CN105255548A

CN105255548A - 一种高温航空发动机润滑油

Info

Publication number: CN105255548A
Application number: CN201510789692.7A
Authority: CN
Inventors: 王晓波; 吴新虎; 刘维民
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2016-01-20

Abstract

本发明公开了一种高温航空发动机润滑油，该润滑油通过以下方法制备得到：将双三氟甲磺酰亚胺锂（简称LiTFSI）加入到多元醇酯中，在50~90^oC下搅拌至澄清。本发明所述高温航空发动机润滑油不仅制备过程简单、环保，而且具有很高的热稳定性和很好的摩擦学特性。

Description

一种高温航空发动机润滑油

技术领域

本发明涉及一种高温航空发动机润滑油。

背景技术

随着航空发动机的快速发展以及对大功率的逐步追求，需要润滑剂在苛刻环境下具有稳定的性能，这种苛刻环境包括高温、剧烈震荡等，并且这种发展趋势还在进一步加强，特别是高温环境下。上世纪80年代初，美国空军根据航空涡轮发动机的发展趋势，提出满足未来发动机工作要求的理想润滑油的基本性能指标，其中润滑油可能承受的整体润滑温度，即油箱内润滑油的最高稳定温度为260~427^oC，已经超出了酯类油所能承受的高温极限。为了满足未来航空发动机对高温润滑剂的需求，需要开发研制新型的高温润滑剂。

虽然现在已经开发出了很多种新型的高温润滑剂用于满足航空发动机对于高温润滑剂的需求，如全氟聚醚（PFPE）、聚苯醚和磷腈等，然而这些合成润滑剂自身都具有很多缺陷。例如，由于全氟聚醚具有极大的惰性使得传统的添加剂很难在其中溶解；另外，含有铝的钛合金能够催化全氟聚醚使其在高于136^oC下发生分解，这种缺陷限制了全氟聚醚做为高温润滑剂的应用。极其差的低温性能是聚苯醚的最大缺陷，另外相对差的润滑性能和昂贵的成本也限制了聚苯醚的应用。限制磷腈应用的最大缺陷是它的生产成本要比其它润滑剂高很多。因此开发新型的高温润滑剂以满足高温润滑需求还是很有必要的。

之前的研究表明离子液体（ILs）可以作为新一代的合成润滑剂，并且研究表明ILs的摩擦学性能要优于传统的润滑剂，如合成烃类化合物、合成酯以及合成氟醚等。甚至一些ILs在高温300^oC表现出优异的摩擦学性能，这表明ILs可做为潜在的高温润滑剂。然而不幸的是，离子液体虽然已经被研究了十几年，但高昂成本和冗长的合成步骤是限制其工业化的主要原因。另外，比较差的溶解性也大大限制其作为大多数润滑油添加剂基础油的应用。

最近几年，凡明锦等报道了一种新的方法用于在合成酯和多元醇酯中原位制备离子液体添加剂。这种方法显著降低了离子液体的制备过程并降低了离子液体的生产成本。然而将原位生成的离子液体做为高温润滑油的制备方法却没有人报道，并研究它们在高温300^oC的摩擦学性能。多元醇酯具有很多优异的性能，例如好的粘温指数、添加剂容易在其中溶解、容易在金属表面吸附以及比矿物油更容易降解等，因此多元醇酯被广泛的用于航空发动机油。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温航空发动机润滑油。

一种高温航空发动机润滑油，其特征在于该润滑油通过以下方法制备得到：将双三氟甲磺酰亚胺锂（简称LiTFSI）加入到多元醇酯中，在50~90^oC下搅拌至澄清。

所述多元醇酯与双三氟甲磺酰亚胺锂的摩尔比为1:0.5～1:n，其中n代表多元醇酯中羰基的个数。

所述多元醇酯为三羟甲基丙烷油酸酯（TMPTO）或季戊四醇油酸酯（PETO）。

本发明所述高温航空发动机润滑油为原位生成的离子液体，其氧化分解温度比多元醇酯的氧化分解温度高，对金属铜的腐蚀性能没有因为LiTFSI的添加而比多元醇酯增强。

本发明所述高温航空发动机润滑油在高温300℃具有优异的减摩、抗磨性能，在高温300℃的摩擦学性能要优于全氟聚醚（PFPE）。

本发明所述高温航空发动机润滑油不仅制备过程简单、环保，而且具有很高的热稳定性和很好的摩擦学特性。

附图说明

图1为实施例1和实施例2所得产物的结构表征图。其中a、b为实施例1所得产物的氢谱、碳谱，c、d为实施例2所得产物的氢谱、碳谱。

图2为TMPTO与LiTFSI分别在摩尔比为1:0、1:0.5、1:1和1:1.5时的氧化分解温度曲线（TGA），其中也给出了全氟聚醚（PFPE）的分解温度曲线。

图3为PETO与LiTFSI分别在摩尔比为1:0、1:0.5、1:1和1:1.5时的氧化分解温度曲线（TGA），其中也给出了全氟聚醚（PFPE）的分解温度曲线。

图4为TMPTO、PETO以及TMPTO和PETO与LiTFSI在不同摩尔比时的摩擦系数和磨损体积数据，插入的图里面给出了PFPE的摩擦系数曲线。图a为TMPTO与LiTFSI的摩尔比分别为1:0，1:0.5，1:1和1:1.5时的摩擦系数曲线（图a中插入的图为纯PFPE在相同条件下的摩擦系数曲线）；图b为PETO与LiTFSI的摩尔比分别为1:0，1:0.5，1:1和1:1.5时的摩擦系数曲线；图c为TMPTO、PETO以及TMPTO和PETO与LiTFSI在不同摩尔比时与图a，b中摩擦系数曲线相对应的磨损体积。微振动摩擦磨损试验（SRV）的测量条件：温度，300^oC，载荷100N，频率25Hz，振幅1mm。

图5分别给出了TMPTO，TMPTO与LiTFSI在摩尔比为1:1和1:1.5时（图5a），以及PETO，PETO与LiTFSI在摩尔比为1:1和1:1.5时（图5b）的摩擦系数随载荷的变化曲线以及不同润滑剂在相同条件下对应的磨损体积（图5c）。SRV测量条件：温度，300^oC，载荷100-500N，频率，25Hz，振幅，1mm。

图6分别给出了TMPTO，TMPTO与LiTFSI在摩尔比为1:1和1:1.5时（图6a），以及PETO，PETO与LiTFSI在摩尔比为1:1和1:1.5时（图6b）的摩擦系数随温度的变化曲线以及不同润滑剂在相同条件下对应的磨损体积（图6c）。SRV测量条件：温度，300-420^oC，载荷100N，频率，25Hz，振幅，1mm。

具体实施方式

实施例1

在三个50mL单口烧瓶中各加入10g三羟甲基丙烷油酸酯（TMPTO），然后分别加入12.3wt%,21.8wt%和29wt%的双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI），在50~90^oC下搅拌至油品澄清，得到TMPTO与LiTFSI的摩尔比分别为1:0.5，1:1和1:1.5的离子液体。

实施例2

在三个50mL单口烧瓶中各加入10g季戊四醇油酸酯（PETO），然后分别加入10.7wt%,19wt%和26wt%的双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI），在50~90^oC下搅拌至油品澄清，得到PETO与LiTFSI的摩尔比分别为1:0.5，1:1和1:1.5的离子液体。

结构分析

通过INOVA-400M核磁共振光谱仪测定TMPTO和PETO以及加入不同摩尔比的LiTFSI后的¹H-NMR及¹³C-NMR谱。结果表明与羰基碳相连的亚甲基（-CH₂-）的质子化学位移均向低磁场移动，另外羰基碳中的C原子的化学位移也明显移向低磁场，这些结果表明LiTFSI中的Li⁺与羰基碳中O原子上的孤对电子形成了配位键，导致羰基C原子更缺电子，因而使得与其相邻的H质子和C原子本身的化学位移向低磁场移动。同时证明了式I中原位离子液体的生成。

物理性能评价：多元醇酯TMPTO，PETO以及TMPTO-LiTFSI和PETO-LiTFSI复合物体系在摩尔比为1:0.5，1:1和1:1.5时的物理学特性如下表所示。

^a粘度指数是根据标准GB/T1995-1998计算得出的。^b铜片腐蚀是根据标准GB/T5096-1985测定的（测量温度，120^oC；测量时间，3h）。

如表所示，原位生成的离子液体的运动粘度均有很大程度的增加；另外加入的LiTFSI对油品的腐蚀性能没有影响。

热稳定性评价

热稳定性是通过STA449CJupitersimultaneousTG-DSC测定。将实施例1和2中制备的离子液体5mg放入样品池中，测试温度从20-800^oC，温度增加速率是10^oC/min，在空气环境下测定。结果如图2，3所示。加入LiTFSI后的离子液体的热分解温度（T _d）均明显提高。表明该原位生成的离子液体具有非常好的热稳定性能。

产物的摩擦学性能评价

1.采用德国Optimol油脂公司生产的SRV-IV微振动摩擦磨损试验机测试TMPTO以及它与LITFSI的摩尔比分别为1:0.5，1:1和1:1.5时生成的离子液体，在300℃，频率25Hz，振幅1mm，载荷100N的工况下长磨30min时的摩擦系数f，试验所用钢球为F=10mm的GCr15轴承钢，下试样为F24×7.9mm的GCr15钢块。结果见附图4。由图可以看出，在高温300℃，TMPTO与LiTFSI的摩尔比为1:1和1:1.5时的摩擦系数均明显低于纯油TMPTO，表明原位生成的离子液体在高温下具有优异的减摩学性能。

2.采用德国Optimol油脂公司生产的SRV-IV微振动摩擦磨损试验机测试PETO以及它与LITFSI的摩尔比分别为1:0.5，1:1和1:1.5时生成的离子液体，在300℃，频率25Hz，振幅1mm，载荷100N的工况下长磨30min时的摩擦系数f，试验所用钢球为F=10mm的GCr15轴承钢，下试样为F24×7.9mm的GCr15钢块。结果见附图4。由图可以看出，在高温300℃，PETO与LiTFSI的摩尔比为1:1和1:1.5时的摩擦系数均明显低于纯油PETO，表明原位生成的离子液体在高温下具有优异的摩擦学性能。

3.采用MicroXAM3D非接触的表面测试仪测试TMPTO，PETO以及它们与LiTFSI的摩尔比分别为1:0.5，1:1和1:1.5时生成的离子液体在1，2长磨工况下磨斑的磨损体积，结果见附图4。结果表明原位生成的离子液体的磨损体积均明显减小，特别是摩尔比为1:1和1:1.5时。表明它们在高温下具有很好的抗磨性能。

4.采用德国Optimol油脂公司生产的SRV-IV微振动摩擦磨损试验机测试TMPTO，PETO以及它们与LiTFSI的摩尔比分别为1:1和1:1.5时生成的离子液体在300℃，载荷100~500N，振幅1mm的工况下摩擦系数f随载荷变化的关系曲线，试验所用钢球为F=10mm的GCr15轴承钢，下试样为F24×7.9mm的GCr15钢块。结果见附图5。由图可以看出，当载荷从100N增加至500N时，原位生成的离子液体的摩擦系数均有降低，TMPTO和PETO与LiTFSI的摩尔比为1:1.5时的减摩性能降低的最为突出。表明在300^oC时最佳摩尔比的离子液体能承受的最大载荷要高于500N。

5.采用德国Optimol油脂公司生产的SRV-IV微振动摩擦磨损试验机测试TMPTO，PETO以及它们与LiTFSI的摩尔比分别为1:1和1:1.5时生成的离子液体在载荷100N，温度300~420℃，频率25Hz，振幅1mm的工况下摩擦系数f随温度变化的关系曲线，试验所用钢球为F=10mm的GCr15轴承钢，下试样为F24×7.9mm的GCr15钢块。结果见附图6。由图可以看出，当温度从300^oC增加至420^oC时，原位生成的离子液体的摩擦系数均有降低，TMPTO和PETO与LiTFSI的摩尔比为1:1.5时的减摩性能降低的最为突出。表明最佳摩尔比的离子液体能承受的最高温度要大于420^oC。

6.采用MicroXAM3D非接触的表面测试仪测试TMPTO，PETO以及它们与LiTFSI的摩尔比分别为1:1和1:1.5时生成的离子液体在改变载荷和改变温度工况下对应的磨斑磨损体积，测试结果如附图5，6所示。结果表明这几种原位生成的离子液体在更高载荷或更高温度下仍具有非常好的抗磨性能。

Claims

1.一种高温航空发动机润滑油，其特征在于该润滑油通过以下方法制备得到：将双三氟甲磺酰亚胺锂加入到多元醇酯中，在50~90^oC下搅拌至澄清。

2.如权利要求1所述的润滑油，其特征在于所述多元醇酯与双三氟甲磺酰亚胺锂的摩尔比为1:0.5～1:n，其中n代表多元醇酯中羰基的个数。

3.如权利要求1或2所述的润滑油，其特征在于所述多元醇酯为三羟甲基丙烷油酸酯或季戊四醇油酸酯。