三種常見黏度指數(shù)改進(jìn)劑的性能評(píng)價(jià)

王慶瑞 孟祥云 徐敏 王麗雙 崔曉瑩 葉鋒

1 浙江丹弗中綠科技股份有限公司潤(rùn)滑技術(shù)中心

2 天津南大蓖麻工程科技有限公司

選擇市場(chǎng)上常見的3種黏度指數(shù)改進(jìn)劑VII A（HSD）、VII B（OCP）、VII C（PMA），對(duì)其在基礎(chǔ)油PAO6中的稠化能力、剪切穩(wěn)定性、低溫動(dòng)力黏度和高溫高剪切黏度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為合理選擇黏度指數(shù)改進(jìn)劑提供依據(jù)。

混合動(dòng)力車輛上的發(fā)動(dòng)機(jī)在較低油溫、低轉(zhuǎn)速、高負(fù)載條件下更頻繁地工作運(yùn)行，要求發(fā)動(dòng)機(jī)油具有較高的黏度指數(shù)，以確保在低溫下降低黏度以減少摩擦，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)保持足夠的高溫黏度以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。黏度指數(shù)改進(jìn)劑（VII）作為發(fā)動(dòng)機(jī)油中用量較大的重要添加劑，可以顯著提高油品的黏度指數(shù)，改善油品的黏溫性能，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少磨損[1]。

VII通常是油溶性高分子聚合物，種類較多，在多級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)油中常用的3種VII是氫化苯乙烯異戊二烯共聚物（HSD）、乙烯丙烯共聚物（OCP）及聚甲基丙烯酸酯共聚物（PMA）。HSD具有較好的剪切穩(wěn)定性和低溫稠化能力，價(jià)格適中，適用于對(duì)低溫要求較高的中高端發(fā)動(dòng)機(jī)油。OCP稠化能力強(qiáng)、剪切穩(wěn)定性好、原料豐富、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，較適用于中低端內(nèi)燃機(jī)油[2]。PMA可以很好地提高油品的黏度指數(shù)，但其價(jià)位較高，適用于對(duì)節(jié)能要求較高的高端發(fā)動(dòng)機(jī)油[3]。

車輛電氣化、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的革新、燃油經(jīng)濟(jì)性的苛刻要求及對(duì)長(zhǎng)換油期的追求，使得人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油的性能要求也越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)VII提出了更高的要求，具體體現(xiàn)在稠化能力、剪切性能、低溫動(dòng)力黏度及高溫高剪切黏度等4個(gè)方面。雖然有人對(duì)以上性能進(jìn)行了部分研究，但仍須加強(qiáng)對(duì)VII關(guān)鍵性數(shù)據(jù)的考察，例如，剪切穩(wěn)定性指數(shù)（SSI）隨循環(huán)剪切次數(shù)的變化；油品的低溫動(dòng)力黏度、高溫高剪切黏度（HTHS）分別與100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的對(duì)應(yīng)關(guān)系[4～6]。因PAO6具有高低溫性能優(yōu)異、成分較礦物油簡(jiǎn)單、對(duì)VII性能測(cè)試數(shù)據(jù)不利影響小的優(yōu)點(diǎn)，本文以其為基礎(chǔ)油，考察了市場(chǎng)上常見的3種VII（HSD、OCP、PMA各一種）的稠化能力、剪切穩(wěn)定性、低溫動(dòng)力黏度和高溫高剪切黏度，為選擇合適的VII提供參考依據(jù)。

試驗(yàn)部分

原料及試劑

試驗(yàn)基礎(chǔ)油采用某品牌PAO6，為聚α烯烴全合成基礎(chǔ)油，100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為5.826 mm2/s。

3種常見VII分別為VII A（SV261）、VII B（T615）、VII C（VISCOPLEX 3-510），主要理化指標(biāo)見表1。

表1 3種常見VII的主要理化指標(biāo)

試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用的主要試驗(yàn)方法：

◇GB/T 265 《石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定法和動(dòng)力黏度計(jì)算法》；

◇GB/T 6538 《發(fā)動(dòng)機(jī)油表觀黏度測(cè)定法（冷啟動(dòng)模擬機(jī)法）》；

◇SH/T 0103 《含聚合物油剪切安定性的測(cè)定 柴油噴嘴法》；

◇SH/T 0703 《潤(rùn)滑油在高溫高剪切速率條件下表觀黏度測(cè)定法（多重毛細(xì)管黏度計(jì)法）》。

結(jié)果與討論

稠化能力

稠化能力是指加入VII后，油品黏度提升大小的度量。稠化能力越大，要達(dá)到相同黏度，VII的加入量就會(huì)越小。VII的類型、相對(duì)分子質(zhì)量大小及分布都會(huì)對(duì)油品的稠化能力產(chǎn)生影響。一般相對(duì)分子質(zhì)量越大，內(nèi)摩擦力越大，稠化能力越強(qiáng)；相對(duì)分子質(zhì)量分布越寬，稠化能力越弱，反之亦然[7]。

VII稠化能力的度量VA可按式（1）計(jì)算[8]：

式中：

V0-基礎(chǔ)油100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s；

V-含VII油品的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s；

C-VII的加劑量，%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

將3種VII分別以10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的加劑量（內(nèi)加法）加入PAO6基礎(chǔ)油中，測(cè)定試樣的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度并計(jì)算VII的稠化能力，結(jié)果見圖1。

從 圖1可 以 看 出，VII A、VII B、VII C的VA值 分 別 為11.73、13.74、11.18，而VII B、VII A、VII C自身100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度值分別為2 048 mm2/s、1 600 mm2/s、1 250 mm2/s，黏度依次減小，與其稠化能力趨勢(shì)相符。其中，VII B的稠化能力最強(qiáng)，從化學(xué)結(jié)構(gòu)上分析，可能與其碳原子基本在主鏈上有關(guān)[9]。

圖1 3種VII的稠化能力對(duì)比

剪切穩(wěn)定性

剪切穩(wěn)定性作為VII的一項(xiàng)重要使用性能，對(duì)多級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)油使用過(guò)程中的黏度保持至關(guān)重要。剪切穩(wěn)定性差的VII在使用過(guò)程中黏度易于下降，對(duì)車輛磨損、機(jī)油消耗等使用性能影響很大[5]。VII的相對(duì)分子質(zhì)量大小、相對(duì)分子質(zhì)量分布及聚合物結(jié)構(gòu)都影響剪切穩(wěn)定性。一般來(lái)講，同一類型VII的相對(duì)分子質(zhì)量越大，剪切穩(wěn)定性就越差[10]。剪切穩(wěn)定性可采用剪切穩(wěn)定性指數(shù)SSI來(lái)衡量，按式（2）計(jì)算：V0-基礎(chǔ)油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s；

VU-剪切前試樣的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s；

VS-剪切后試樣的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s。

將3種VII分別以10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的加劑量（內(nèi)加法）加入PAO6基礎(chǔ)油中調(diào)成試樣，按SH/T 0103要求進(jìn)行30次、60次、90次、120次的循環(huán)剪切，對(duì)剪切前和剪切后試樣的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算出SSI，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，3種VII的SSI均隨著循環(huán)剪切次數(shù)的增加而逐步增長(zhǎng)，這是因?yàn)閂II受到剪切，分子鏈斷裂導(dǎo)致黏度下降。VII A的SSI與循環(huán)剪切次數(shù)呈線性關(guān)系，這可能與其星狀聚合物分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，每次剪切后分子鏈斷鏈情況基本一致。VII B和VII C的SSI隨著循環(huán)剪切次數(shù)的增加上升趨勢(shì)逐漸變緩，這可能與其長(zhǎng)鏈狀分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，長(zhǎng)鏈更易斷裂，每次剪切后分子鏈斷鏈程度減緩。

圖2 試樣在不同循環(huán)剪切次數(shù)下的SSI

低溫動(dòng)力黏度

低溫動(dòng)力黏度是多級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)油低溫性能的一項(xiàng)重要測(cè)試指標(biāo)。VII的低溫增稠能力越低，低溫動(dòng)力黏度越小，則油品的低溫啟動(dòng)性能越好。良好的低溫啟動(dòng)性可使發(fā)動(dòng)機(jī)油快速到達(dá)潤(rùn)滑部件，確保發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)[7]。不同分子結(jié)構(gòu)的VII對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油的低溫動(dòng)力黏度影響不同。

將3種VII分別加入到PAO6基礎(chǔ)油中，將試樣100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度調(diào)整 到6.9 mm2/s、9.3 mm2/s、12.5 mm2/s、16.3 mm2/s（誤 差 范 圍 為±0.1 mm2/s），具體加劑量見表2；然后測(cè)定試樣－35 ℃低溫動(dòng)力黏度。試樣在不同運(yùn)動(dòng)黏度值下的低溫動(dòng)力黏度曲線及線性回歸方程見圖3。

表2 3種常見VII的具體加劑量

從圖3可以看出，隨著100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的增加，試樣－35 ℃低溫動(dòng)力黏度也在增加。試樣100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度相同時(shí)，其低溫動(dòng)力黏度大小為：VII A＜VII B＜VII C，說(shuō)明VII A對(duì)試樣-35 ℃低溫動(dòng)力黏度影響最小，可能是因?yàn)槠湓诘蜏貢r(shí)能夠形成膠束，且線團(tuán)較小[10]。線性回歸方程的R2均大于0.98，說(shuō)明-35 ℃低溫動(dòng)力黏度與100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的線性關(guān)系非常好。

圖3 試樣在不同運(yùn)動(dòng)黏度值下的低溫動(dòng)力黏度曲線及線性回歸方程

高溫高剪切黏度（HTHS）

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，尤其是渦輪增壓器軸承部位，機(jī)油須承受高達(dá)140～160 ℃的溫度和106/s高速率的剪切。若HTHS偏小，潤(rùn)滑油油膜強(qiáng)度低，將引起軸承故障。此外，有研究表明，HTHS與燃油經(jīng)濟(jì)性具有很好的相關(guān)性[11]。在發(fā)動(dòng)機(jī)油配方研究時(shí)，一般以100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為首要目標(biāo)值調(diào)整油樣配比，進(jìn)而評(píng)價(jià)包括HTHS在內(nèi)的其他理化指標(biāo)，如低溫動(dòng)力黏度、剪切安定性、傾點(diǎn)、閃點(diǎn)等。

測(cè)定了按照表2方案調(diào)配的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為6.9 mm2/s、9.3 mm2/s、12.5 mm2/s、16.3 mm2/s的試樣的HTHS。試樣在不同運(yùn)動(dòng)黏度值下的HTHS曲線及線性回歸方程見圖4。

圖4 試樣在不同運(yùn)動(dòng)黏度值下的HTHS曲線及線性回歸方程

從圖4可以看出，隨著100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的增加，試樣的HTHS也在增加。試樣100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度相同時(shí)，其HTHS的大小為：VII C＞VII B＞VII A。線性回歸方程的R2均大于0.98，說(shuō)明HTHS與100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的線性關(guān)系非常好。

結(jié)論

☆在PAO6基礎(chǔ)油中，本文所述3種VII的稠化能力與其自身100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度值大小趨勢(shì)一致。

☆通過(guò)對(duì)以PAO6為基礎(chǔ)油調(diào)配的試樣進(jìn)行循環(huán)剪切，分析結(jié)果表明，VII A的SSI與循環(huán)剪切次數(shù)呈線性關(guān)系，VII B和VII C的SSI隨著循環(huán)剪切次數(shù)的增加上升趨勢(shì)逐漸變緩。

☆以PAO6為基礎(chǔ)油調(diào)配的試樣，其低溫動(dòng)力黏度與100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度呈線性關(guān)系；100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度相同時(shí)，VII A的低溫動(dòng)力黏度最小，VII C的低溫動(dòng)力黏度最大。

☆以PAO6為基礎(chǔ)油調(diào)配的試樣，其高溫高剪切黏度與100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度呈線性關(guān)系；100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度相同時(shí)，VII C的高溫高剪切黏度最大，VII A的高溫高剪切黏度最小。