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神秘的基础油——烷基萘ANs

纳克
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摘要:多年来,对润滑剂的要求在不断提升,促使配方工程师从一类基础油转向二类、三类、GTL基础油甚至更高级别的四类油,如最新的茂金属聚α-烯烃PAOs。

 

多年来,对润滑剂的要求在不断提升,促使配方工程师从一类基础油转向二类、三类、GTL基础油甚至更高级别的四类油,如最新的茂金属聚α-烯烃PAOs。但是这些高端基础油极性都很低,与添加剂的溶解性较差,因此许多配方工程师是通过使用酯类油这类五类基础油来改善这一性能。实际上,烷基萘ANs也是另外一个很不错的解决方案。

本文摘译自Lubes'n'Greases2018年8月文章《The Mystery Base Fluid——Alkylated Naphthalenes》

烷基萘ANs已经商业化了二十多年,最近在各种行业参考文献中被越来越多地提及,但始终属于小众产品。

目前全球只有三家公司生产烷基萘ANs,分别为美国埃克森美孚化工(ExxonMobil Chemical),其商标为“Synesstic”、美国金氏工业(King Industries),其商标为“NA-LUBE”,中国上海纳克(NACO),其商标为“SynNaph”。

烷基萘ANs揭秘

      烷基萘ANs的开创要追溯到二战期间,美国在发动机油中首次将烷基萘ANs作为合成油进行使用,但直到战争结束很久之后才开始进行大规模生产。

到20世纪90年代,埃克森美孚首次把烷基萘ANs用于润滑油配方,推出了著名的美孚1号,由于烷基萘ANs与聚α-烯烃PAOs的互相配合表现出显著的性能优势,美孚1号因此大获成功并长盛不衰。
 
PAOs虽然具备卓越的低温性能、高粘度指数和抗氧化性等优点,但其极性非常低,所以配方工程师需要考虑添加剂的溶解性和密封材料收缩问题。

通常,他们会使用合成酯来解决,但他们发现,PAOs加酯的配方会因为酯的影响产生氧化和水解降解问题,而使用烷基萘ANs可以有效解决酯基配方的这些缺点。
 
    “当烷基萘ANs加入到二类、三类和PAOs中时,可提高油品的耐热性、热氧化稳定性、溶解性、分散性,添加剂感受性、漆膜控制、橡胶相溶性、挥发性和水解稳定性,从而延长这些高性能润滑剂的使用寿命,”美国金氏工业的技术服务经理Maureen Hunter告诉Lubes'n'Greases。该公司于21世纪初进入烷基萘ANs市场。
 
      当埃克森美孚化工(ExxonMobil Chemical)推出烷基萘ANs用于其发动机油配方时,使用了其“Synesstic”合成基础油商标用于全球销售,美孚目前有两种烷基萘ANs产品,分别是低粘度的AN5和中粘度的AN12。

金氏工业之所以生产烷基萘,是基于其十多年来生产萘磺酸盐的经验。该公司有不同分子量和结构的产品,目前提供9种商业化烷基萘ANs产品,100℃粘度范围从低粘度的4到中高粘度的20。“烷基萘ANs产品有的是单烷基化的,有的是多烷基化的,其烷基链可以是直链或支链,因此可通过不同组合获得多种产品特性,” Hunter说。

上海纳克NACO是亚洲唯一生产烷基萘ANs的专业公司,目前提供4种商业化的产品,从低粘度的AN5,到中粘度的AN15、AN23一直到高粘度的AN30,特别是AN30已经在中国市场成功实现了大规模销售。

全面的性能优势

       虽然在配方中,烷基萘ANs的使用比例一般仅有10%或更低,但在一些需要充分发挥烷基萘ANs抗氧化、水解稳定性及低挥发性性能的应用中,使用量就会超过10%。
 
       埃克森美孚使用ASTM D943方法来评估基于烷基萘ANs配方的透平机油,与用酯类油为配方的透平油相比,油品寿命大幅延长。

酯类油和烷基萘的添加剂感受性对比

金氏工业使用ASTM D6186 PDSC测试方法,显示当10%的烷基萘NA-LUBE KR-008与PAO 6配合时,热氧化稳定性得到大幅提升,这是由于烷基萘ANs和胺类抗氧化剂之间产生协同作用使得氧化稳定性得到提升。
 
     “烷基萘ANs优异的热氧化稳定性是受其富电子萘环的作用,萘环可以吸收、共振和分散能量,就像抗氧化剂一样,”Hunter说。
 
       金氏工业还强调烷基萘ANs的另一项优异性能——降低油品的挥发性。“比如使用了烷基萘ANs的高温链条油就可提升润滑剂寿命。其中有一项典型应用是用烷基萘替代20%含聚异丁烯的多元醇酯配方,当在260℃的烘箱中持续8小时,可将蒸发损失从原配方的94%降到71%。此外,添加烷基萘ANs还加强了耐热性和热氧化稳定性,抑制了粘度增加和沉积物形成,”Hunter说。

高效的酯类油替代方案

     “烷基萘ANs的极性虽然比酯类油要低一些,但是酯类油的极性有个缺点,它们不但能溶解添加剂,还会与添加剂产生竞争吸附,”金氏工业副总裁Michel Hourani说。
 
      烷基萘ANs可以克服这些缺点,如果配方中使用烷基萘,那么配方工程师就可以用较少的添加剂获得相同的抗磨损或减少摩擦的效果,这一点是烷基萘ANs的突出性能。
 
      埃克森美孚在其很多产品领域使用了烷基萘ANs以提升性能,比如在工业齿轮配方中用烷基萘ANs改善了其抗磨损性能。该公司使用ASTM D4172四球试验证明了这一点。
 
      Hunter补充说,在很多场合已经观察到,烷基萘ANs的加入可以抑制沉积物和漆膜的形成。
 
      烷基萘ANs在润滑脂配方中也有很好的应用,它可以更好地分散增稠剂,因此针对特定NLGI等级润滑脂可以减少增稠剂的使用,同时使润滑脂具有更好的低温流动性。随着作为增稠剂的锂盐其全球价格的持续上涨和供应难以保证,把烷基萘ANs加入到锂基脂或复合锂配方中就显得更为重要。

烷基萘ANs获食品级认证

      金氏工业是首家获得NSF H-1和HX-1食品级认证的,埃克森美孚也紧随其后为其两款“Synesstic”产品申请了认证,据悉,上海纳克的产品也正在认证申请中。NSF H-1认证允许油品在可能发生的偶然食品接触中用作润滑剂,而NSF HX-1认证则可用于作为此类润滑剂的成分。
 
6月份在阿姆斯特丹举行的ICIS和ELGI工业润滑油会议上,壳牌及Concawe(欧洲炼油商协会研究部门)的毒理学家Juan-Carlos Carrillo表示,他相信烷基萘ANs不会受到MOAH定义的影响(MOAH为可致癌芳香烃矿物油)。德国联邦风险评估研究所(德语称BfR)于2018年2月发表了一项意见,接受了Concawe关于毒理学观点的立场,该观点将消除所有润滑剂受MOAH的限制,从而解除了对ANs在食品级领域中的限制。

烷基萘ANs与mPAO的协同效应

       茂金属PAO的引入为烷基萘ANs的营销人员开辟了新的市场可能性,它们的内在特性和在配方中的增强性能为高标准的应用带来了优势。
 
相对于目前市场上的基础油,mPAOs为低温性能和粘度指数带来了阶梯性跨越。这与20世纪90年代引入PAOs相呼应,当时是相对于矿物油,而这次的变化则是相对于传统的PAOs。

然而这一次烷基萘ANs带来的性能提升却是完全不同的。mPAOs真正的应用亮点在于,如用于风力涡轮机齿轮箱,就会需要更高的添加剂量,因此就要求更高的添加剂溶解性。
 
       正如Hunter的解释,风力涡轮机暴露在一些最恶劣的润滑条件下,包括振动、极端温度和杂质等。烷基萘ANs的加入可以帮助延长换油周期,一些应用这种配方的风力涡轮机油现在可使用长达七年之久。这可以极大延长换油周期,提高设备安全性。“雇一名技术人员去爬高来维修一台高功率涡轮机的服务成本是很昂贵的,”她说。
 
       有些配方工程师对于使用烷基萘ANs会不会拉低产品的粘度指数表示担心,Hunter表示不会。
 
       埃克森美孚公司的工作人员也指出,加入烷基萘ANs不会影响整体配方的粘度指数。
 
       埃克森美孚目前不断强调使用烷基萘ANs和mPAOs的“协同效应”,并将其作为销售和推广的重要部分,强调同时使用两种基础油所带来的好处。

烷基萘ANs步入“黄金时代”

      上海纳克润滑技术有限公司于2016年将中国制造的烷基萘ANs推向市场,目前提供从低粘度AN5到高粘度AN30的全系列产品。和埃克森美孚一样,上海纳克也不断强调烷基萘ANs与其生产的PAOs间的协同效应优势,并在宣传上凸显其亚洲唯一、世界第二个既生产PAO又生产烷基萘ANs合成基础油的中国工厂形象。与此同时,金氏工业计划增加其康涅狄格州沃特伯里第二个工厂的产能。这一切都表明,起源于二战时期的这项技术即将进入它的“黄金时代”。

 
 
 
 
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