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    漲知識|黏度指數改進劑對潤滑油性能的影響

    2022(第七屆)中國潤滑油技術創新及行業發展論壇
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    摘要:為了提高潤滑油的黏度指數和黏溫特性,改善潤滑油的低溫起動性能和高溫黏度保持性能,通常在潤滑油中添加黏度指數改進劑(簡稱黏指劑)以獲得高低溫性能優良、適用溫度和地區范圍更廣的多級潤滑油。
    黏度指數改進劑對潤滑油性能的影響
    為了提高潤滑油黏度指數和黏溫特性,改善潤滑油的低溫起動性能和高溫黏度保持性能,通常在潤滑油中添加黏度指數改進劑(簡稱黏指劑)以獲得高低溫性能優良、適用溫度和地區范圍更廣的多級潤滑油。
     
    黏度指數改進劑是一種油溶性的鏈狀高分子聚合物,其作用機理是在低溫時黏度指數改進劑分子鏈卷曲收縮,流體力學體積和表面積變小,對潤滑油的內摩擦影響減小,相應地對潤滑油的稠化能力也降低;在高溫時黏度指數改進劑分子鏈膨脹,流體力學體積和表面積增大,對潤滑油的內摩擦影響顯著增加,相應地對潤滑油的稠化能力也提高,因此黏度指數改進劑能大幅提升潤滑油的黏度指數,即添加了黏度指數改進劑的潤滑油具有更低的低溫黏度和更高的高溫黏度,適用的溫度范圍更廣。
     
    1、主要類型
    目前市場主流的黏度指數改進劑主要有聚異丁烯(PIB)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙烯丙烯共聚物(OCP)和氫化苯乙烯雙烯共聚物(HSD)四大類。
     
    2、性能要求
    衡量黏度指數改進劑性能的指標主要有稠化能力、低溫性能、剪切安定性和熱氧化安定性四個方面。這四個方面的指標越好,黏度指數改進劑的綜合性能就越優異,但是這些性能很難兼顧,尤其是稠化能力和剪切安定性這一對矛盾很難平衡。
     
    到目前為止,各方面性能均為優異的黏度指數改進劑尚待開發,相對來說HSD型黏度指數改進劑的性能比較全面和均衡。
     
    2.1 稠化能力
    黏度指數改進劑的稠化能力(以D值表示)是黏度指數改進劑對油品黏度的貢獻值,D值越大,黏度指數改進劑的稠化能力越強。在150SN基礎油中加入1.0%的黏度指數改進劑,溶解后測定100℃運動黏度,減去基礎油的100℃運動黏度得到的增加值即為黏度指數改進劑的稠化能力。
     
    比黏度(以ηsp表示)也可用于衡量黏度指數改進劑的稠化能力,見式(1):ηsp=(η-η0)/η0 (1)
     
    式(1)中,η0為基礎油的黏度,η為含有黏度指數改進劑的基礎油的黏度。ηsp越大,表示黏度指數改進劑的稠化能力越強。ηsp與溫度、黏度指數改進劑的含量及基礎油黏度都有關系,并不是黏度指數改進劑固有的常數,因此在比較不同黏度指數改進劑的ηsp時必須采用相同的基準。
     
    2.2 低溫性能
    黏度指數改進劑對潤滑油低溫性能的影響主要通過低溫動力黏度(CCS)和低溫泵送黏度(MRV)來表征。CCS主要反映潤滑油的低溫起動性能,CCS 數值越小,潤滑油在低溫下越容易啟動;MRV主要反映潤滑油的低溫泵送性能,MRV數值越小,潤滑油在低溫下越容易泵送至潤滑部位。低溫性能好的黏度指數改進劑對潤滑油的CCS和MRV的負面影響較小。
     
    2.3 剪切安定性
    黏度指數改進劑作為一種高分子聚合物,在受到剪切力作用時分子鏈會發生斷裂,導致其稠化能力下降。添加了剪切安定性差的黏度指數改進劑的多級潤滑油在使用過程中,因受到油泵、活塞等機械部件的剪切作用,黏度會明顯下降,造成異常磨損,機油消耗和燃油稀釋也會加劇。
     
    剪切安定性是衡量黏度指數改進劑性能優劣的重要指標之一,主要采用柴油噴嘴法,超聲波法或L-38單缸法對黏度指數改進劑的剪切安定性進行評定評價,以剪切安定性指數(SSI)來表征黏度指數改進劑的剪切安定性的優劣,SSI數值越小,黏度指數改進劑的剪切安定性越好,見式(2):SSI=(V1-V2)/(V1-V0) (2)
     
    式(2)中,V1為剪切前100℃運動黏度,V2為剪切后100℃運動黏度,V0為基礎油100℃運動黏度。
     
    2.4 熱氧化安定性
    黏度指數改進劑屬于高分子聚合物,一般會在100℃左右開始發生熱氧化降解,降解產生大量的低分子化合物,同時部分低分子化合物也會發生縮聚反應,產生分子質量更高的高分子化合物。黏度指數改進劑熱氧化降解產生的自由基也會加速基礎油的氧化,使多級潤滑油的黏度先下降,然后急劇上升。
     
    黏度指數改進劑的熱氧化安定性的評定方法主要有曲軸箱模擬試驗法,旋轉氧彈法和L-38單缸法等。
     
    3、不同黏度指數改進劑的性能及應用
    常用的聚異丁烯(PIB)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙烯丙烯共聚物(OCP)和氫化苯乙烯雙烯共聚物(HSD)黏度指數改進劑的稠化能力,低溫性能,剪切安定性和熱氧化安定性的對比見表1。
    從表1的比較中可以看到,聚異丁烯(PIB)黏度指數改進劑的具有良好的剪切安定性和熱氧化安定性,但是其稠化能力和低溫性能較差,不適合調配跨度較大和黏度級別較低的多級內燃機油,一般用于調配多級齒輪油、液壓油、絕緣油和金屬加工油,低分子質量的PIB多用于調配二沖程發動機油。
     
    聚甲基丙烯酸酯(PMA)黏度指數改進劑的低溫性能和熱氧化安定性優異,剪切安定性也不錯(尤其是新型梳狀PMA黏度指數改進劑的SSI能達到5%以內的優秀水平),但是其稠化能力較差,達到相同的黏度級別需要添加的量更多,導致對潤滑油的清凈性影響較大。聚甲基丙烯酸酯(PMA)黏度指數改進劑的成本較高,因此其多用于調配高檔潤滑油,如低黏度級別的多級汽油機油,自動變速箱油,超低溫液壓油等,不適合單獨用于調配對清凈性要求很高的多級柴油機油。
     
    乙烯丙烯共聚物(OCP)黏度指數改進劑具有良好的綜合性能,且其原料豐富易得、生產工藝簡單,因此價格也有很大的優勢。良好的綜合性能和突出的性價比使乙烯丙烯共聚物(OCP)黏度指數改進劑成為目前使用最多的黏度指數改進劑,其銷售量占所有黏度指數改進劑的60%以上。乙烯丙烯共聚物(OCP)黏度指數改進劑主要用于多級發動機油,特別適用于調配柴油機油。但因其低溫性能一般,在調配低黏度級別的多級油時需與酯型降凝劑復配使用。
     
    氫化苯乙烯雙烯共聚物(HSD)黏度指數改進劑具有特殊的星狀結構或嵌段結構,分子質量分布較窄,因此稠化能力和剪切安定性比較均衡,在具有較高稠化能力的同時也具有優良的剪切安定性。氫化苯乙烯雙烯共聚物(HSD)黏度指數改進劑的低溫性能也很突出,特別適用于調配高端多級汽油機油,也可用于調配多級柴油機油。
     
    4、結束語
    目前主流的聚異丁烯(PIB)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙烯丙烯共聚物(OCP)和氫化苯乙烯雙烯共聚物(HSD)黏度指數改進劑各具獨特的性能特征,相應地適用于不同的多級潤滑油。隨著發動機技術的不斷進步,環保排放及燃油經濟性法規的日益嚴苛,與之配套的多級發動機油不斷升級換代,對多級發動機油添加劑的性能也提出了更高的要求。黏度指數改進劑作為一種非常重要的添加劑,正朝著開發綜合性能優異的新型黏度指數改進劑和在現有黏度指數改進劑基礎上應用分子設計技術定向合成多功能黏度指數改進劑的方向發展。
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