纳米磺酸钙镁复合清净剂的合成、性能与机理研究

论文摘要

具有良好使用性能的纳米有机酸钙盐是目前应用最广的润滑油金属清净剂。近年来碱值高、灰分低、酸中和能力强的镁盐清净剂得到了快速发展。钙盐和镁盐复配具有良好的协同作用,因此在实际应用过程中两者经常采用复配的形式使用。磺酸盐是目前用量最大的一类润滑油清净剂,水杨酸盐是目前使用最多的一类无硫润滑油清净剂,两者也常采用复配的方式使用。而不同清净剂在复配过程中有时会出现沉淀现象。针对上述情况,本课题开展了直接合成纳米磺酸钙镁复合清净剂和磺酸水杨酸混合基质钙镁的研究工作。以玉门炼油化工总厂生产的轻质和重质磺酸铵及兰州石化公司生产的水杨酸为原料,采用单因素和正交实验,对两种磺酸铵合成纳米钙镁复合清净剂的合成工艺条件及重质磺酸水杨酸混合基质钙镁复合清净剂合成工艺中主要物料的加入量进行优化,并对纳米钙镁复合清净剂组成结构对其性能的影响进行了研究。最后对磺酸钙镁复合清净剂的合成机理进行了初步研究。研究内容及结论如下：（1）轻质和重质磺酸铵原料性质及组成结构的分析表明,两种磺酸铵都可用于合成润滑油清净剂,而重质磺酸铵更是一种理想的用于合成润滑油清净剂的原料。（2）轻质磺酸铵合成钙镁复合清净剂的最佳工艺条件为：在轻质磺酸铵为65g的条件下,氧化镁加入量22g、水加入量10mL、甲醇加入量16mL、碳酸化反应温度42℃、反应时间4h、二氧化碳通入速率120mL·min-1。可制备出碱值大于320mgKOH·g-1、运动粘度小于140mm2·s-1的高碱值纳米磺酸钙镁复合清净剂产品,产品中胶粒的平均粒径约为50nm,粒度分布较均匀。加入润滑油后能较好的改善润滑油的使用性能。（3）重质磺酸铵合成钙镁复合清净剂的最佳工艺条件为：在重质磺酸铵为80g的条件下,氧化镁加入量24g、水加入量12mL、甲醇加入量18mL、尿素加入量4g、碳酸铵加入量4g、碳酸化反应温度45℃、反应时间3h、二氧化碳通入速率为120mL·min-1可制备出碱值大于410mgKOH·g-1、运动粘度小于150mm2·s-1的超碱值纳米磺酸钙镁复合清净剂产品,产品中胶粒的平均粒径约为40nm,粒度分布较均匀,加入润滑油后能明显提高润滑油的使用性能。产品组成结构的表征表明,产品中金属磺酸正盐为磺酸钙,过碱性组分主要为碳酸镁,这与目的产品的组成结构是一致的。（4）重质磺酸铵与水杨酸合成混合基质钙镁复合清净剂工艺中主要反应物料的最佳加入量为：氧化镁量24g,水10mL,甲醇18mL,磺酸铵与水杨酸混合原料中水杨酸含量25%。可合成出碱值大于400mgKOH·g-1、运动粘度小于140mm2·s-1的超碱值磺酸水杨酸混合基质钙镁复合清净剂产品,产品中胶粒粒度分布均匀,平均粒径约为30m。加入润滑油后能明显提高润滑油的各项使用性能。（5）纳米钙镁复合清净剂组成结构对其性能的影响表明：①对于纳米磺酸钙镁复合清净剂,其正盐采用磺酸钙、适当增加产品中钙的含量、减小碱性组分中氢氧化物占碱值份额越小、提高产品碱值、采用较大分子量的磺酸基质,都可有利于提高产品的综合性能。②对于磺酸水杨酸混合基质钙镁复合清净剂,适宜的磺酸盐水杨酸盐比例,能够最大程度地提高混合基质钙镁复合清净剂的综合性能。③和国内外同类产品相比,轻质磺酸钙镁复合清净剂除碱值相对较低外其他性能相当；重质磺酸钙镁复合清净剂综合性能稍优于国内外同类产品；重质磺酸水杨酸混合基质钙镁复合清净剂的各项性能都达到或超过国内外同类产品,其综合性能明显好于同类产品。④磺酸钙镁复合清净剂的综合性能优于磺酸镁清净剂,而磺酸水杨酸混合基质钙镁复合清净剂的综合性能又优于磺酸钙镁复合清净剂,说明钙镁复合能够提高同基质的镁盐清净剂产品的综合性能,而选用合适的混合基质也可改善单一基质产品的综合性能。（6）通过对钙镁复合清净剂合成过程中反应体系化学组成、电导率、碱值变化情况的研究和分析确定了合成过程的宏观化学反应历程。对碳酸化反应过程动力学的初步研究表明,碳酸化反应过程受扩散控制。促进剂甲醇通过降低反相胶束界面膜的强度和磺酸钙正盐的临界胶束浓度来提高碳酸化反应的速度和最终产品的碱值。尿素和氨水通过提高水对氢氧化物的溶解度来加快碳酸化反应的速度。适宜的水量、合理的二氧化碳通入速率有益于碳酸化反应的顺利进行和最终产品碱值的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 润滑油纳米清净剂结构及作用
• 1.2.1 纳米清净剂的组成结构
• 1.2.2 纳米清净剂的分类
• 1.2.3 纳米清净剂的作用
• 1.3 纳米清净剂的发展现状
• 1.3.1 纳米清净剂的发展简述
• 1.3.2 国内外纳米清净剂的产业现状
• 1.3.3 常用纳米清净剂的特点及研究现状
• 1.4 纳米清净剂合成工艺的研究进展
• 1.4.1 纳米清净剂合成工艺研究进展
• 1.4.2 纳米清净剂合成所用促进剂的研究进展
• 1.4.3 纳米清净剂合成反应机理的研究进展
• 1.5 课题研究的目的及内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 磺酸铵原料性质的测定及分析
• 2.1 实验仪器及试剂
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验试剂
• 2.2 测试方法
• 2.2.1 有效组分含量的测定方法
• 2.2.2 磺酸铵平均分子量的计算
• 2.2.3 磺酸铵化学组成及其它性质的测定方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 磺酸铵原料的性质
• 2.3.2 磺酸铵原料的化学组成
• 2.4 本章小结
• 第三章 轻质磺酸钙镁复合清净剂的合成及性能研究
• 3.1 实验试剂及仪器
• 3.2 合成反应机理、工艺流程及影响因素
• 3.2.1 合成反应机理
• 3.2.2 合成工艺流程
• 3.2.3 合成工艺中影响产品碱值及性能的主要因素
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 合成方法
• 3.3.2 实验方案
• 3.3.3 清净剂主要性能的测试方法
• 3.3.4 清净剂化学组成及微观形貌的表征方法
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 合成工艺条件对反应的影响
• 3.4.2 基础油加入量对产品碱值和粘度的影响
• 3.4.3 合成工艺条件的优化
• 3.4.4 轻质磺酸钙镁复合清净剂化学组成及微观形貌的表征
• 3.4.5 轻质磺酸钙镁复合清净剂性能测试结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 重质磺酸钙镁复合清净剂的合成及性能研究
• 4.1 实验试剂及仪器
• 4.2 合成反应机理、工艺流程及影响因素
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 合成方法
• 4.3.2 实验方案
• 4.3.3 产品主要性能的测试方法
• 4.3.4 产品结构的表征
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 氧化镁加入量对合成反应的影响
• 4.4.2 水加入量对合成反应的影响
• 4.4.3 甲醇加入量对合成反应的影响
• 4.4.4 尿素加入量对合成反应的影响
• 4.4.5 碳酸铵加入量对合成反应的影响
• 4.4.6 碳酸化反应温度的影响
• 4.4.7 碳酸化反应时间的影响
• 4.4.8 二氧化碳通入速率对合成反应的影响
• 4.4.9 合成工艺条件的优化
• 4.4.10 合成反应机理的探讨
• 4.4.11 重质磺酸钙镁复合清净剂化学组成及微观形貌的表征
• 4.4.12 重质磺酸钙镁复合清净剂性能测试结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 重质磺酸水杨酸混合基质钙镁复合清净剂的合成及性能研究
• 5.1 实验试剂及仪器
• 5.2 合成反应基本原理
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 合成方法
• 5.3.2 实验方案
• 5.3.3 产品主要性能的测试方法
• 5.3.4 清净剂产品化学组成及微观形貌的表征
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 合成工艺条件的优化
• 5.4.2 磺酸水杨酸混合基质钙镁复合清净剂化学组成及微观形貌的表征
• 5.4.5 磺酸水杨酸混合基质钙镁复合清净剂性能测试结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 纳米钙镁复合清净剂组成及结构对其性能影响的研究
• 6.1 实验试剂及仪器
• 6.2 钙镁复合清净剂组成结构及主要性能的测试方法
• 6.2.1 钙镁复合清净剂主要性能的测试方法
• 6.2.2 钙镁复合清净剂组成结构的测试方法
• 6.3 实验方案的设计
• 6.3.1 磺酸钙与磺酸镁正盐的合成
• 6.3.2 不同钙镁比例清净剂的合成
• 6.3.3 不同碱性组分组成清净剂的合成
• 6.3.4 不同基质钙镁复合清净剂的合成
• 6.4 结果与讨论
• 6.4.1 磺酸钙与磺酸镁正盐性能的比较
• 6.4.2 钙镁复合清净剂中钙镁比例对其性能的影响
• 6.4.3 碱性组分组成对钙镁复合清净剂性能的影响
• 6.4.4 钙镁复合清净剂碱值与其性能的关系
• 6.4.5 混合基质中磺酸盐水杨酸盐相对含量与其性能的关系
• 6.4.6 不同基质对钙镁复合清净剂性能的影响
• 6.4.7 钙镁复合清净剂性能与同类产品的比较
• 6.5 本章小结
• 第七章 纳米钙镁复合清净剂合成机理的初步研究
• 7.1 引言
• 7.1.1 微反应器反应模型
• 7.1.2 清净剂碳酸化反应过程的微反应器反应模型
• 7.1.3 清净剂合成反应的宏观反应历程
• 7.2 纳米磺酸钙镁复合清净剂合成过程分析
• 7.2.1 研究方法
• 7.2.2 溶液和残渣红外谱图测试结果与分析
• 7.2.3 溶液电导率及碱值测试结果与分析
• 7.2.4 不同碳酸化反应阶段反相胶束的微观形貌
• 7.2.5 清净剂金属有机酸正盐合成时甲醇的作用
• 7.2.6 合成反应历程的初步分析结果
• 7.3 碳酸化反应过程动力学的初步研究
• 7.3.1 反应动力学模型的选择及速率方程的建立
• 7.3.2 反应控制步骤的确定
• 7.3.3 搅拌速度对碳酸化反应速度的影响
• 7.3.4 促进剂甲醇在碳酸化反应中作用机理的考察
• 7.3.5 助促进剂尿素和氨水在碳酸化反应中作用机理的考察
• 7.3.6 水对碳酸化反应速度的影响
• 7.3.7 二氧化碳通入速率对碳酸化反应速度的影响
• 7.4 本章小结
• 结论与建议
• 1.结论
• 2.建议
• 3.创新点
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间取得的科研成果
• 致谢