碳酸高碳二烷基酯潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的合成

1、碳酸高碳二烷基酯潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的合成0 引言 碳酸高碳二烷基酯作為合成潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油具有優(yōu)異的低溫 性能、良好的黏溫性、潤(rùn)滑性、與加工材料的適應(yīng)性和相容性、 可生物降解性等特點(diǎn)， 可廣泛用于金屬加工油液、 高檔儀器設(shè)備、 汽車等的潤(rùn)滑中 1 。酯交換工藝合成碳酸高碳二烷基酯因工藝 路線短、 對(duì)設(shè)備要求比較簡(jiǎn)單， 目前是用于合成碳酸酯比較理想 的一種方法，在國(guó)內(nèi)外已有多年的研究歷史 2-3 。酯交換工藝 的關(guān)鍵是催化劑的選擇， 酯交換催化劑主要有均相催化劑和多相 催化劑兩類， 均相催化劑主要包括無(wú)機(jī)或有機(jī)酸、 醇鈉、醇鉀等， 如常用的濃硫酸、對(duì)甲苯磺酸、甲醇鈉、叔丁醇鉀等，多相催化 劑主要包括金屬氧

2、化物、固體酸、雜多酸、酶等，如常用的Y -AI03、WO3/ZrO2 S04/SnO2等，在酯交換工藝中，均相催化 劑由于催化劑和反應(yīng)物料在同一體系中充分接觸， 活性中心最大 化地加以釋放，催化效率高，多相催化劑雖然容易分離，但往往 催化效率低，用量大。因此，酯交換工藝合成碳酸高碳二烷基酯 的研究過(guò)程中，充分考慮催化劑活性、價(jià)格、用量、操作難易、 分離去除等因素，選擇了甲醇鈉作為酯交換催化劑。與碳酸二異十三酯相比3,用異構(gòu)C14 C20混合醇和碳酸 二甲酯合成的碳酸高碳二烷基酯，黏度高，蒸發(fā)損失小，是一種 性能極好的合成潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油。 本文開展了酯交換法合成碳酸高碳（C16C20）二烷基酯的合

3、成研究，確定了催化劑和工藝條件， 對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行了考察，結(jié)果表明，所合成的碳酸高碳（C16C20） 二烷基酯產(chǎn)品黏度指數(shù)大于 120,傾點(diǎn)小于-40 C, 100 C 黏度大于 4.5 mm2/s ，適合于做合成潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油，該合成油產(chǎn) 品應(yīng)用于SL 5W-30和SL 5W-40汽油機(jī)油中，在低溫性能方面表 現(xiàn)良好，可以滿足油品的低溫指標(biāo)要求。1 實(shí)驗(yàn)部分1.1 原材料碳酸二甲酯：分析純，純度大于 99%，天津市天新精細(xì)化工 開發(fā)中心；C16C20混合醇：工業(yè)品，純度大于 95%大連市高 州華聯(lián)化工廠；催化劑甲醇鈉：化學(xué)純，純度大于50%，中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司。1.2 產(chǎn)品合成在裝有溫

4、度計(jì)、 攪拌器、 回流冷凝管和分水器的四口燒瓶中 加入一定量的碳酸二甲酯、C16- C20混合醇，攪拌、加熱，待達(dá)到所需溫度后加入催化劑甲醇鈉， 恒溫反應(yīng)一段時(shí)間， 脫去一 定量的低沸點(diǎn)甲醇，使反應(yīng)趨于完全，停止加熱和攪拌，自然冷 卻至室溫，測(cè)量脫出甲醇量，粗產(chǎn)物水洗至中性，在210 C、10 kPa 條件下減壓蒸餾脫除輕組分即可得產(chǎn)品，計(jì)算收率。合成反應(yīng)如下：1.3 分析評(píng)定方法定性分析采用安捷倫6890/5793N氣質(zhì)聯(lián)用儀（HP-5毛細(xì)管 色譜柱，內(nèi)徑 0.25 mm)和美國(guó)PE公司的Spectrum One-B 型 傅里葉變換紅外光譜儀。其他的分析評(píng)定方法見表 1。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2

5、.1 影響因素的考察以碳酸二甲酯和異構(gòu) C16- C20混合醇為原料，以產(chǎn)品收率 為目標(biāo)，對(duì)原料配比、催化劑用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間等因素 進(jìn)行了考察。2.1.1 原料配比對(duì)反應(yīng)的影響反應(yīng)溫度190 C,時(shí)間2 h，催化劑用量0.04 ：1 (mol/mol ), 原料配比的反應(yīng)見表 2。2.1.2 催化劑甲醇鈉用量對(duì)反應(yīng)的影響反應(yīng)溫度190 C,反應(yīng)時(shí)間2 h，物料配比24 ：1 (mol/mol ), 催化劑比例及收率見表 3。2.1.3 時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響反應(yīng)溫度 190 C， 物料配比 2.4： 1， 催化劑量 008：1 ( mol/mol )。反應(yīng)時(shí)間及收率見表 4。2.1.4 溫度

6、對(duì)反應(yīng)的影響物料配比2.4 : 1,時(shí)間2 h,催化劑量0.08 ：1 (mol/mol )。 反應(yīng)溫度及收率見表 5。從表 5 看出,隨著反應(yīng)溫度的不斷提高, 產(chǎn)品收率逐步提高。 當(dāng)反應(yīng)溫度提高到170 C時(shí)，產(chǎn)品收率最高，達(dá)到了 96.30%。這說(shuō)明適當(dāng)提高反應(yīng)溫度，有利于反應(yīng)，但溫度又不宜過(guò)高，適宜的反應(yīng)溫度為150190 Co2.2 工藝條件的優(yōu)化根據(jù)各單因素實(shí)驗(yàn)確定的適宜范圍，物料配比選取2.2 : 1、2.4 : 1、2.6 : 1；催化劑用量選取 0.04 : 1、0.06 : 1、0.08 : 1; 反應(yīng)時(shí)間選取 2 h、 4 h、 6 h ；反應(yīng)溫度選取 150 C、 170

7、 C、 190 Co對(duì)這四個(gè)因素進(jìn)行 L9 (34)正交試驗(yàn)，以確定最佳合 成工藝條件。實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果分別見表6和表7 o從表 7 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果可以看出， 原料配比對(duì)產(chǎn)品 收率的影響最大， 催化劑甲醇鈉的用量的影響次之， 而反應(yīng)時(shí)間 的影響則最小。 影響次序依次為原料配比、 催化劑甲醇鈉的用量、 反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間。較佳的合成工藝條件是：原料配比為異構(gòu) C16C20混合醇：碳酸二甲酯=2.4 : 1 ( mol/mol )，催化劑的 用量為甲醇鈉:碳酸二甲酯 =0.08:1(mol/mol )，反應(yīng)時(shí)間 6 h， 反應(yīng)溫度 170 C。2.3 較佳條件的重復(fù)性和放大驗(yàn)證試驗(yàn)根據(jù)確定的

8、較佳條件進(jìn)行了重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和 50 L 釜放大試驗(yàn)， 結(jié)果見表 8。從表8可以看出，用異構(gòu) C16-C20混合醇合成的碳酸高碳 二烷基酯，在優(yōu)化工藝條件下，實(shí)驗(yàn)室和 50 L 釜中試產(chǎn)品收率 都大于 97%，超過(guò)了條件優(yōu)化時(shí)的最高收率，產(chǎn)品黏度指數(shù)大于 120,產(chǎn)品傾點(diǎn)低于-40 C,實(shí)驗(yàn)所確定的工藝條件具有較好的重復(fù)性，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，工藝可行。2.4 輕餾分的循環(huán)利用在實(shí)驗(yàn)室的酯交換反應(yīng)過(guò)程中，異構(gòu) C16C20混合醇是過(guò) 量的，在粗產(chǎn)品的減壓蒸餾脫除輕組分時(shí)， 又會(huì)把過(guò)量的混合醇 蒸餾提取出來(lái)，為了降低原料消耗，提高高碳醇的利用率，實(shí)驗(yàn) 以蒸餾得到的輕組分代替新鮮異構(gòu)C16C20混合醇，

9、考察輕組分的循環(huán)利用情況，結(jié)果見表 9。結(jié)果表明，輕餾分回收使用時(shí)，產(chǎn)品收率有所下降，但產(chǎn)品 性能變化不大。2.5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析圖 1 和圖 2 分別是碳酸高碳二烷基酯產(chǎn)品的紅外光譜圖和質(zhì) 譜圖。在圖1的紅外光譜圖中，2925 cm-1和2855 cm-1為CH2和CH3的倍頻峰，1746 cm-1為碳酸酯分子中C=O申縮振動(dòng)吸收峰， 1466 cm-1、1400 cm-1和1378 cm-1為烷基上的 C-H彎曲振動(dòng) 吸收峰，1258 cm-1為C-O伸縮振動(dòng)吸收峰。2.6 產(chǎn)品應(yīng)用評(píng)價(jià)對(duì)碳酸高碳二烷基酯合成油在 SL 5W-30和SL 5W-40汽油機(jī) 油中開展了應(yīng)用試驗(yàn)（碳酸酯 +增黏劑

10、 +復(fù)合劑），結(jié)果見表 10 和表 11，其中表 10是制備的 50 L 大樣產(chǎn)品理化性能數(shù)據(jù)，表 11 是其應(yīng)用數(shù)據(jù)。從表 11 中可以看出，碳酸高碳二烷基酯合成油應(yīng)用于 SL5W-30和SL 5W-40汽油機(jī)油中，在低溫性能方面表現(xiàn)良好，能 夠達(dá)到低溫指標(biāo)要求。3 結(jié)論(1) 以甲醇鈉為催化劑，異構(gòu) C16- C20混合醇和碳酸二甲 酯為原料， 采用酯交換法合成出了一種環(huán)保型碳酸酯類合成潤(rùn)滑 油基礎(chǔ)油產(chǎn)品：碳酸高碳(C14 C20) 二烷基酯。其較佳合成工 藝條件是：原料配比為異構(gòu) C16C20混合醇：碳酸二甲酯 =2.4 : 1 ( mol/mol )，催化劑的用量為甲醇鈉：碳酸二甲酯 =0.08 : 1 ( mol/mol )，反應(yīng)時(shí)間 6 h，反應(yīng)溫度 170 C。(2) 在優(yōu)化工藝條件下，實(shí)驗(yàn)室和中試產(chǎn)品收率大