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紅外光譜技術(shù)在潤(rùn)滑油行業(yè)應(yīng)用
紅外光譜技術(shù)是鑒別未知物和分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要手段，已被廣泛應(yīng)用于物質(zhì)的定性鑒別和半定量分析。隨著此項(xiàng)技術(shù)的迅速發(fā)展和儀器的大量普及推廣，已被廣泛應(yīng)用于潤(rùn)滑油和添加劑分析領(lǐng)域，成為一種有效的現(xiàn)代儀器分析方法。本文將結(jié)合具體的應(yīng)用，探討紅外光譜技術(shù)在潤(rùn)滑油行業(yè)的現(xiàn)有狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)。
1.紅外光譜技術(shù)在潤(rùn)滑油性能測(cè)定中的應(yīng)用
隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，潤(rùn)滑油的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣闊，產(chǎn)品種類不斷更新，性能不斷改善。潤(rùn)滑油是機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的血液，機(jī)械和裝備的使用壽命和經(jīng)濟(jì)性與燃料的質(zhì)量、性能和合理使用有密切關(guān)系，因此對(duì)其性能的研究尤為重要。紅外光譜測(cè)定技術(shù)主要是呈現(xiàn)有機(jī)化合物中的各種結(jié)構(gòu)、功能基團(tuán)的基頻吸收，光譜信息量大，能夠獲得與潤(rùn)滑油性能相關(guān)的功能基團(tuán)信息。以內(nèi)燃機(jī)油抗氧化性能的評(píng)價(jià)為例，應(yīng)用紅外光譜技術(shù)，對(duì)潤(rùn)滑油組成、結(jié)構(gòu)的紅外光譜特征進(jìn)行研究，采用量化自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型，建立了紅外光譜快速評(píng)價(jià)內(nèi)燃機(jī)油氧化性能的新技術(shù)，為潤(rùn)滑油的研制、生產(chǎn)和質(zhì)量控制提供了一種簡(jiǎn)便的技術(shù)手段。
潤(rùn)滑油的有機(jī)結(jié)構(gòu)組成決定其物理化學(xué)性能，碳分布和環(huán)分布對(duì)油品性能有重要影響。測(cè)定碳分布和環(huán)分布的經(jīng)典方法比較復(fù)雜，精度也有一定的限制。應(yīng)用紅外光譜法，用已知標(biāo)樣做標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定芳烴在1600cm-1的吸收飽和烴在720cm-1的吸收，100%減去兩類的碳含量之和即為環(huán)烷烴的碳含量，為碳分布和環(huán)分布的分析提供了一種有效的方法。
2.紅外光譜技術(shù)在在用油監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,對(duì)紅外光譜得到的譜圖對(duì)比分析,可以判斷油品的優(yōu)劣,油品是否用錯(cuò),在用油是否發(fā)生了氧化變質(zhì),是否摻入了水分等等,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油品質(zhì)量的控制。在潤(rùn)滑油的使用過(guò)程中,由于高溫,有害氣體、液體或金屬催化等作用,在苛刻的使用環(huán)境中,容易發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化,從而導(dǎo)致油品老化變質(zhì),紅外光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其使用性能的監(jiān)測(cè)。美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTME2412中明確規(guī)定了應(yīng)用紅外光譜技術(shù)對(duì)在用潤(rùn)滑油中的氧化物、硝化物、硫化物、水分、乙二醇和煙怠含量的測(cè)定方法,通過(guò)趨勢(shì)分析監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油使用過(guò)程中的氧化衰變、添加劑的降解及污染情況,并以此為參考依據(jù)判斷油品的使用情況,推斷換油周期。
在對(duì)柴油機(jī)油使用過(guò)程中添加劑降解規(guī)律的研究中,通過(guò)選取特征峰的方法,測(cè)定ZDDP,羧酸鹽,磺酸鹽的含量,在行車的不同時(shí)間進(jìn)行定量測(cè)定,最終確定換油期。在應(yīng)用紅外光譜監(jiān)測(cè)ZDDP的降解過(guò)程中,利用紅外光譜方法,篩選臺(tái)架試驗(yàn)ⅢD與VD,節(jié)省了臺(tái)架試驗(yàn)費(fèi)用,因此預(yù)先紅外監(jiān)測(cè)評(píng)定的結(jié)果很有實(shí)際意義。應(yīng)用FTIR光譜監(jiān)測(cè)烴基發(fā)動(dòng)機(jī)油,同樣采用選取特征吸收峰的方法分析了抗氧劑、氧化值、硝基、乙二醇,抗磨劑并作了較全面的闡述。
潤(rùn)滑油中的水分含量也是一個(gè)非常重要的參數(shù),水污染會(huì)導(dǎo)致機(jī)械部件的腐蝕和磨損,紅外光譜法可精確測(cè)定潤(rùn)滑油中的水分,提供了一種除卡爾費(fèi)休電位滴定外的備選方法。將紅外光譜法測(cè)定的氧化值、硝化值、硫化值進(jìn)行加和與酸值增值進(jìn)行相關(guān)性研究,通過(guò)相關(guān)性驗(yàn)證表明通過(guò)理論計(jì)算得出的酸值增值與實(shí)際測(cè)定的酸值增值具有一定的相關(guān)性,用紅外光譜法測(cè)定氧硝硫值代替實(shí)際測(cè)定的酸值增值在理論上是可行的。
1.紅外光譜技術(shù)在添加劑定量分析中的應(yīng)用
潤(rùn)滑油中的添加劑是保證其使用性能的基礎(chǔ),為了改善潤(rùn)滑油的性能,需要加入各種添加劑,包括清凈劑、分散劑,抗氧抗腐劑等等,因此對(duì)潤(rùn)滑油添加劑的分析非常重要而有意義。近年來(lái),利用紅外光譜法分析潤(rùn)滑油添加劑,在國(guó)內(nèi)外均獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外光譜分析可以通過(guò)選定合適的特征峰,依據(jù)特征峰吸收強(qiáng)度對(duì)其進(jìn)行定量分析。在對(duì)合成脂肪胺、對(duì)苯二甲酸鹽添加劑的紅外光譜研究中,通過(guò)選取紅外特征吸收峰的方法對(duì)其進(jìn)行定量分析,確定了紅外特征吸收頻率的歸屬,對(duì)添加劑紅外光譜與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行了深入地探討。
在對(duì)添加劑十二烷醇、硬脂酸的紅外光譜測(cè)定中,十二烷醇選取1056cm-1為特征峰,硬脂酸選用1713cm-1處為特征峰,得到了較為理想的分析結(jié)果。在對(duì)潤(rùn)滑油中ZDDP和E644(丁二酰亞胺)的定量測(cè)定研究中,應(yīng)用紅外光譜法,分別選取667cm-1和1706cm-1作為ZDDP和E644的定量吸收峰,采用基線法計(jì)算吸光度,測(cè)定了ZDDP和E644的含量,為油品的經(jīng)濟(jì)配方研究、臺(tái)架評(píng)定及理化指標(biāo)等綜合分析提供了理論依據(jù)。
在開(kāi)展分散型OCP中的丁二酰亞胺含量的研究工作中,紅外光譜法與元素分析儀法、電量法和克氏定氮法測(cè)定的丁二酰亞胺中的氮含量有較好的關(guān)聯(lián),由此可以通過(guò)酰亞胺基團(tuán)的多少表明分散劑有效組分的相對(duì)含量。除通過(guò)選取特征吸收峰通過(guò)峰面積測(cè)量進(jìn)行定量分析外，還可利用PE1725XFTIR及PE公司“Quant”軟件測(cè)定潤(rùn)滑油添加劑單劑與復(fù)合劑,該測(cè)定不需要分離手段,測(cè)定準(zhǔn)確迅速,操作簡(jiǎn)便,為測(cè)定潤(rùn)滑油添加劑與基礎(chǔ)油提供了一種方便手段。
2.紅外光譜技術(shù)在添加劑結(jié)構(gòu)鑒定中的應(yīng)用,紅外光譜作為功能團(tuán)鑒定和結(jié)構(gòu)分析的有效方法,廣泛地應(yīng)用于添加劑結(jié)構(gòu)的鑒定。在紅外光譜圖中,各類化合物的功能基團(tuán)都有其特征的紅外吸收帶,因此可作為表征分子結(jié)構(gòu)的一種有效手段。在對(duì)鈣鎂鈉復(fù)合金屬型清凈劑的基本性能與應(yīng)用研究中,應(yīng)用紅外光譜對(duì)兩種產(chǎn)品的譜圖進(jìn)行了比較分析,確定了該產(chǎn)品中含有部分氫氧化物,從碳酸鹽粒子的特征吸收峰推斷該膠體結(jié)構(gòu)中含有無(wú)定型碳酸鹽。
在對(duì)磺酸鹽清凈劑的應(yīng)用研究中,利用紅外光譜法研究了磺酸鹽清凈劑的組成和結(jié)構(gòu),并以碳酸根官能團(tuán)的紅外光譜特征峰為依據(jù),建立了磺酸鹽清凈劑堿值的預(yù)測(cè)模型,并與現(xiàn)行評(píng)定方法相關(guān)聯(lián),預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較高。該方法的建立可對(duì)原料添加劑進(jìn)行質(zhì)量考察,為監(jiān)控生產(chǎn)和市場(chǎng)打假提供有效手段。在對(duì)鎂鹽潤(rùn)滑油清凈劑合成機(jī)理的初步研究中,應(yīng)用紅外光譜對(duì)制備過(guò)程中的中間產(chǎn)品進(jìn)行分析,依據(jù)特征吸收峰推斷官能團(tuán)的存在與否,初步判斷了產(chǎn)品中組分的情況。在對(duì)新型無(wú)灰分散劑的結(jié)構(gòu)分析研究中,通過(guò)對(duì)預(yù)處理后得到的干劑的紅外光譜分析,將得到的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照,確定了該干劑的類型,提供了重要的結(jié)構(gòu)信息。
在對(duì)N-取代聚全氟甲苯酰胺抗氧抗腐添加劑的結(jié)構(gòu)表征中,應(yīng)用紫外光譜和紅外光譜,表明其目標(biāo)產(chǎn)物已被合成。近年來(lái),納米材料在潤(rùn)滑油抗磨添加劑的研究中表現(xiàn)出了巨大的潛力,采用溶膠–凝膠法制備出的硬脂酸修飾的TiO2。納米粒子作為潤(rùn)滑油抗磨添加劑,在制備過(guò)程中利用紅外光譜對(duì)表面修飾的TiO2和硬脂酸進(jìn)行特征峰確認(rèn),結(jié)合AFM確認(rèn)了表面有機(jī)層的存在,提供了重要的參考信息。
除了對(duì)樣品譜圖進(jìn)行直接解析外,紅外差譜技術(shù)與計(jì)算機(jī)檢索技術(shù)結(jié)合也可應(yīng)用于未知物組成的分析,在對(duì)一些樣品的分析中簡(jiǎn)化復(fù)雜、費(fèi)時(shí)的化學(xué)分離工作的同時(shí),提供了一種快速,簡(jiǎn)便的檢測(cè)和鑒定方法。根據(jù)朗伯–比爾定律,吸光度有加和性,在混合物光譜中,某一波數(shù)處的總吸光度是各組分在該處產(chǎn)生的吸光度值的總和。對(duì)于兩個(gè)組分以上的多元組分體系,應(yīng)用差譜技術(shù)可以對(duì)多組分混合譜圖逐級(jí)進(jìn)行差減,最后得到單一組分的光譜,從而達(dá)分離和鑒定的目的。在對(duì)添加劑樣品進(jìn)行簡(jiǎn)單蒸餾后,通過(guò)紅外解析,差譜技術(shù)和計(jì)算機(jī)檢索技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了定性分析,證明添加劑樣品是由甲苯、N,N-二乙羥胺和壬基酚聚氧乙烯(NP10)3個(gè)組分組成的。實(shí)驗(yàn)表明,紅外差譜分析技術(shù)是油品添加劑分析的一種有效方法。
紅外光譜法廣泛應(yīng)用于添加劑結(jié)構(gòu)組成的研究,利用紅外光譜分析建立了諸多譜庫(kù),通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行紅外譜圖檢索,可進(jìn)行對(duì)未知物的結(jié)構(gòu)鑒定。眾多標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)在應(yīng)用于石油產(chǎn)品添加劑的分析中，由于與實(shí)際樣品差別較大,無(wú)法達(dá)到理想的效果,劉蘋等曾應(yīng)用MicrosoftAccess軟件,建立了一套包括約400個(gè)國(guó)內(nèi)外石油產(chǎn)品添加劑的紅外光譜數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了快速查詢紅外譜圖。隨著添加劑產(chǎn)品種類的增多及性能的改進(jìn),不斷更新的添加劑譜庫(kù)對(duì)于確定未知物結(jié)構(gòu)的鑒定、油品添加劑的組成分析以及檢測(cè)油品質(zhì)量將起到重要作用,也為油品的研發(fā)和生產(chǎn)提供良好的技術(shù)支撐。
近幾年來(lái)隨著各種聯(lián)用技術(shù)的迅速發(fā)展,包括諸如紅外顯微鏡、紅外拉曼聯(lián)用、氣相色諧─紅外聯(lián)用、液相色譜紅外聯(lián)用,熱紅聯(lián)用等聯(lián)用技術(shù)的逐漸推廣,衍生出了更多的分子光譜領(lǐng)域,彌補(bǔ)了紅外光譜技術(shù)本身的一些不足,使得紅外光譜成為分析化學(xué)應(yīng)用中*泛的儀器之一。以色譜--質(zhì)譜--紅外光譜聯(lián)用為例,該系統(tǒng)綜合了色譜的分離能力和質(zhì)譜、紅外的定性鑒別能力,已被應(yīng)用于齒輪油復(fù)合劑中硫化合物的分析。
齒輪油復(fù)合添加劑中的硫化物作為極壓劑,可以在高溫,高負(fù)荷下和金屬表面反應(yīng)生成無(wú)機(jī)潤(rùn)滑膜,從而防止燒結(jié)和磨損,它是由硫,硫烯、硫化物、二硫化物、多硫化物等成分組成的,硫化合物中硫的數(shù)目以及烷基的結(jié)構(gòu)都會(huì)影響它的極壓性能和高負(fù)荷下的抗磨損性能。通過(guò)此聯(lián)用技術(shù),分析了新型齒輪油復(fù)合劑中硫化合物的種類、組成和結(jié)構(gòu)。從目前儀器的發(fā)展態(tài)勢(shì)分析，相信聯(lián)用技術(shù)必將成為未來(lái)紅外光譜技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),構(gòu)建一個(gè)綜合,連續(xù)的完整分析系統(tǒng)將為未知物的分析提供更加強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
結(jié)束語(yǔ)
總之，紅外光譜技術(shù)在潤(rùn)滑油和添加劑分析領(lǐng)域的應(yīng)用已相當(dāng)普及,不僅能對(duì)油品和添加劑進(jìn)行定量和結(jié)構(gòu)定性鑒定,還可以監(jiān)測(cè)油品在使用過(guò)程氧化衰變、添加劑的降解和污染情況。紅外光譜技術(shù)和聯(lián)用技術(shù)的不斷提高和發(fā)展,為行業(yè)的發(fā)展提供了良好的技術(shù)保證,必將在潤(rùn)滑油行業(yè)擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。
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