喷气燃料中芳烃体积分数大小是衡量喷气燃料质量优劣的一个重要指标。燃料中过高的芳烃体积分数不仅会导致燃料燃烧性能的降低，同时，由于芳烃与橡胶的配伍性较差，溶剂化作用还会引起高弹体的过度膨胀。因此，我国现行的国家标准GB 6537-2006《3号喷气燃料》对芳烃体积分数的要求是不大于20%。然而，美国最新颁布的ASTM D7566-2011a《含合成烃航空涡轮发动机燃料标准》对合成喷气燃料中芳烃体积分数不仅提出了上限要求，同时也提出了下限要求，要求其不小于8%。有研究表明，将费托合成工艺及酯类和脂肪酸加氢工艺生产的合成烃直接应用于飞机发动机将引起飞机发动机油箱密封胶体积的缩小[1-2]。这可能与费托合成工艺及酯类和脂肪酸加氢两种工艺生产的燃料中仅含有极少量的芳烃化合物有关。
由于我国喷气燃料生产工艺中大多都包含深度加氢工艺，因而，国产喷气燃料芳烃体积分数均较低。深度加氢虽然除去了燃料中的环烷酸和硫醇，提高了燃料的燃烧性能、热氧化稳定性及洁净度，但是深度加氢也除去了燃料中的芳烃化合物及天然抗氧剂，使得燃料易于被氧化。在温度较高时，燃料中的过氧化物将会快速增长，过氧化物对橡胶的强侵蚀作用将破坏橡胶分子的聚合链，使橡胶失去弹性、老化变形，引起橡胶密封圈失效[3]。目前，对飞机油箱漏油事故调查研究显示，使用加氢喷气燃料，特别是深度加氢喷气燃料，在燃料系统工作温度条件下，橡胶密封件容易丧失原有的物理性能，引发漏油事故。本文系统考查了航空喷气燃料中芳烃体积分数对飞机油箱聚硫及聚硫醚类型密封胶体积膨胀性能的影响，实验结果表明，针对特定的密封胶，燃料中过低的芳烃体积分数将导致油箱密封胶体积减小，造成飞机油箱漏油。
实验考查了锰固化聚硫密封胶、聚硫醚密封胶及轻质聚硫密封胶在喷气燃料中的体积膨胀性能。其中，锰固化聚硫密封胶PR 1440满足美国SAE-AMS-S-8802的材料规格和标准要求，聚硫醚密封胶PR 1826及PR 1828满足美国SAE-AMS-S-3277的材料规格和标准要求，而轻质聚硫密封胶PR 1776则满足美国SAE-AMS-S-3281的材料规格和标准要求。
不同密封胶的制备应根据不同密封胶的配方进行相应的称量配置操作。在制备混合胶料过程中还应注意避免因强烈搅拌而造成的气泡在混合胶料中形成。其后，将制备好的密封胶置于温度为25 ℃，湿度为50% RH的环境中，固化14天，使其肖氏硬度达到50A。试样制备好后，将其裁成50 mm×25 mm的小胶片以备密封胶膨胀性能测试。
实验测试的油样包括3种不同炼厂生产的加氢喷气燃料、标准参比油样以及芳烃体积分数分别为0%、4%、8%、12%的标准油样。其中，3种喷气燃料分别为加氢精制喷气燃料(喷气燃料-1)、深度加氢裂化喷气燃料(喷气燃料-2)及进口Jet A-1。标准参比油样的配置方法见表 1。不同芳烃体积分数的标准油样的配置则根据芳烃体积分数将预先混合好的石蜡烃混合液(D40:D80 = 1:1)及芳烃混合液(A100:A150:A200 = 3:6:1)按照体积比进行调配，同时加入相应的硫、硫醇、防冰剂及抗磨剂。
实验通过测试密封胶在油样中浸泡前后质量及体积的变化来确定密封胶在不同芳烃体积分数油样中的体积膨胀性能。实验进行前，分别称量密封胶样片在空气及蒸馏水中的质量M1、M2。称量完毕后，将样片浸入含100 mL油样的大试管中。大试管口装有带孔硅胶塞，硅胶塞上方接冷凝管，通过冷凝水循环可使样品浸泡过程中挥发的油品回流到试管中。实验过程中油样温度维持在93 ℃，样片总共浸泡28天。待浸泡实验结束，将密封胶试样放入丙酮中快速漂洗，清洗干净后，称其在空气中的质量M3及在蒸馏水中的质量M4。实验完全依照美国ASTM D 471《关于测定密封胶与油样的相容性的要求》进行，实验装置如图 1所示。
图 2为在93 ℃条件下，锰固化聚硫密封胶PR 1440 B-2在芳烃体积分数分别为0%、4%、8%、12%的标准油样中浸泡28天后的体积膨胀性能图。由图 2可知，随标准油样中芳烃体积分数的增加，密封胶的体积膨胀呈线性增加。当油样中芳烃体积分数低于8%时，PR 1440 B-2密封胶在浸泡28天后体积呈现缩小状态。例如，当标准油样中不含芳烃类化合物时，密封胶体积缩小了4.71%。该实验说明油料中芳烃体积分数对密封胶的膨胀性能有较大影响，当芳烃体积分数过低时会导致某类密封胶的收缩。
实验同样考查了不同芳烃体积分数的油样对不同密封胶体积膨胀性能的影响，结果如表 2所示，RJF代表芳烃体积分数为25%的标准参比油样。实验结果表明，随油料中芳烃体积分数的增加，不同类密封胶的体积膨胀率均会出现较大的增加。尽管不同密封胶的体积膨胀性均受到油料中芳烃体积分数大小的影响，然而，PR 1776 B-2、PR 1826 B-2及PR 1828 B-2在无芳烃油料中浸泡，其体积并不会如同PR 1440 B-2的收缩。这说明密封胶的体积膨胀能性不仅与油料中芳烃体积分数相关，而且与密封胶本身的性质、组成相关[4-5]。当密封胶的某种添加剂被萃取在燃料中, 能与燃料中的抗氧剂等添加剂或燃料组分产生正协同效应时，密封胶将会得到有效的膨胀。而当从密封胶中萃取的添加剂与燃料组分仅有较小的协同效应，或与燃料组分产生负协同效应时，密封胶将不能发生有效的膨胀，甚至出现体积的负增长。
实验同样研究了防冰剂二甘醇单甲醚、抗磨剂QPL-25017等燃料添加剂在不同芳烃体积分数的油样中对密封胶体积膨胀性能的影响。图 3对比了添加剂对PR 1776 B-2密封胶体积膨胀性能的影响。其中，实心三角形代表密封胶在不含添加剂的油样中浸泡的体积膨胀率，空心四边形代表密封胶在含添加剂的油样中浸泡的体积膨胀率。无论油料中是否添加了添加剂，随油料中芳烃体积分数的增加，密封胶的体积膨胀率增大。当在油料中添加了防冰剂、抗磨剂等燃料添加剂时，密封胶的体积膨胀率明显小于油料中未添加燃料添加剂时的体积膨胀率。这是因为在较高的浸泡温度下，在未含有添加剂的油料中过氧化物增长速度快。过氧化物及自由基对密封胶有强烈的侵蚀作用，能破坏密封胶分子的聚合链，使密封胶失去弹性、老化变形。因而，在相同的芳烃体积分数溶液中浸泡，其体积膨胀较大，拉伸强度较弱[6-7]。
采用不同工艺生产的喷气燃料其燃料组成具有较大的差异性，因而燃料与密封胶的相容性也不相同。例如，如果炼厂对喷气燃料采用了深度加氢工艺，其生产出的燃料中芳烃化合物的体积分数将明显低于采用一般加氢工艺制备的喷气燃料。这是由于深度加氢容易破坏燃料中所含有的芳烃类化合物，使其部分转化成为环状饱和链烃。本实验比较了4种不同密封胶与加氢精制喷气燃料(喷气燃料-1)、深度加氢裂化喷气燃料(喷气燃料-2)及进口Jet A-1喷气燃料的相容性，实验结果见表 3。其中，对三种喷气燃料芳烃组成分析表明，喷气燃料-1中芳烃体积分数为14.5%，喷气燃料-2中芳烃体积分数仅为2.1%，而进口喷气燃料芳烃体积分数为18.7%。由表 3可知，深度加氢裂化制备的喷气燃料-2与PR 1776、PR 1826、PR 1440三种密封胶的相容性较差，密封胶体积都出现了不同程度的缩小。这主要是因为密封胶的体积膨胀性能不但与油料组分的物理化学性质有关，还与密封胶材料与油料分子间的作用力相关。密封胶的膨胀性也满足通常所述的相似相容原理，即极性材料更容易溶解在极性溶剂中，非极性物质更容易溶解在非极性溶剂中。航空油料中的大部分正烷烃及支链烷烃为非极性分子，其本身是较差的供氢体，而油料中的烷基苯则是极性可变的材料，可作为弱供氢体。弹性体在油料中的体积膨胀性能随油料组成极性及供氢能力的增加而增加，因而当油料中芳烃体积分数增加时材料的溶胀性能增加。
喷气燃料中芳烃体积分数大小是影响喷气燃料质量好坏的一个重要指标。本文系统考查了航空喷气燃料中芳烃体积分数对飞机油箱聚硫及聚硫醚密封胶的体积膨胀性能的影响。实验结果表明，随油料中芳烃体积分数的增加，密封胶的体积膨胀率显著增大。锰固化聚硫密封胶在93 ℃条件下，在芳烃体积分数小于8%的喷气燃料中浸泡28天后会出现密封胶的收缩，而其他被测试的聚硫及聚硫醚密封胶均未出现收缩。由于深度加氢破坏了喷气燃料中所添加的抗氧化剂等添加剂，降低了芳烃在燃料中的体积分数，因而密封胶在深度加氢油样中浸泡同样出现了不同程度的收缩。
2012, Vol. 41 Issue (5): 491-494
2012, Vol. 41 Issue (5): 491-494