发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种清净型低硫柴油润滑性改进剂及其制备方法。本发明以不饱和二元酰胺改性桐油生物柴油,所制备的改性剂具有润滑性好、凝点低、用量少和清净剂的功效,调和后可使低硫柴油满足国V润滑性标准和凝点要求。
本发明提供的清净型低硫柴油润滑性改进剂的制备方法,包括如下内容:将不饱和二元酰胺、阻聚剂在150-180℃混合,逐步加入桐油生物柴油,加完后在200-240℃继续反应一定时间,经减压蒸馏得到改进剂产品。
本发明中,所述不饱和二元酰胺的碳原子数不低于4,优选碳原子数为4-6的不饱和二元酰胺,如可以是丁烯二酰胺、戊烯二酰胺、己烯二酰胺等中至少一种,具体如2-丁烯二酰胺、2-戊烯二酰胺、2-甲基-2-丁烯二酰胺、2-己烯二酰胺、3-己烯二酰胺、2-甲基-3-戊烯二酰胺等中的至少一种,优选2-丁烯二酰胺、2-戊烯二酰胺、3-己烯二酰胺中的一种或几种。控制不饱和二元酰胺与桐油生物柴油的摩尔比为0.5:1-3:1,优选为0.8:1-2:1。
本发明中,所述阻聚剂为酚类阻聚剂、醌类阻聚剂、芳烃硝基化合物阻聚剂等中的一种或几种,如可以是对苯醌、对苯二酚、2-叔丁基对苯二酚、2,5-二叔丁基对苯二酚等中的一种或几种,优选对苯醌或对苯二酚。由于桐油生物柴油分子中的共轭三烯键在高温下易发生自由基聚合形成大分子交联结构,导致产品粘度增加、凝点提高,为了确保反应有效进行,阻聚剂用量为桐油生物柴油质量的0.01%-0.1%,优选为0.04%-0.06%。
本发明中,所述不饱和二元酰胺、阻聚剂首先加入到反应釜中,然后升温至150-180℃,优选160-170℃进行搅拌混合,搅拌速度为100-500rpm,优选300-400rpm。所述反应器可以为常规使用的带搅拌的反应器,可以自动控制温度、压力、搅拌速度等。
本发明中,所述的桐油生物柴油是桐油与低碳醇经酯交换反应而生成的脂肪酸低碳醇酯,低碳醇的碳原子数最好不大于4,如可以为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等,即桐油生物柴油可以是桐油甲酯、桐油乙酯、桐油丙酯、桐油丁酯等中的至少一种,优选桐油甲酯。生物柴油的生产工艺有多种,最常见的是用催化剂来催化酯交换反应,即天然油脂与低碳醇在催化剂作用下醇解为脂肪酸低碳醇酯和甘油。本发明所使用的桐油生物柴油可采用本领域常规制备方法,如酸催化法、碱催化法、酶催化法、超临界法等制备获得。
本发明中,由于桐油生物柴油分子量较大,也存在较大的反应位阻,导致反应速率降低,必须增加反应温度才能促进反应的进行,通常反应温度应高于200℃。即使在阻聚剂存在下,若采用常规一次加料法制备,在如此高温条件下也易发生自由基聚合形成大分子交联结构,导致产品无法应用。因此,本发明采取在不饱和二元酰胺和阻聚剂混合物中逐步加入桐油生物柴油,最好使桐油生物柴油在1-3h内滴加完,在200-240℃继续反应3-5h。进一步的,加料速度最好先快后慢,优选桐油生物柴油加入1/2的时间不超过加料总时间的1/3,采用加料速度先快后慢的方式能够同时防止不饱和醛化合物的自身聚合,进一步提高产品收率和使用性能。
本发明中,所述的减压蒸馏的压力为30-150Pa,优选为65-120Pa,温度为180-220℃,优选为195-205℃。
本发明所述的清净型低硫柴油润滑性改进剂是由上述本发明方法制备的。所制备的改进剂是以不饱和二元酰胺改性桐油生物柴油得到的,为非酸型产品,酸值不大于2mgKOH/g,凝点≤-24℃。所制备的改性剂具有润滑性好、凝点低、用量少和清净剂的功效,调和后可使低硫柴油满足国V润滑性标准和凝点要求。
本发明制备的清净型低硫柴油润滑性改进剂用于提高低硫柴油的润滑性,当用量为300-400ppm时可使低硫柴油的校正磨痕直径(60℃)不大于460μm。所述的低硫柴油为硫含量小于10ppm,磨斑直径大于580μm的柴油。
与现有低硫柴油润滑性改进剂相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明利用分子结构修饰,将具有一定链长的不饱和二元酰胺的极性基团引入到桐油生物柴油分子链中,并形成脂肪环结构,不仅能够使吸附膜形成双边缠结效应,有效提高缠结密度,使润滑膜更为致密,从而极大地提高低硫柴油的润滑性。同时脂肪环结构的引入,降低了分子间内结合作用,能够降低改进剂的凝点。本发明所制备改进剂的产品性能如凝点、闪点、金属含量、低温存储稳定性等指标均满足中石化的《柴油抗磨剂技术要求》(Q/SHCG57-2014)。
(2)由于在桐油生物柴油中引入二元酰胺官能团,能够中和由柴油燃烧不完全而生成的酸性产物和增溶作用,具有清净剂功效,避免了对柴油机的腐蚀,能够减少积碳产生,利于发动机寿命的延长。
(3)本产品为非酸型润滑性改进剂,具有润滑性好、抑菌性好、不易乳化、低温不易析出、调和比例低等特点,特别适用于高酸值低凝柴油,不会影响柴油的酸值,避免了对柴油机的腐蚀。
(4)本发明以桐油生物柴油为主要原料,拓宽了低硫柴油润滑性改进剂的原料来源。此外,本发明具有工艺简便、原料易得、成本低廉,易于工业化生产等特点。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明清净型低硫柴油润滑性改进剂及其制备方法和应用效果。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为本领域常规方法。下述实施例中所用的实验材料,如无特殊说明,均从常规生化试剂商店购买得到。
本发明中,所制备产品的酸值按照GB/T 7304方法测定,凝点按照GB/T 510方法测定,润滑性按照SH/T 0765方法测定(润滑性指添加改进剂后,低硫柴油的磨斑直径),乳化性能测试按照Q/SHCG 57-2014方法附录C测定。
根据气相色谱法检测桐油生物柴油中含有共轭双键的共轭十八碳三烯酸酯含量,色谱分析条件: FID 检测器;色谱柱尺寸,100m×0.25mm×0.20μm。进样口温度 260℃;进样量 1μL;分流进样,分流比 100:1;升温程序为 140℃开始保持 5min,以4℃/min 升到240℃保持 4 min;检测器温度 260℃。经检测,共轭十八碳三烯酸酯含量B=70%。
桐油生物柴油的转化率A=(m1-m2)/m1×100%。其中,m1为桐油生物柴油投料质量;m2为反应后分离出桐油生物柴油质量。
桐油生物柴油碳碳共轭双键的转化率=A/B×100%。
实施例1
桐油甲酯的制备:在2L高压反应釜内加入800g桐油、160g甲醇、8g氢氧化钾,进行搅拌反应,反应温度为60℃,反应时间为20min,反应结束后静置分层,分离出下层甘油产品76.2g,然后用50℃热水洗涤上层产品3次,并将洗涤后的产品在2000Pa、60℃条件下蒸馏2h,得到桐油甲酯生物柴油。
将195g 2-丁烯二酰胺、0.25g对苯二酚投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至165℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油甲酯生物柴油500g,使桐油甲酯生物柴油在2h内滴加完成,滴加速度基本均匀,滴完后在220℃继续反应4h,结束反应,在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。经计算,反应分子转化率(桐油甲酯碳碳共轭双键的转化率)为82.5%。经检测,产品酸值1.6mgKOH/g,凝点-27.4℃,破乳性试验中水层不浑浊。由图1和图2可知,在流出时间14.73min时新出现了化合物特征峰,证明了改进剂的形成。
实施例2
将97g 2-丁烯二酰胺、0.15g对苯二酚投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至150℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油甲酯生物柴油500g,使桐油甲酯生物柴油在2h内滴加完成,滴加速度基本均匀,滴完后在200℃继续反应5h,结束反应,在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h去除未反应的2-丁烯二酰胺和桐油甲酯后,得到改进剂产品。反应分子转化率为78.3%,产品酸值1.5mgKOH/g,凝点-24.8℃,破乳性试验中水层不浑浊。
实施例3
将585g 2-丁烯二酰胺、0.5g对苯二酚投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至180℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油甲酯生物柴油500g,使桐油甲酯生物柴油在2h内滴加完成,滴加速度基本均匀,滴完后在240℃继续反应3h,结束反应,在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为79.5%,产品酸值1.7mgKOH/g,凝点-27.5℃,破乳性试验中水层不浑浊。
实施例4
将195g 2-丁烯二酰胺、0.25g对苯醌投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至165℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油甲酯生物柴油500g,使桐油甲酯生物柴油在2h内滴加完成,滴加速度基本均匀,滴完后在220℃继续反应4h,结束反应,在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为80.2%,产品酸值1.6mgKOH/g,凝点-27.6℃,破乳性试验中水层不浑浊。
实施例5
将195g 2-丁烯二酰胺、0.25g 2,5-二叔丁基对苯二酚投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至165℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油甲酯生物柴油500g,使桐油甲酯生物柴油在2h内滴加完成,滴加速度基本均匀,滴完后在220℃继续反应4h,结束反应,在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为76.3%,产品酸值1.6mgKOH/g,凝点-27.7℃,破乳性试验中水层不浑浊。
实施例6
将195g 2-丁烯二酰胺、0.25g对苯二酚投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至165℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油甲酯生物柴油500g,控制桐油甲酯加入速度,使桐油甲酯加入1/2的时间为加料总时间的1/3,在2h内加完,滴完后在220℃继续反应4h,结束反应,在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为85.7%,产品酸值1.4mgKOH/g,凝点-27.6℃,破乳性试验中水层不浑浊。
实施例7
将220g 2-戊烯二酰胺、0.25g对苯二酚投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至165℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油甲酯生物柴油500g,使桐油甲酯生物柴油在2h内滴加完成,滴加速度基本均匀,滴完后在220℃继续反应4h,结束反应,在压力65Pa,200℃条件下减压蒸馏2h,得到改性剂产品,反应分子转化率为80.8%,产品酸值1.5 mgKOH/g,凝点-27.6℃,破乳性试验中水层不浑浊。
实施例8
将220g 2-甲基-2-丁烯二酰胺、0.25g对苯二酚投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至165℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油甲酯生物柴油500g,使桐油甲酯生物柴油在2h内滴加完成,滴加速度基本均匀,滴完后在220℃继续反应4h,结束反应,在压力65Pa,200℃条件下减压蒸馏2h,得到改性剂产品。反应分子转化率为78.6%,产品酸值1.4mgKOH/g,凝点-27.7℃,破乳性试验中水层不浑浊。
实施例9
将243g 3-己烯二酰胺、0.25g对苯二酚投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至165℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油甲酯生物柴油500g,使桐油甲酯生物柴油在2h内滴加完成,滴加速度基本均匀,滴完后在220℃继续反应4h,结束反应,在压力65Pa,200℃条件下减压蒸馏2h,得到改性剂产品。反应分子转化率为77.8%,产品酸值1.8mgKOH/g,凝点-28.2℃,破乳性试验中水层不浑浊。
实施例10
将243g 2-己烯二酰胺、0.25g对苯二酚投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至165℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油甲酯生物柴油500g,使桐油甲酯生物柴油在2h内滴加完成,滴加速度基本均匀,滴完后在220℃继续反应4h,结束反应,在压力65Pa,200℃条件下减压蒸馏2h,得到改性剂产品。反应分子转化率为76.6%,产品酸值1.7mgKOH/g,凝点-28.6℃,破乳性试验中水层不浑浊。
实施例11
在2L高压反应釜内加入800g桐油、230g乙醇、8g氢氧化钾,进行搅拌反应,反应温度为60℃,反应时间为20min,反应结束后静置分层,分离出下层甘油产品74.8g,然后用50℃热水洗涤上层产品3次,并将洗涤后的产品在2000Pa、60℃条件下蒸馏2h,得到桐油乙酯生物柴油。
将195g 2-丁烯二酰胺、0.25g对苯二酚投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至165℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油乙酯500g,使桐油乙酯在2h内滴加完成,滴加速度基本均匀,滴完后在220℃继续反应4h,结束反应,在压力65Pa,200℃条件下减压蒸馏2h,得到改性剂产品。反应分子转化率为80.3%,产品酸值1.5 mgKOH/g,凝点-27.5℃,破乳性试验中水层不浑浊。
实施例12
在2L高压反应釜内加入800g桐油、320g正丙醇、8g氢氧化钾,进行搅拌反应,反应温度为60℃,反应时间为20min,反应结束后静置分层,分离出下层甘油产品72.4g,然后用50℃热水洗涤上层产品3次,并将洗涤后的产品在2000Pa、60℃条件下蒸馏2h,得到桐油丙酯生物柴油。
将195g 2-丁烯二酰胺、0.25g对苯二酚投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至165℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油丙酯500g,使桐油丙酯在2h内滴加完成,滴加速度基本均匀,滴完后在220℃继续反应4h,结束反应,在压力65Pa,200℃条件下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为76.3%,产品酸值1.4mgKOH/g,凝点-27.9℃,破乳性试验中水层不浑浊。
实施例13
在2L高压反应釜内加入800g桐油、400g正丁醇、8g氢氧化钾,进行搅拌反应,反应温度为60℃,反应时间为20min,反应结束后静置分层,分离出下层甘油产品70.4g,然后用50℃热水洗涤上层产品3次,并将洗涤后的产品在2000Pa、60℃条件下蒸馏2h,得到桐油丁酯生物柴油。
将195g 2-丁烯二酰胺、0.25g对苯二酚投入到反应釜中,开启搅拌,并升温至165℃进行混合。向反应釜中逐步滴加桐油丁酯500g,使桐油丁酯在2h内滴加完成,滴加速度基本均匀,滴完后在220℃继续反应4h,结束反应,在压力65Pa,200℃条件下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为70.1%,产品酸值1.3 mgKOH/g,凝点-29.4℃,破乳性试验中水层不浑浊。
比较例1
制备工艺及操作条件同实施例1,不同在于将桐油甲酯生物柴油一次性加入反应体系中,反应体系易形成大分子交联产物,导致产品产率低于60%,且凝点过高为-8℃,不满足《柴油抗磨剂技术要求》(Q/SHCG57-2014)规定的凝点技术指标。
比较例2
制备工艺及操作条件同实施例1,不同在于采用其他生物柴油,如大豆油生物柴油、棉籽油生物柴油、菜籽油生物柴油、蓖麻油生物柴油、玉米油生物柴油等。由于这类生物柴油中脂肪酸酯中不含共轭双键,所以体系未发生反应,无法得到产品。
比较例3
制备工艺及操作条件同实施例1,不同在于不加入阻聚剂,反应体系易形成大分子交联产物,导致产品产率低于60%,且凝点过高为-7℃,不满足《柴油抗磨剂技术要求》(Q/SHCG57-2014)规定的凝点技术指标。
比较例4
制备工艺及操作条件同实施例1,不同在于采用不饱和一元酰胺,具体如丙烯酰胺、3-丁烯酰胺、4-戊烯酰胺中的任意一种。由于向桐油生物柴油中引入一个酰胺基团,产品润滑效果不佳,不满足《柴油抗磨剂技术要求》(Q/SHCG57-2014)规定的磨斑直径技术指标。
测试例1
本发明测试例使用的低硫柴油为硫含量小于10ppm,磨斑直径大于580μm的加氢精制柴油,其具体性质如表1所示。
表1 两种低硫柴油的主要物性
将本发明实施例和比较例制备的润滑性改进剂加入到上述低硫柴油中,进行产品性能测试。测试结果如表2、3所示。
表2
从表2可以看出,直接采用桐油生物柴油对低硫柴油的润滑效果不佳,当添加800ppm时,低硫柴油的润滑性不满足国V柴油润滑性要求,且在-20℃存在改进剂析出。经本发明方法改性后,产品对低硫柴油的润滑性有显著改善,当添加量降至300ppm时,调和后的低硫柴油即可满足国V柴油润滑性(磨斑直径≯460μm)要求,且在-20℃无析出。说明本发明所制备的新型润滑性改进剂具有显著的润滑效果,并且凝点低、调和比例低。
表3
由表3可知,直接采用桐油生物柴油对低硫柴油的润滑效果不佳,当添加800ppm时,低硫柴油的润滑性不满足国V柴油润滑性要求,且在-30℃存在改进剂析出,不满足使用要求。经本发明方法制备的产品对低硫柴油的润滑性有显著改善,当添加量降至400ppm时,调和后的低硫柴油即可满足国V柴油润滑性(磨斑直径≯460μm)要求,特别是在-30℃低温条件下与低硫柴油调和后,没有改进剂析出,不会影响柴油的品质。说明本发明所制备的新型润滑性改性剂具有显著的润滑效果,并且凝点低、调和比例低。
测试例2
为说明本发明合成产品具有柴油清净剂的功效,将实施例1产品添加量为400ppm的柴油加入到客车及货车燃油箱中,柴油车磨合行驶7300km后进行为期1月的实车检验,对比添加400ppm实施例1产品后柴油车的百公里耗油量及烟度指标,所使用柴油为市售0号柴油。试验结果如表4所示。
表4
由表4可知,添加本发明制备的改进剂后,行车试验的烟度和百公里油耗均有所降低,说明所制备产品具有良好的清净剂效果。