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涨知识|黏度指数改进剂对润滑油性能的影响

2022(第七届)中国润滑油技术创新及行业发展论坛
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摘要:为了提高润滑油的黏度指数和黏温特性,改善润滑油的低温起动性能和高温黏度保持性能,通常在润滑油中添加黏度指数改进剂(简称黏指剂)以获得高低温性能优良、适用温度和地区范围更广的多级润滑油。
黏度指数改进剂对润滑油性能的影响
为了提高润滑油黏度指数和黏温特性,改善润滑油的低温起动性能和高温黏度保持性能,通常在润滑油中添加黏度指数改进剂(简称黏指剂)以获得高低温性能优良、适用温度和地区范围更广的多级润滑油。
 
黏度指数改进剂是一种油溶性的链状高分子聚合物,其作用机理是在低温时黏度指数改进剂分子链卷曲收缩,流体力学体积和表面积变小,对润滑油的内摩擦影响减小,相应地对润滑油的稠化能力也降低;在高温时黏度指数改进剂分子链膨胀,流体力学体积和表面积增大,对润滑油的内摩擦影响显著增加,相应地对润滑油的稠化能力也提高,因此黏度指数改进剂能大幅提升润滑油的黏度指数,即添加了黏度指数改进剂的润滑油具有更低的低温黏度和更高的高温黏度,适用的温度范围更广。
 
1、主要类型
目前市场主流的黏度指数改进剂主要有聚异丁烯(PIB)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙烯丙烯共聚物(OCP)和氢化苯乙烯双烯共聚物(HSD)四大类。
 
2、性能要求
衡量黏度指数改进剂性能的指标主要有稠化能力、低温性能、剪切安定性和热氧化安定性四个方面。这四个方面的指标越好,黏度指数改进剂的综合性能就越优异,但是这些性能很难兼顾,尤其是稠化能力和剪切安定性这一对矛盾很难平衡。
 
到目前为止,各方面性能均为优异的黏度指数改进剂尚待开发,相对来说HSD型黏度指数改进剂的性能比较全面和均衡。
 
2.1 稠化能力
黏度指数改进剂的稠化能力(以D值表示)是黏度指数改进剂对油品黏度的贡献值,D值越大,黏度指数改进剂的稠化能力越强。在150SN基础油中加入1.0%的黏度指数改进剂,溶解后测定100℃运动黏度,减去基础油的100℃运动黏度得到的增加值即为黏度指数改进剂的稠化能力。
 
比黏度(以ηsp表示)也可用于衡量黏度指数改进剂的稠化能力,见式(1):ηsp=(η-η0)/η0 (1)
 
式(1)中,η0为基础油的黏度,η为含有黏度指数改进剂的基础油的黏度。ηsp越大,表示黏度指数改进剂的稠化能力越强。ηsp与温度、黏度指数改进剂的含量及基础油黏度都有关系,并不是黏度指数改进剂固有的常数,因此在比较不同黏度指数改进剂的ηsp时必须采用相同的基准。
 
2.2 低温性能
黏度指数改进剂对润滑油低温性能的影响主要通过低温动力黏度(CCS)和低温泵送黏度(MRV)来表征。CCS主要反映润滑油的低温起动性能,CCS 数值越小,润滑油在低温下越容易启动;MRV主要反映润滑油的低温泵送性能,MRV数值越小,润滑油在低温下越容易泵送至润滑部位。低温性能好的黏度指数改进剂对润滑油的CCS和MRV的负面影响较小。
 
2.3 剪切安定性
黏度指数改进剂作为一种高分子聚合物,在受到剪切力作用时分子链会发生断裂,导致其稠化能力下降。添加了剪切安定性差的黏度指数改进剂的多级润滑油在使用过程中,因受到油泵、活塞等机械部件的剪切作用,黏度会明显下降,造成异常磨损,机油消耗和燃油稀释也会加剧。
 
剪切安定性是衡量黏度指数改进剂性能优劣的重要指标之一,主要采用柴油喷嘴法,超声波法或L-38单缸法对黏度指数改进剂的剪切安定性进行评定评价,以剪切安定性指数(SSI)来表征黏度指数改进剂的剪切安定性的优劣,SSI数值越小,黏度指数改进剂的剪切安定性越好,见式(2):SSI=(V1-V2)/(V1-V0) (2)
 
式(2)中,V1为剪切前100℃运动黏度,V2为剪切后100℃运动黏度,V0为基础油100℃运动黏度。
 
2.4 热氧化安定性
黏度指数改进剂属于高分子聚合物,一般会在100℃左右开始发生热氧化降解,降解产生大量的低分子化合物,同时部分低分子化合物也会发生缩聚反应,产生分子质量更高的高分子化合物。黏度指数改进剂热氧化降解产生的自由基也会加速基础油的氧化,使多级润滑油的黏度先下降,然后急剧上升。
 
黏度指数改进剂的热氧化安定性的评定方法主要有曲轴箱模拟试验法,旋转氧弹法和L-38单缸法等。
 
3、不同黏度指数改进剂的性能及应用
常用的聚异丁烯(PIB)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙烯丙烯共聚物(OCP)和氢化苯乙烯双烯共聚物(HSD)黏度指数改进剂的稠化能力,低温性能,剪切安定性和热氧化安定性的对比见表1。
从表1的比较中可以看到,聚异丁烯(PIB)黏度指数改进剂的具有良好的剪切安定性和热氧化安定性,但是其稠化能力和低温性能较差,不适合调配跨度较大和黏度级别较低的多级内燃机油,一般用于调配多级齿轮油、液压油、绝缘油和金属加工油,低分子质量的PIB多用于调配二冲程发动机油。
 
聚甲基丙烯酸酯(PMA)黏度指数改进剂的低温性能和热氧化安定性优异,剪切安定性也不错(尤其是新型梳状PMA黏度指数改进剂的SSI能达到5%以内的优秀水平),但是其稠化能力较差,达到相同的黏度级别需要添加的量更多,导致对润滑油的清净性影响较大。聚甲基丙烯酸酯(PMA)黏度指数改进剂的成本较高,因此其多用于调配高档润滑油,如低黏度级别的多级汽油机油,自动变速箱油,超低温液压油等,不适合单独用于调配对清净性要求很高的多级柴油机油。
 
乙烯丙烯共聚物(OCP)黏度指数改进剂具有良好的综合性能,且其原料丰富易得、生产工艺简单,因此价格也有很大的优势。良好的综合性能和突出的性价比使乙烯丙烯共聚物(OCP)黏度指数改进剂成为目前使用最多的黏度指数改进剂,其销售量占所有黏度指数改进剂的60%以上。乙烯丙烯共聚物(OCP)黏度指数改进剂主要用于多级发动机油,特别适用于调配柴油机油。但因其低温性能一般,在调配低黏度级别的多级油时需与酯型降凝剂复配使用。
 
氢化苯乙烯双烯共聚物(HSD)黏度指数改进剂具有特殊的星状结构或嵌段结构,分子质量分布较窄,因此稠化能力和剪切安定性比较均衡,在具有较高稠化能力的同时也具有优良的剪切安定性。氢化苯乙烯双烯共聚物(HSD)黏度指数改进剂的低温性能也很突出,特别适用于调配高端多级汽油机油,也可用于调配多级柴油机油。
 
4、结束语
目前主流的聚异丁烯(PIB)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙烯丙烯共聚物(OCP)和氢化苯乙烯双烯共聚物(HSD)黏度指数改进剂各具独特的性能特征,相应地适用于不同的多级润滑油。随着发动机技术的不断进步,环保排放及燃油经济性法规的日益严苛,与之配套的多级发动机油不断升级换代,对多级发动机油添加剂的性能也提出了更高的要求。黏度指数改进剂作为一种非常重要的添加剂,正朝着开发综合性能优异的新型黏度指数改进剂和在现有黏度指数改进剂基础上应用分子设计技术定向合成多功能黏度指数改进剂的方向发展。
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