潤滑油抗乳化性能研究創新型實驗設計

耿 杰，張進恒，范海明，黃維安，魏志毅，劉 釗

（中國石油大學（華東） 石油工程學院，山東 青島 266580）

1 問題的提出

培養具有科研創新能力的人才是高等教育的目標，也是建設創新型國家的必然要求[1-3]。創新研究型實驗是培養學生科研創新能力的重要途經。針對我校石油工程專業本科實驗教學中綜合型和創新研究型實驗比例偏低的現狀，為提高學生專業實驗興趣及科研創新能力，設計了潤滑油抗乳化性能研究這一創新研究型實驗[4-5]。

潤滑油在機械設備運轉過程中，不僅能減少運動部件表面的摩擦，還能起到冷卻、密封、功率傳輸等作用。潤滑油的主要成分是基礎油和添加劑。其中，基礎油決定了潤滑油的基本性質；添加劑用來補充和完善基礎油性能方面的不足，使潤滑油增添許多新的性能[6-7]。潤滑油在使用過程中受到密封性、空氣中水分以及剪切力等因素的影響，會與混入的水發生乳化。乳化后的潤滑油，潤滑能力降低，促進氧化變質，整體上降低油品品質，還會腐蝕管道和儀器設備，危害極大。準確有效地評價潤滑油抗乳化性能是研究和改善潤滑油抗乳化性的重要前提[8-9]。目前，國內的抗乳化性能評價方法標準主要有 GB/T 8022—2019 和GB/T 7305—2003，后者在石油行業的使用最為廣泛。但該標準與實際工況條件差異較大。標準要求將40 mL 水和 40 mL 油混合，在 54 ℃的條件下以1500 r/min 的轉速攪拌5 min 進行乳化，乳化完成后，觀測油水分離現象和時間，當達到乳化層小于或等于3 mL 時所用時間小于30 min 即為合格。該評價標準的局限性在于，評定的是潤滑油在一次進水和固定油水比1∶1 情況下的抗乳化性能，而實際使用過程中潤滑油混入的水極少，且潤滑油與混入的水是一個多次乳化與破乳的連續過程，而不是評價標準中的單次乳化[10-12]。在評價過程中還會出現因乳化層界面模糊導致讀數、測量結果誤差較大的情況。因此，需要設計一套更全面、更符合實際的研究型評價方法實驗，用以準確有效地評價潤滑油的抗乳化性能，研究影響其抗乳化性的眾多因素。

2 實驗內容設計

實驗設計方案包括實驗目的、實驗原理、實驗所需條件、實驗內容及實驗結果與討論等，其中實驗內容是實驗設計的核心[13]。實驗選取最常見的市售潤滑油為研究對象，目的是改進國標中潤滑油抗乳化性評價方法，設計更貼近實際使用情況的實驗內容。

在國標GB/T 7305—2003 評價方法中，采用1∶1的比例將油水混合進行實驗，但潤滑油在使用過程中，摻混進油中的水分遠小于潤滑油總量。因此，本實驗提高了油水比例，選用4∶4、5∶3、6∶2 和7∶1 四種不同油水比例來探究潤滑油的抗乳化性能。將潤滑油與水按照上述四種比例混合至總體積為80 mL，在54 ℃、1500 r/min 的轉速下攪拌5 min，然后靜置1 h，觀察并記錄油水分離情況。將分別從界面整齊情況、分水率、分水速度、油中含水量以及水中含油量五個方面來研究。還將通過測試油水的界面張力、界面膜強度以及乳液粒徑分布和光譜穩定性來分析潤滑油抗乳化性能的微觀作用機制[14-15]。

3 實驗結果與討論

3.1 油水界面情況

油水界面情況是判斷潤滑油抗乳化性能的標準之一，可直觀反映潤滑油抗乳化的效果。圖1 依次為在油水比4∶4、5∶3、6∶2 和7∶1 情況下，乳化靜置1 h 后的油水界面圖。從圖中可以看出，各比例下的油水界面均比較整齊，水層清澈，5∶3、6∶2 和7∶1的存在油珠掛壁現象，而4∶4 的無掛壁現象。

圖1 不同油水比的油水界面情況

3.2 分水率和分水速度

分水率反映了油水分離效果的好壞，分水率可用式（1）計算：

其中，c為最終分水率，Vw為最終分水體積，Vwt為乳狀液總含水量。

分水速度反映了潤滑油與水分離的快慢，利用潤滑油乳狀液分水率隨時間的變化fw(t) 表征，如式（2）：

實驗過程中，觀察并記錄不同時刻分水體積隨時間的變化，根據公式計算分水率及不同油水比時分水率隨時間變化的曲線，如圖2 所示。

圖2 不同油水比時分水率隨時間的變化曲線

圖2 中，分水率曲線斜率的大小代表了分水速度?？梢钥闯?，隨著油水比的增加，最終分水率逐漸降低，并且分水速度隨油水比的增加略微下降，當油水比增加到7∶1 時分水速度明顯降低，由此可知，隨著油水比的增加，分水速度逐漸降低。

3.3 不同油水比的油中含水量

將制備好的乳狀液恒溫靜置后，用筒狀分液漏斗分離上層油和下層水。將取出的上層油使用WS500C全自動微量水分分析儀測量油中含水量，結果見表1。

表1 不同油水比的油中含水量

從表1 中可以看出，隨著油水比的變化，油中含水量的變化不大，基本在6500 mg/L 左右，可見油水比對分離出的油中的含水量影響不大。

3.4 水中含油量

1）標準曲線的繪制。

用石油醚配制濃度為 50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L 的潤滑油石油醚溶液，使用SP-756P 型紫外分光光度計測量其吸光度，結果見表2。

表2 標準濃度吸光度

為準確反映樣品濃度與吸光度之間的關系，使用最小二乘法對實驗數據進行回歸，擬合結果精度高，滿足線性關系，得到標準曲線圖3，回歸方程式為：

圖3 潤滑油的濃度-吸光度標準曲線

2）不同油水比的水中含油量。

將乳化后靜置分離出來的水用石油醚萃取后定容至100 mL，以石油醚作為標準溶液，用紫外分光光度計測量待測溶液吸光度，使用回歸得到的標準曲線反求出潤滑油石油醚溶液的濃度，再根據分離出水的體積求出水中的油含量，得到不同油水比的潤滑油乳狀液破乳后的水中含油量，見表3。

表3 不同油水比的水中含油量

從表3 可看出，在油水比為4∶4 的情況下，水中含油量最低，為165.694 mg/L；在油水比為7∶1 的情況下，水中含油量最高，為914.856 mg/L。即隨著油水比的增加，水中含油量不斷增加。

3.5 乳狀液微觀形貌

利用XSJ-2 型實驗顯微鏡觀察不同油水比的乳液微觀形態，如圖4 所示?？梢钥闯?，隨著油水比增加，乳狀液液滴粒徑減小且分布越來越集中，用稀釋法判定均為油包水型乳狀液。

圖4 不同油水比下乳狀液的微觀形貌

綜上分析可知，隨著油水比的增加，乳狀液液滴粒徑變小，分水速度和分水率逐漸降低，并且水中含油量逐漸增高，表明隨著油水比的增加，潤滑油抗乳化性能逐漸下降。

4 拓展實驗內容

綜合考慮實驗學時、實驗內容的難易程度以及學生對知識的理解和掌握程度，將油水的界面張力測試、界面膜強度以及乳液粒徑分布統計和光譜穩定性分析等潤滑油抗乳化性能的微觀作用機制研究內容設定為拓展實驗內容。在實際使用過程中，由于潤滑油在有水混入后會是連續乳化與破乳的過程，而不是單次乳化，而多次連續乳化實驗需要時間較長，因此可將該實驗一并設為拓展實驗內容。這些拓展實驗內容，既可作為不同實驗內容進行課堂教學，也可引導學生進行課后實驗拓展，并依托本實驗申請大學生創新實驗項目，或開展本科畢業設計等工作。

5 結語

本實驗針對目前潤滑油抗乳化實驗研究中存在的問題，設計了更為全面準確的評價研究方法。該實驗有助于學生在系統掌握理論知識的同時，了解科學研究的一般方法，學習分光光度計、顯微鏡等各種常用儀器的使用方法，并且從思想上打破傳統，培養創新研究能力。實踐證明，該實驗激發了學生對創新研究型實驗的熱情，得到了學生的廣泛好評，為他們今后從事石油化學相關專業的科學研究工作奠定了基礎。