红外光谱仪分析在润滑油中的应用
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红外光谱仪分析在润滑油中的应用

 

摘要:红外光谱仪是一种高效的分析方法。通过几个案例,介绍了红外光谱分析在润滑油中的应用。
      每种分子都有独特的红外吸收光谱,红外吸收 光谱法就是利用分子对红外光的特征吸收频率,判 断分子中是否存在某种官能团,从而进行分析和鉴 定。
红外光谱分析以其快速,样品量少,提供信息 量多,用途广而在润滑油行业得到广泛应用。利用 红外光谱分析可以对在用油进行监测,为换油提供 依据;通过对比正常油和问题油的红外图谱,可以 找出导致油品使用中产生问题的原因,找到污染物 质以及进行油品打假等。
本文列举了红外光谱分析在汽轮机油使用过 程中的应用,液压油打假等方面的案例,说明红外 光谱分析在润滑油行业中的作用,
1红外光谱分析在汽轮机油中的应用 1. 1汽轮机油中抗氧剂的检测
汽轮机油中常用的酣型抗氧剂(-OH)在 3 650 cm-1上有明显的吸收峰,胺型抗氧剂(- NH)在1 640 cm-1处有吸收,因此可以利用这两处 吸收峰的强度来检测酣型抗氧剂和胺型抗氧剂。 同时还可以对不同使用时间的汽轮机油用红外光 谱分析来检测油品抗氧剂的消耗程度,氧化物的产 生(在1 700 cm-1 ~1 500 cm-1)情况等来判断油 品的质量状况。如ASTM D4378 “燃气蒸汽矿物涡 轮机油运行控制”中规定了用傅里叶红外光谱(FT- IR)对汽轮机油使用中抗氧剂进行监测,可以适时 掌握补加抗氧剂的时机。
表1是汽轮机油的氧化试验中用红外光谱检 测试验时间对抗氧剂质量分数和旋转氧弹压力的 下降情况。
从表1的红外光谱分析中可以看到,汽轮机油 的抗氧剂是由酣型和胺型抗氧剂组成,随着油品的 氧化,酣型抗氧剂在500 h时已经消耗完,但胺型 抗氧剂的存在使该油保持了较高的旋转氧弹压力, 到 700 h 时,油中仍含有 67% [0.012 -0.018) x

100% = 67%]的胺型抗氧剂,氧弹压力保持度达 到 64.8%。
表1汽轮机油的氧化试验的红外光谱分析

项目 0 h 500 h 700 h
旋转氧弹最高压力/Pa 755 581 489
旋转氧弹压力保持度,% 100 77 64.8
红外光谱分析      
氧化度/ (A • cm-1) 0 3.0 3.1
-OH质量分数,% 0. 16 0 0
-NH吸光度/A 0.018 0. 013 0.012
 
 
 
1.2燃气轮机油漆膜产生原因的分析
漆膜是燃气轮机备受关注的问题,但在对发生 了漆膜问题的透平油进行旋转氧弹、酸值等性能检 测时,结果往往显示油品的这些性能都表现良好。 但通过红外光谱分析,发现在1 614 cm — 1处有- NO基团吸收,此硝化峰是高温降解所致,是出现漆 膜的原因。
某燃气发电厂采用9FA双轴联合循环机组, 燃气轮机输出功率为250 MW,控制系统和轴承润 滑均采用同1种某进口品牌的燃气轮机油,使用 8 000 h左右,开始出现启动问题。
理化性能分析表明,油样的酸值和旋转氧弹都 很正常,只是油泥上升比较快。但红外光谱分析表 明,此时油品的抗氧剂(3 650 cm-1吸收峰)消耗较 大,同时在1 614 cm-1出了硝化峰,这是油品高温 降解的特征峰,说明油品已经被氧化变质,见图1 (见下页)。

从以上的分析可见,高温氧化产生油泥和漆膜 可能是造成电厂燃气轮机产生启动故障的原因。
拆检时发现油箱中有较多油泥,伺服阀等处有金黄 色漆膜,证实了分析的准确性。
2红外光谱分析查找润滑油污染源
润滑油使用中出现的很多问题是由于使用中油品受到了污染,如混入了其他油品、水分等,由于 污染源有其特定的分子结构,会产生和在用油不同 的红外特征吸收,对比正常油和问题油的红外图 谱,可以发现产生问题的原因。
某厂使用HM32抗磨液压油2天后发现油压 低,滤网上和油箱底部发现有胶状物,需要查找原 因。就此问题,对油品及其胶状提取物进行了测 定,分析结果见表2

 

表2在用HM32抗磨液压油分析结果
项目   新油 在用油
外观   黄色透明液体 黄色,有胶状物和颗粒
酸值(以氢氧化钾计)/ (mg -g-1)   0.67 4.22
皂化值(以氢氧化钾计)/ (mg • g-1)   0.5 14
水分,%   0. 32
旋转氧弹试验/min   250 110
四球磨斑直径(392 N, 60 min, 75 ^ , 1 200 r • mi n-1) /mm 0. 52 0. 72
硼元素质量分数/ (^g-g-1)   1 99
钙元素质量分数丨(^g-g-1)   52 108
铜元素质量分数/ (^g-g-1)   0 150
铁元素质量分数/ (• g-1)   0 170
钠元素质量分数/ (• g-1)   0 36
磷元素质量分数/ (^g • g-1)   339 3 016
锌元素质量分数/ (^g • g-1)   450 784
 
 
 从表2中的数据可见,新油的酸值、皂化值及 元素含量正常;旋转氧弹试验和四球磨斑直径的数 据显示,新油具有良好的抗氧化性和抗磨性。而在 用油的酸值和皂化值都有增加,抗氧化性能和抗磨 性能明显下降,并且含有较多的水分。
元素分析可见,在用油的元素含量明显增加, 既有因磨损而产生的铜、铁元素,也有添加剂所含 的磷、锌和钙元素,且都成倍增加,并且出现了硼和 钠元素。
通过以上分析,可以初步判断,该在用的 HM32抗磨液压油受到了污染,那么污染物是什么 呢?对在用的HM32抗磨液压油的胶状物分离提 取,并进行红外光谱分析,见图2。
对图2的红外光谱分析时发现,在用的HM32 抗磨液压油提取物中含有-OH (3400cm-1)基团、-NH( 1 650 cm-1)基团和 C -O( 1 050 cm-1)键, 且谱图与切削液中常用的三乙醇胺添加剂的红外 光谱图极其相似,见图3 (见下页)。
因此可以判定,该在用的HM32抗磨液压油受 到了切削液的污染。
3红外光谱分析在打假中的作用
红外光谱分析是润滑油行业打假中一个很重 要的手段。一般油品公司的每一种油品都由固定 的添加剂和基础油组成,因此每个油品都有其特征 的红外吸收谱图。而假冒油品所使用的添加剂和 基础油不同,因此在红外光谱分析中得到的谱图也 和正品油的谱图不同,可以对比两种油品的红外谱 图来鉴定正品油和假冒产品。
某公司使用HM抗磨液压油,在最近一次加油 后不久发现油品产生较多油泥,与以前使用的情况 有较大的差异,查找该油的出处时发现是从私人老 板处采购的,怀疑该油有问题。对该油品(简称问 题油)进行了红外光谱分析,见图4。
将问题油的红外光谱图与正品的HM抗磨液 压油的红外光谱图进行对比,见图5,发现两者的 谱图有明显的差别。
问题油在I 740 cm'1处和1 160 cm'1处有明 显的吸收,这是C = O键吸收峰和-COOH基团吸 收峰,是植物油的特征谱图,说明该液压油中掺入 了一定比例的植物油。植物油的氧化安定性很差, 容易氧化,是造成出现油泥的原因。

4结束语
红外光谱分析可以了解润滑油中添加剂的消 耗,油品的氧化程度,对在用油品的性能进行监测, 为换油或补油提供依据;红外光谱分析与其他分析 方法结合,可以寻找在用油品产生问题的原因,指 导用户正确使用油品;通过红外光谱分析,可以帮 助进行油品打假工作。
红外光谱分析是一种先进的分析技术,随着计 算机软件的开发,红外光谱分析在润滑油分析中将 会发挥更大的作用。