Gmelina arborea种子油两步酯交换法制备生物润滑剂的动力学特性与性能表征研究

本研究针对传统石油基润滑剂不可再生、污染环境等问题，以非食用性Gmelina arborea种子油为原料，通过两步酯交换法（甲醇酯化+三羟甲基丙烷TMP转酯化）成功制备生物润滑剂，最高转化率达91.7%，符合ISO VG32/VG46标准。该研究首次揭示了反应遵循二级动力学（速率常数0.001 wt/wt/min，活化能6.84 kJ/mol），其氧化稳定性（7.72小时）满足EN 14214标准，为热带地区生物润滑剂开发提供了新策略。

　　

在环保需求与化石燃料危机的双重压力下，润滑剂行业正面临严峻挑战。全球每年约50%的矿物油基润滑剂直接进入环境，其不可降解性和毒性对土壤、水体造成持久危害。更棘手的是，随着电动汽车产业爆发（预计2030年润滑剂需求达4000万吨），传统以大豆、棕榈等食用植物油为原料的生物润滑剂方案又陷入"与人争粮"的伦理困境。

为此，尼日利亚的研究团队将目光投向热带地区广泛种植却长期被忽视的Gmelina arborea树种。这种兼具木材生产功能的植物，其种子含油量高达53-55%，远超麻风树（30-60%）和蓖麻（35-55%），且不含麻风树中的有毒佛波酯成分。研究人员在《Sustainable Chemistry for the Environment》发表论文，首次系统研究了该原料制备生物润滑剂的动力学特性与性能表现。

研究采用溶剂提取获得种子油后，通过关键的两步酯交换技术：先用甲醇在60°C下酯化1小时制取生物柴油（FAME），再与三羟甲基丙烷（TMP）在160°C、4:1摩尔比条件下反应2小时。通过NDJ-5S旋转粘度计、闭杯闪点测试仪等设备测定理化性能，结合FTIR和GC-MS分析分子结构，并建立动力学模型计算反应参数。

3.1 生物润滑剂生产
优化后的工艺在120分钟内实现91.7%转化率，与麻风树（91%）、菜籽油（90.9%）相当，但低于蓖麻油（98%）。反应时间超过97.5分钟后转化率趋于平稳，显示反应平衡特征。均相催化剂KOH的选用虽存在后续纯化需求，但保证了反应效率。

3.2 生物润滑剂表征
性能测试显示突破性优势：

• 粘度特性：40°C时47.6 cSt、100°C时8.3 cSt，完全覆盖ISO VG32（>28.8 cSt）和VG46（>41.4 cSt）标准，接近VG68（>61.4 cSt）要求
• 闪点高达298.7°C，远超矿物油标准（VG68仅需226°C）
• 倾点-18.2°C优于商用VG68标准（-6°C），适合低温环境
• 氧化稳定性7.72小时，超过EN 14214规定的6小时门槛

FTIR谱图证实了酯基（1747 cm^-1
）和羟基（3725-3530 cm^-1
）特征峰，GC-MS则鉴定出83.65%的三酯成分，包括关键组分2-乙基-2-[[(1-氧代十八烷基)氧基]甲基]丙烷-1,3-二基二硬脂酸酯（C₆₀
H₁₁₆
O₆
）。

3.3 动力学研究
通过阿伦尼乌斯方程拟合，确定反应符合二级动力学（R²
=0.9955），速率常数随温度升高而增大（100°C时0.0007→160°C时0.001 wt/wt/min）。6.84 kJ/mol的活化能显著低于棕榈油基润滑剂（140.58 kJ/mol），表明反应能垒较低。

这项研究不仅证实Gmelina arborea油作为生物润滑剂原料的可行性，更揭示了其独特的性能优势：高闪点和低倾点的组合解决了生物润滑剂在极端温度下的应用瓶颈。特别是其原料可种植于非耕地，避免了与粮食作物的竞争，为热带地区提供了可持续的产业方案。未来研究需关注规模化生产的经济性，以及通过添加剂优化进一步提升粘度特性，以满足更高标准的工业需求。