通過表面張力估算法測定低芳淺色礦物油的溶解度參數(shù)。以溶解度參數(shù)定義為基礎(chǔ)，結(jié)合溶解度參數(shù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式和表面張力與液滴大小的關(guān)系，推導(dǎo)出表面張力與溶解度參數(shù)的擬合關(guān)系式。通過與11種含弱極性鍵的有機(jī)溶劑溶解度參數(shù)的文獻(xiàn)值進(jìn)行對比計(jì)算，得到溶解度參數(shù)的表面張力表達(dá)式的各個(gè)系數(shù)。利用溶解度參數(shù)表面張力表達(dá)式，計(jì)算29種常見的低芳淺色礦物油的溶解度參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，29種低芳淺色礦物油的溶解度參數(shù)計(jì)算值為14.40～16.07（J/cm3）1/2，經(jīng)與文獻(xiàn)值對比證明了擬合公式的準(zhǔn)確性。

溶解度參數(shù)作為衡量物質(zhì)之間相容性的重要參數(shù)之一，在眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如多組分體系相平衡計(jì)算、乳化體系的穩(wěn)定性研究、高聚物增塑體系的研究與選擇、高聚物溶解性的預(yù)測與研究、高聚物共混物相容劑的研究、油田化學(xué)品溶解性研究、溶劑萃取和氣體在液體中的溶解研究及膜滲透等。在橡膠和涂料工業(yè)中，溶解度參數(shù)作為溶劑選擇的依據(jù)，無論在高分子溶液理論研究，還是在聚合物的增塑、加工和改性等方面，都起著十分重要的作用。

礦物油在眾多工業(yè)領(lǐng)域均有應(yīng)用，如用于橡塑行業(yè)中的增塑體系、潤滑油復(fù)配方劑、涂料和橡膠行業(yè)中的溶劑等。如能較為準(zhǔn)確地知道礦物油的溶解度參數(shù)，對于選擇膠種配伍使用、添加劑復(fù)配及涂料的配方設(shè)計(jì)等都具有非常重要的意義。但礦物油是混合物，估算溶解度參數(shù)的公式大多適用于純凈物；同時(shí)礦物油溶解度參數(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)少，測試油品溶解度參數(shù)的實(shí)驗(yàn)較為繁瑣。梁曉菲等研究了減壓渣油的溶解度參數(shù)，并在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上得到了減壓渣油萃余殘?jiān)娜芙舛葏?shù)。王本力等研究了潤滑劑基礎(chǔ)油的溶解度參數(shù)，但未給出具體的礦物油溶解度參數(shù)計(jì)算方法。建立一種簡單的礦物油溶解度參數(shù)計(jì)算方法對油品研究具有重要意義。

本工作通過理論分析和實(shí)驗(yàn)室研究，根據(jù)石油石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，測試礦物油關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過擬合公式計(jì)算礦物油的溶解度參數(shù)。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料和儀器

29種常見的低芳淺色礦物油：取自國內(nèi)主要煉油廠的潤滑油基礎(chǔ)油，包括主要的石蠟基基礎(chǔ)油和環(huán)烷基基礎(chǔ)油，不包括深色高芳烴礦物油；從精制程度看，包括高壓加氫深度精制油品，也包括溶劑精制和白土精制工藝精制油品；從碳型結(jié)構(gòu)看，包括芳環(huán)碳（CA）含量為零的油品，也包括CA含量小于10%（w）的油品。礦物油的理化性質(zhì)見表1。

表1礦物油的理化性質(zhì)

采用Mettler Toledo公司DE40型自動(dòng)密度測定儀在20℃下測試礦物油的密度；采用芬蘭Kibron公司全自動(dòng)表面張力儀在20℃下測試試樣的表面張力；采用Mettler Toledo公司RE400型自動(dòng)折光測定儀在20℃下測試試樣的折光率；采用美國Cannon公司CAV2200型自動(dòng)黏度測定儀測試試樣的運(yùn)動(dòng)黏度。

1.2溶解度參數(shù)估算方法的推導(dǎo)

1.2.1溶解度參數(shù)的定義

溶解度參數(shù)（δ）由Hildebrand等提出，定義為物質(zhì)內(nèi)聚能密度的平方根，表示分子所有吸引力的總和，計(jì)算公式見式（1）：

式中，e為內(nèi)聚能密度，J/m3；ΔrUm為內(nèi)聚能，J/mol；Vm為摩爾體積，m3/mol；ΔE為摩爾汽化熱，J/mol。

溶解度參數(shù)是表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的參數(shù)，但只適用于非極性液體混合物。Hansen認(rèn)為液體的內(nèi)聚能為色散力、極性力和氫鍵3種分子間作用力的貢獻(xiàn)之和，從而將溶解度參數(shù)推廣到極性系統(tǒng)和締合系統(tǒng)之中，建立了三維溶解度參數(shù)體系。淺色礦物油屬于非極性液體混合物，完全適用于公式（1）。

1.2.2現(xiàn)有溶解度參數(shù)估算法

對于純物質(zhì)的溶解度參數(shù)可通過文獻(xiàn)查閱、基團(tuán)貢獻(xiàn)計(jì)算法和液體熱力學(xué)關(guān)系式計(jì)算。而礦物油為混合物，很難查到或者估算它的溶解度參數(shù)。文獻(xiàn)提供了一種溶解度參數(shù)的估算法：稱量10～20滴液體，然后計(jì)算每滴液體的平均質(zhì)量；另取2種已知溶解度參數(shù)的非揮發(fā)性液體作為參照，通過做圖大致計(jì)算出液體的溶解度參數(shù)。實(shí)驗(yàn)需保持恒溫。分別通過內(nèi)徑為0.916 mm的10 mL移液管和內(nèi)徑為0.705 mm的巴斯德移液管移取液滴，得到兩條溶解度參數(shù)與液滴質(zhì)量的關(guān)系曲線。內(nèi)聚能對液滴質(zhì)量的影響見圖1。由圖1可見，液滴的質(zhì)量與液體溶解度參數(shù)成線性關(guān)系。該估算方法可用來計(jì)算混合液體的溶解度參數(shù)，適用于礦物潤滑油溶解度參數(shù)的計(jì)算。雖然估算方法過于粗糙，但為估算礦物油等復(fù)雜混合物的溶解度參數(shù)提供了思路。文獻(xiàn)介紹了液滴的大小與液體表面張力有關(guān)。由此可見，溶解度參數(shù)與表面張力存在一定的關(guān)系。

圖1內(nèi)聚能對液滴質(zhì)量的影響

1.2.3利用表面張力估算溶解度參數(shù)

液體表面張力是作用于液體表面，使液體表面積縮小的力，實(shí)質(zhì)為表面層分子受到的內(nèi)聚力與其他物質(zhì)分子作用力的不均衡而產(chǎn)生的力差，取決于液體表面分子受液體自身內(nèi)聚力與界面接觸另一物質(zhì)分子之間作用力的差。當(dāng)液體與空氣接觸時(shí)，由于液體分子間作用力遠(yuǎn)大于與空氣接觸的作用力，所以空氣的氣體分子對液體的作用力可以忽略不計(jì)。因此，表面張力就是分子內(nèi)聚力的函數(shù)。由溶解度參數(shù)公式可得出，溶解度參數(shù)與分子內(nèi)聚力的冪指數(shù)成正比，與摩爾體積冪指數(shù)成反比。通過表面張力產(chǎn)生的機(jī)理分析，表面張力可寫為分子內(nèi)聚力的冪指數(shù)函數(shù)的形式。于是，可得到用表面張力和摩爾體積來表示的溶解度參數(shù)的表達(dá)式，見式（2）：

式中，γ為表面張力，mN/m；x，y，z為指數(shù)常數(shù)；A和B為常數(shù)。

當(dāng)表面張力為零時(shí)，溶解度參數(shù)也為零；當(dāng)摩爾體積無限大時(shí)，溶解度參數(shù)同樣為零。所以，推斷公式中的常數(shù)項(xiàng)B為零。對式（2）進(jìn)行數(shù)學(xué)方法整理得式（3）：

只要通過已知化合物計(jì)算出式（3）中的x，y，z，A，就可通過測定表面張力和摩爾體積計(jì)算出混合物質(zhì)的溶解度參數(shù)。由于混合物的摩爾體積無法直接測出，可通過測定密度和估算平均摩爾質(zhì)量的方法進(jìn)行計(jì)算，見式（4）：

式中，M為摩爾質(zhì)量，kg/mol；ρ為密度，kg/m3。

礦物油主要由烴類組成，包括環(huán)烷烴、石蠟烴和芳香烴，其他雜質(zhì)含量極少，可忽略不計(jì)。由礦物油的組成看，均屬于弱極性鍵，所以選取了11種含弱極性鍵的有機(jī)溶劑作為標(biāo)準(zhǔn)試樣，用來求解公式中的常量和驗(yàn)證擬合公式計(jì)算值和真實(shí)值的吻合度。

常用溶劑的理化性質(zhì)見表2。

表2常用溶劑的理化性質(zhì)

將表2中的數(shù)據(jù)帶入式（3），得到x，y，z，A的近似解：x≈2.326，y≈1.002，z≈0.333 3，A≈1.412。由此得到由表面張力估算的溶解度參數(shù)表達(dá)式，見式（5）：

表面張力估算法測定29種常見低芳淺色礦物油的溶解度參數(shù)——實(shí)驗(yàn)部分

表面張力估算法測定29種常見低芳淺色礦物油的溶解度參數(shù)——結(jié)果與討論、結(jié)論