%≥粘度mm2/s (100℃) 氮含量%≥密度Kg/m3(20℃) 质量指标桔黄色油状液体40~46 7 338 3.2 0.93
2.2. 试验设计
本文利用四球试验机测试油样：最大无卡咬负荷(Pb)、常磨磨斑直径(WSD)和烧结负荷(Pd)。试验使用厦门试验机厂生产的SM-800四球试验机。根据四球试验标准GB/T 3142-82。钢球为上海钢球厂生产，直径12.7 mm，材料为GCr15。长磨时间为20 min，负荷为294 N。选用新戊基多元醇酯作为基础油；T321、RC2540、P110为添加剂。对T321、RC2540、P110在基础油中质量分数这3个因素和Pb、Pd、WSD三个目标进行考查，每个因素取7个水平。由于考察因素的范围实验安排如表1所示。其中添加剂X1(A)、X2 (B)、X3 (C)%。按上述方案进行实验，结果见表4。由于考察范围较广，水平较多，故采用均匀设计，对
于3因素7水平，可用U7(73)安排7次实验即可。
2.3. 配方优化
2.3.1. 根据实验结果建立回归方程
112
2
3233 223
22
13
323
1223
0.1940770.2608060.093674
0.0192170.257040.099826
0.0830250.123950.0733718
0.4481790.58981
0.151515514262418.028
35.517613.4719236.443
Y X X
X X X X Y X X
X X
Y X X
X X X X X =?×?×
+×+×?×
=+×?×
?×+×
=+×?×
+×?×?2
3图1回归方程拟和对比图，从图1(a)图1(b)Pb和Pd回归方程拟和较好，图(c)Y3WSD6点回归方程拟
Table 4. Uniform design test results
表4. 均匀设计试验结果
因素水平数
X1(A) T321%
X2 (B) RC2540%
X3 (C) P110%
Y1 Pb(N) Y2 Pd(N) Y3 WSD/(mm)
1 0.6 1.6 0.8 2058 6076 0.31
2 1.2 3.2 2.4 1746 7840 0.34
3 1.8 4.8 0.8 1500 6076 0.51
4 2.4 0.8 2.0 2156 6076 0.33
5 3.0 2.4 0.4 1117 607
6 0.39 6 3.6 4.0 1.6 1500 4900 0.48 7
4.2
5.6
2.8
1500
7840
0.44
(a) Y 1 = Pb (b) Y 2 = Pd
(c) Y 3 = WSD
Figure 1. The regression equation and contrast figure
图1. 回归方程拟和对比图
和误差有一些误差，其他拟合较好。
由方程110.1940770.2608060.093674Y X =?×?2
232330.0192170.257040.099826X X X X X ×+×+×?×和等线图2可知，X 1(T321)和X 2(RC250)对Y 1(Pb)的影响较大。且负相关，两者取较小值时，可获得较大的Pb 和Pd 值，同时会降低成本。由方程
223
2
2
1
3
0.0830250.123950.07337180.4481790.58981Y X X X X =+×?×?×+×
可知，X 2(RC2540)和X 3(P110)对Y 2(Pd)的影响较大。特别是当X 3增加时，可获得较大的Pd 值，但X 3含量的增大，会导致气味增大，不利于环保。因此X 3一般取值不宜过高，当X 3 = 0.8%时的等值线如图2所示。
(a) Y 1Pb (b) Y 2Pd
(c) Y 3(WSD)
Figure 2. Card bit load Pb, sintering load Pd, the grinding crack diameter WSD
图2. 卡咬负荷Pb ，烧结负荷Pd ，磨痕直径WSD
由方程
323
2
12233
0.151515514262418.02835.517613.4719236.443Y X X X X X X X =+×?×+×?×?
可知，X 1(T321)和X 3(P110)X 2(RC250)和X 3(P110)对Y 3(WSD)的影响较大。特别是当X 3 = 0.8%时的等值线如图2(c)所示。为获得较小的Y 3值，应减少X 1和X 2的值。
2.3.2. 试验结果预测和验证
用上述得到的方程进行预测，结果如表5所示。表5的预测结果表明，序号为2的预测X 1 = 0.6%, X 2 = 0.8%, X 3 = 1.6%，结果较为理想Y 1 = 2381N ，Y 2 = 6096N ，Y 3 = 0.3 mm 。
表5为配方复证实验结果。从表5中可以看出X 1 = 0.6%, X 1 = 0.8%, X 2 = 0.8% Y 1, Y 2均有较大值，Y 1为2000N ，
Y 2为6000N ，Y 3为较小值0.30~0.32 mm 。对配方进行复证实验结果表明，该方法与其它寻优方法比较具有快速收敛的特点，结果较令人满意。
3. 结论
1) 采用U 7表进行7个水平的三个因素的均匀设计，利用其实验结果优化了润滑油配方，达到了提高实验效率，减少实验次数的目的，复试结果令人满意。
2) 由于X 1和X 2对Y 1(Pb)Y 2(Pd)的影响较大，且负相关，两者取较小值时，可获得较大的Pb 值，特别是当X 3 = 0.8%为获得较小的Y 3值，应减少X 1和X 2的值。当X 1 = 0.6%，X 2 = 0.8% X 3 = 1.6%，Y 1为2156 N ，Y 2为6076 N ，Y 3为较小值0.3 mm ，即可同时会降低成本。
项目基金
国家自然科学基金(51224502)，辽宁省科学事业公益研究基金(GY2011001003)。
Table 5. The predict and verify for add the T321, RC2540, P110 formula of NPE-3
表5.新戊基多元醇酯中添加T321、RC2540、P110 配方预测和验证
样本号X1 (A) T321(g) X2 (B) RC2540(g) X3 (C) P110(g) Y1Pb(N) Y2Pd(N) Y3WSD(mm)
1 0.6 1.4 1.6 2165/1960 6076/6076 0.31/0.32
2 0.6 0.8 1.6 2381/2156 6096/6076 0.3/0.30
3 0.6 1.2 1.6 2166/2058 6135/6076 0.32/0.31
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