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聚α-烯烃合成润滑油催化剂的技术进展

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2014年7月 邵怀启等.聚 一烯烃合成润滑油催化剂的技术进展 51 聚 一烯烃合成润滑油催化剂的技术进展 邵怀启,李 会,林吉超,时鹏飞,姜 涛 (天津科技大学材料科学与化学工程学院,天津300457) [摘要] 总结了聚O/一烯烃润滑油基础油的结构与性能之间的关系;综述了用于合成聚 ~烯烃润滑油基础油的路易斯酸催化剂、茂金属催化剂、离子液体催化剂和铬催化剂的研究进 展、优缺点及催化聚合产物的性能特点;对我国合成聚 一烯烃润滑油基础油的技术发展提出了建 议。 [关键词]聚Ot一烯烃合成润滑油催化剂技术进展 聚 一烯烃合成油(PAO)是由 一烯烃(主 多侧链的异构烷烃骨架和相对较短的直链段有利 要是C¨ )在催化剂的作用下通过齐聚或共齐聚 于保持良好的低温流动性,且不含芳烃、环烷烃及 反应并加氢饱和得到的油品。与矿物油相比,聚 不饱和键,物理和化学性质稳定 。 一烯烃合成油具有更好的抗氧化安定性和黏温 聚Ot一烯烃合成油的性能主要取决于 一烯 性能,黏度指数(VI)高,倾点低,对添加剂感受性 烃的聚合度及相对分子质量分布,而催化剂是影 能好,而且能与矿物油以任意比例混合¨ 。随着 响聚合度和相对分子质量的主要因素 j。 汽车和机械工业的不断发展,环保、节能要求的不 断提高,对润滑油的黏温特性、抗氧化安定性等主 2 一烯烃齐聚催化剂 要性能提出了日益苛刻的要求,经传统化工工艺 2.1路易斯酸型催化剂 制得的基础油已难以满足工业要求,具有优异物 路易斯酸型催化剂包括A1C1,和BF 。AICI 化特性的聚Ot一烯烃合成油得到了广泛关注和应 是路易斯酸阳离子型催化剂,A1C1 催化烯烃聚合 用。与矿物油和天然气合成基础油相比,聚 一 具有操作简单、成本低、对原料适应性强等优点。 烯烃合成油的价格较贵,但可用于更苛刻的环境 与矿物质油相比,所得聚合油黏温性好,黏度指数 中,可减少机械磨损,节约能源,满足El益严格的 高,倾点低_4]。目前国内润滑油生产公司均以 健康、安全、环保要求,因而成为润滑油基础油发 A1C1,为催化剂催化石蜡裂解制烯烃以及合成润 展的主要方向之一。 滑油等。 李红平等 以A1C1 分别催化1一辛烯、1一 1聚 一烯烃合成油的结构特点 癸烯和1一十二碳烯的齐聚反应。1一辛烯齐聚 聚Ot一烯烃合成油是由 一烯烃聚合并加氢 产物100℃时的运动黏度为l4.70 mm。/s,黏度 得到的一类具有规则分布的低相对分子质量长链 指数为145,倾点为一5O℃;聚1一癸烯产品100 烷烃,其结构简式如下: ℃时的运动黏度为8.81 mm /s,黏度指数为136, 倾点为一59 oC;聚十二烯产品100℃时的运动黏 H3C~rI rI \ 度为9.24 mm /s,黏度指数为143,倾点为 一53℃。 AICI 与其他化合物配合后能有效增强催化 聚 一烯烃油的优良性能与其化学结构有 活性和选择性,形成相对分子质量分布窄的聚合 关。当Ot一烯烃聚合物的相对分子质量降低时, 产物 ]。杨晓明等 研究了AIC1 分别与环己 聚合物的低温黏度增加,黏温性能降低;支化度增 加时,聚合物的黏度、热稳定性都降低,但低温流 收稿日期:2014—04—11。 动性增强。长链 一烯烃(以1一癸烯最优)的三 作者简介:邵怀启,副教授,博士,现从事烯烃聚合催化剂的 研究。 聚物、四聚物是高品质润滑油基础油的理想组分, 基金项目:天津市高等学校科技发展基金项目(20110505); 从整体看直链烷烃骨架对提高黏温性能有利,而 黑龙江省石油与天然气化工重点实验室开放基金 (HXHG2012—04)。 精细石油化工进展 52 ADVANCES IN FINE PETROCHEMICALS 第15卷第4期 酮、正丁醚配合催化1一癸烯的齐聚反应。 AIC1,一环己酮配合型催化剂所得产物100℃时 的运动黏度为8.08 mm /s,黏度指数为174,收率 为92%,其中三聚物和四聚物的体积分数 >85%。以A1C1,一正丁醚配合物为催化剂得到 了100℃时的运动黏度为8.99 mm /s、黏度指数 为170的产品油。 段梦婕 采有A1CI,/TIC1 复合催化体系,以 1一癸烯为原料制备聚 一烯烃润滑油基础油。 当反应温度为4O℃、催化剂用量为5%(质量分 数)、A1/Ti物质的量比为1、反应时间为4 h时, 得到100 oC时的运动黏度为14.94 mm /s、黏度 指数为155.80、凝点为一62℃的产品油。产物的 凝胶色谱和热失重分析结果表明,产物相对分子 质量为1 176,分子量分布接近正态分布,分布宽 度较窄,并且产物热分解温度高,具有良好的热稳 定性。 Surana¨ 以A1C1 /H2O催化体系催化1一癸 烯和1一十二碳烯共聚,制备高黏度的聚Ot一烯烃 油。AIC1,和H O的物质的量比为2:1,催化剂用 量为0.5%一4%(质量分数),反应时间为1.5~ 4.5 h,产物经蒸馏得到100 oc时的运动黏度为 40—100 mm /s、平均相对分子质量为1 200~ 4 000的产品油。 虽然A1C1 催化剂对烯烃聚合反应具有优良 的催化性能,但是它具有强腐蚀性,高温易升华放 出氯气,与产物难分离,为保持A1C1 的优良催化 特性,可固载后使用。米普科等 将A1C1 固载 于大孔的 一A12O,上,研究发现该催化剂对 1一癸烯齐聚反应表现出良好的催化性能。 BF,属于路易斯酸配合型催化剂,该催化剂 一般用于生产低黏度的合成油,具有聚合物分布 窄、反应易控制等特点。BF 作为聚 一烯烃催 化剂,常与醇、羧酸等生成配合物以液态形式使 用,同时醇、羧酸等还有促进剂的作用,引发齐聚 反应。 李振华¨ 用BF 一正丁醇催化体系催化 1一癸烯的聚合反应。在反应器中加入1一癸烯 和正丁醇,通入BF 气体进行反应,得到100 oC时 运动黏度为4.1 mm /s的低黏度合成油,该合成 油的黏度指数为136,倾点为一72℃,是高品质的 聚烯烃合成油。 Goze_】 以BF 为主催化剂、丁醇与醋酸丁酯 的混合物为助催化剂,催化辛烯、癸烯、十二烯共 聚制备低黏度润滑油。丁醇与醋酸丁酯的物质的 量比为3:1,反应时间为1 h,聚合产物经后处理 得到100℃时运动黏度为4 mm /s、倾点为 一63℃的产品,齐聚物收率为87.6%。 以BF,为催化剂催化 一烯烃所得的合成油 具有优良的性能,但是BF 遇到空气中的水蒸气 会生成刺激性很强的HF气体,容易腐蚀设备,而 且BF,有毒,正逐步被危害小的催化剂所取代。 上述2种酸催化剂催化 一烯烃聚合得到的 产物含有较多支链,会对产物的黏度产生影 响 14]。A1C1 催化剂适合催化O/一烯烃聚合生产 高黏度和高黏度指数(130<VI<200)的聚 一烯 烃合成油,而BF,催化剂更适用于合成低黏度的 合成油。这是由于BF 属于路易斯强酸,形成碳 正离子的速度较快,易生成低相对分子质量聚合 物;A1C1,的路易斯酸性较弱,形成碳正离子的速 度和链转移的速度都较慢,生成聚合物的相对分 子质量较大¨ 。 2.2茂金属催化剂 茂金属催化剂是由茂金属化合物和助催化剂 组成的催化体系。茂金属化合物是指由过渡金属 元素(如ⅣB族元素钛、锆、铪)或稀土金属元素 和至少一个环戊二烯或环戊二烯衍生物作为配体 所组成的有机金属配合物,助催化剂主要是有机 硼化物或烷基铝氧烷 。茂金属催化剂催化活 性高,具有单一活性位点,得到的聚 一烯烃基础 油的相对分子质量分布窄,黏度高。大多数茂金 属催化剂是具有大cp—M—Cp夹角的桥联茂金 属催化剂,这种结构空间位阻小,有利于长链 一 烯烃的插入¨ 。茂金属以配位聚合方式催化 一 烯烃齐聚,聚合物中短支链较少,而酸催化O/一烯 烃齐聚时,由于发生重排反应而产生较多的支链。 赵瑛祁等¨ 以二氯二茂钛/三异丁基铝/ B(C F ) 催化体系催化1一辛烯的聚合反应。研 究发现在催化剂物质的量浓度为1.33 mmolfL、 反应温度为60℃、反应时间为1 h、 (A1):n(Ti) =100、n(B):n(Ti)=1.5的条件下,产品收率高 达96%。 Fujita 18]采用Cp2ZrC12/MAO催化体系催化 1一癸烯齐聚反应,制备润滑油。聚合产物主要包 括1一癸烯的二聚物、三聚物及四聚物,加入黏度 指数改进剂等可使黏度指数达到166。 2014年7月 邵怀启等.聚 一烯烃合成润滑油催化剂的技术进展 53 吕春胜等¨ 用几何构型的茂金属催化 体系2一Me4Cp一4,6一‘Bu2一PhOTiC12/ Al(‘Bu) /Ph,C B(C F ) 一对1一癸烯的齐聚反 应进行了研究。当主催化剂物质的量浓度为 2.256 mmol/L、A1/Ti物质的量比为90、B/Ti物质 的量比为1.5、反应时间为2 h时,可以得到黏度 指数为238、倾点<一62 oC的基础油。 Knowles 以二苯亚甲基(环戊二烯基一9一 芴基)二氯化锆为主催化剂,以甲基铝氧烷 (MAO)为助催化剂,催化c 。的OL一烯烃共聚。 在聚合温度为105—170 oC、反应压力为520— 720 kPa的条件下,得到100℃时的运动黏度为 50—150 mm /s的聚烯烃油。该催化剂的选择性 一般可达到80%~95%,Ot一烯烃的转化率> 95%。 用茂金属催化体系催化O/一烯烃聚合制备润 滑油基础油时,催化剂的活性较高,产品性能优 良,但使用助催化剂MAO的成本较高,而且极易 与空气中的水蒸气反应,所以开发新型茂金属催 化剂、探索减少MAO用量的方法是今后的研究 方向和任务之一。 2.3离子液体催化剂 离子液体是一种环境友好型溶剂和催化剂, 与传统的聚Ot一烯烃催化剂不同,它具有反应速 度快、绿色无污染、催化剂与产品易分离等优点, 而且以离子液体为溶剂,催化剂还可以回收和循 环使用。 张耀等 利用传统的A1C1 催化剂,在氯铝 酸离子液体中催化1一癸烯聚合。结果表明在 A1C1 物质的量分数>0.57、温度<60 oC的条件 下,离子液体对1一癸烯齐聚反应有良好的催化 效果,可以得到100 oC时的运动黏度>40 mm /s 的产品油,而且可以通过反应温度调节合成油的 黏度,催化剂可以循环使用。 吕春胜等 以Et,NHC1一A1C1 为离子液体 催化剂,催化苯与1一癸烯的烷基化反应和1一癸 烯齐聚反应。烷基化产物为1一癸烯四聚物、五 聚物及二烷基苯的混合物,该产物100 oC时的运 动黏度为11.5—20.0 mm /s,黏度指数为114~ 158,倾点为一48一一56℃,具有黏度指数高、倾 点低、相对分子质量(425—515)适中的特点。 贺丽丽等 以盐酸一三氯化铝一1一乙基一 3一甲基咪唑溴盐为离子液体催化剂,催化1一癸 烯齐聚反应。阴离子为氯化铝,阳离子为溴化1一 乙基一3一甲基咪唑,当阴阳离子物质的量比为 3:1、反应温度为120℃、催化剂与1一癸烯的物 质的量比为5:100、反应时间为3 h时,l一癸烯齐 聚反应的转化率>80%,产物主要是三聚物和四 聚物,是高品质润滑油基础油的主要成分。 杨宁 合成了』7、r,』7、,一二甲基咪唑/A1C1 离 子液体催化剂,并以该催化剂催化1一癸烯齐聚 反应。在反应温度为80℃、反应时间为4 h、 A1C1,/咪唑物质的量比为2:1、催化剂用量为 7.5%(质量分数)时,得到100 oC时的运动黏度 为11.68 mm /s、黏度指数为141的产品油,齐聚 物收率高达91.3%。 离子液体是制备聚Ol一烯烃油的绿色溶剂和 催化剂,是人们关注和研究的热点。但是目前离 子液体价格较高,严重制约了离子液体催化体系 催化Ot一烯烃聚合的大规模工业化生产。 2.4铬金属催化剂 铬金属催化剂催化Ot一烯烃聚合时,大多是 先负载到不同的载体上制备成负载型铬催化剂, 如CrO/SiO,、CrO/MCM一41等。负载型铬催化 剂主要包括负载型氧化铬、氯化铬、铬的硫酸盐、 磷酸盐、盐、醋酸盐等 。wu_2 用SiO2负 载的Cr(Ⅱ)催化剂催化1一癸烯、1一己烯齐聚, 得到C ㈣的齐聚产物,齐聚产物的支化度< 0.19,黏度指数为107~260,黏度指数倾点< 一15℃。 沈虹滨等 以硅胶负载的醋酸铬催化1一 癸烯齐聚反应,产物经加氢处理后可以得到1oo ℃黏时的黏度为2~100 mm /s、黏度指数>130 的合成油,但是催化剂对原料的要求比较苛刻,癸 烯中的直链烯烃>95 ,水用量<100 g/g,过氧 化物用量<5 g/g。McGuinness 副采用铬(Ⅲ) 一双(卡宾)吡啶化合物/MAO催化体系催化1一 辛烯齐聚反应,制得头尾相连的二聚体。该催化 剂具有催化活性高、可控制烯烃聚合度等特点。 Wasserscheid等 以氮杂环络合氯化铬为催 化剂,以甲基铝氧烷为活化剂,进行1一癸烯及 1一十二烯齐聚反应。1一癸烯转化率达到 97.7%,产物主要为三聚体和少量异构体;l一十 二烯齐聚产物的黏度指数高达150。 使用负载型铬金属催化剂得到的聚合产物支 化度较低,黏度和黏度指数非常高,这是因为该催 精细石油化工进展 ADVANCES IN FINE PETR0CHEMICALS 第15卷第4期 化剂抑制了反应过程中的异构化、裂解和重排 反应 别。 2.5其他催化剂体系 Muthukumaru等 。。以蒙脱土为催化剂进行 l一癸烯齐聚反应,发现酸强度(风)<一8.2的H 型蒙脱土具有较高的活性,产物以三聚物为主,B 酸性位为催化齐聚的活性中心。 Grigor'eve等 以不同结构的沸石催化剂 (Y,Beta,ZSM一12,ZSM一5)催化1一辛烯齐聚反 应。反应前通过煅烧等方法将不同类型的沸石催 化剂转变为H型。实验结果表明,沸石催化剂的 活性和选择性主要与其自身的酸性和结构有关。 Y,Beta,ZSM一12型沸石催化剂在150—200 oC具 有较高的催化活性,1一辛烯转化率高达96%,聚 合物收率>88%,其中Beta型沸石催化剂催化 1一辛烯齐聚得到的聚合物的性能与以A1C1,为 催化剂得到的聚 一烯烃油的性能相近;ZSM一5 型催化剂在250 oC具有较好的活性,剂聚产物为 1一辛烯异构化产物。 金树余等 研究了以三氟甲磺酸为催化剂 催化1一己烯的齐聚反应,主要考察了催化剂用 量、反应温度和反应时间等工艺条件对齐聚反应 的影响。在催化剂用量为1.0 mL、反应温度为 50℃、反应时间为3 h时,1一己烯的转化率约为 90%,产物主要是三聚物和四聚物。与其他催化 剂相比,三氟甲磺酸催化效率高,而且产物与催化 剂不互溶,催化剂可以循环使用,是一类综合性能 较优越的新型Ot一烯烃齐聚反应催化剂。 3结语 聚 一烯烃合成润滑油具有优良的润滑性能 和黏温性能,但是较高的原料价格(1一癸烯或其 他高碳 一烯烃)直接推高了聚O/一烯烃合成润 滑油的价格,了它的更广泛应用。因此采用 廉价的原料,如丙烯、丁烯,甚至直接采用乙烯进 行低聚反应生产聚 一烯烃合成油、开发新型的 催化剂,可望成为聚 一烯烃合成润滑油发展的 方向之一。再者,建议系统研究催化剂特性一合 成油结构一合成油性能之间的构效关系,根据所 要达到的润滑油性能指标来选择和开发催化剂, 从而推动聚Ot一烯烃合成润滑油品种的开发和性 能的提升。 参考文献 [1]唐俊杰.合成润滑油基础知识讲座之一[J].润滑油,1999, 14(5):59—64. 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[Key words]poly—OL—olefin;synthesis;lubricant oil;catalyst;technical progress (上接第26页) Review of Kinetic Models for C9-C14 Alkanes Dehydrogenation to Monoolefins Zhou Liqun Zhang Qing Jiang Hongbo (1.LAB Plant foJinling Petrochemical Corporation,Sinopec,Nanjing 210046,China; 2.Petroleum Processing Research Institute,ECUST,Shanghai 200237,China) [Abstract] Current research status and development of reaction kinetic models for C9-C 14 Mkanes dehydrogenation to monoolefins were reviewed.The reaction and deactivation kinetic model for C9-C14alkanes dehydrogenation since 1980s were compared in detail,including the reaction networks.The characteristics and the application of different models were presented by discusing the model foundation principles and parameter estimation methods. [Key words] alkane;dehydrogenation;kinetic model;deactivation 

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