黏度指數改進劑對油品性能的影響

楊雨富，孫聚華，車 浩，吳成美，鄭 翔，李國香，祖國臣，鄒向陽,毛逸群，楊志寶

黏度指數改進劑(VII)通常是一種油溶性高分子化合物，是制備多級內燃機油、液壓油、自動傳動液和齒輪油的主要添加劑之一[1-4]。其功能主要是改善油品黏溫性能，使油品獲得較好的低溫啟動性能和高溫潤滑能力，降低燃料和潤滑油的消耗，減少發動機磨損，提升潤滑油檔次，延長潤滑油使用壽命，實現油品的通用化。2017年我國潤滑油需求量已經突破600萬t，各類黏度指數改進劑的需求量約為6萬t[5-8]，而在諸多的黏度指數改進劑產品中，乙烯-丙烯共聚物(OCP)黏度指數改進劑由于成本低，綜合性能好，是用量最大的一類，銷售量已占整個黏度指數改進劑的60%以上，且銷售量持續上升[10-11]。中國石油吉林石化公司自主開發的二元乙丙共聚物系列產品，在潤滑油中得到了廣泛的應用。

本文從聚合物組成、相對分子質量及其分布、序列結構等方面對比分析了J-0010與L-7067的微觀結構；并且對兩種黏度指數改進劑在潤滑油中的增稠能力、剪切穩定指數(SSI)、低溫動力黏度、低溫泵送黏度和高溫清凈性等使用性能進行了考察，全面描述了兩種黏度指數改進劑J-0010和L-7067對油品性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

基礎油：150N，臺塑石化股份有限公司，其物性參數如表1所示；二元乙丙橡膠：J-0010，中國石油吉林石化公司；二元乙丙橡膠：L-7067，美國路博潤公司。

表1 基礎油物性參數

1.2 儀器及設備

運動黏度測定儀：DSY-104，大連石油儀器有限公司；凝膠滲透色譜儀：Waters 5151，美國Waters公司；高分辨率核磁共振光譜儀：AVANCE 400M，德國BRUKER公司；剪切穩定性測定儀：BOSCH 2122，德國BOSCH公司；低溫動力黏度測定儀：CCS-2100LT，美國CANNON公司；低溫泵送黏度測定儀：CMRV-4000，美國CANNON公司；高溫高剪切黏度測定儀：MODEL TBS 2100E，美國TANNAS公司；板式成焦器：L-1，蘭州維科石化設備儀器公司；熱管試驗機：NIKKO HT-201，日本NIKKO 公司；高溫氧化沉積物測定儀：TEOST/33C，美國TANNAS公司；傾點測定儀：MC 852，德國Herzog公司。

1.3 分析測試

運動黏度按照GB/T 265—1988進行測定；傾點按照GB/T 3535—2006進行測定；低溫動力黏度按照GB/T 6538—2010進行測定；剪切穩定性按照SH/T 0103—2007進行測定；高溫高剪切黏度按照SH/T 0703—2007進行測定；低溫泵送黏度按照NB/SH/T 0562—2013進行測定；高溫沉積物按照SH/T 0750—2005進行測定。

2 結果與討論

2.1 黏度指數改進劑相對分子質量及其分布的表征

相對分子質量及其分布對黏度指數改進劑的增稠能力及剪切穩定性有較大影響，相對分子質量越大稠化能力越高，但抗剪切性能越差；相對分子質量分布越寬，黏度指數改進劑中相對分子質量的差異越大，抗剪切性能也越差。

采用凝膠滲透色譜法(GPC)對兩種黏度指數改進劑的相對分子質量及其分布進行了表征，結果如表2及圖1所示。

表2 相對分子質量及其分布

t/min圖1 GPC譜圖

從表2和圖1可以看出，黏度指數改進劑J-0010與L-7067的相對分子質量及其分布接近。

2.2 黏度指數改進劑序列結構的表征

序列結構主要表征共聚物中結構單元的排列順序。采用13C-NMR對樣品序列結構進行表征，結果如圖2及表3所示。

表3 序列結構的表征1)

1) P、E為一元序列；PP、PE、EE、PP*為二元序列；PPP、EEE、PEE、EPE、PEP、PPE為三元序列。

δ×106圖2 13C-NMR譜圖

從圖2可見，黏度指數改進劑J-0010與L-7067的峰譜基本一致。從表3可以看出，二者均是OCP。聚合物的組成變化影響聚合物的結晶性，一般認為在乙丙共聚物中，當乙烯摩爾分數超過70%的情況下，就會產生結晶，影響溶解性能。J-0010與L-7067的乙烯含量稍有區別，但均在非結晶態范圍內，為無定型聚合物，溶解性能相當。

2.3 黏度指數改進劑在基礎油中對使用性能的影響

稠化能力、黏度指數、剪切穩定指數和低溫黏度是評價黏度指數改進劑性能的四個重要指標，一個好的黏度指數改進劑一般要求具有較高的稠化能力與黏度指數和較低的剪切穩定性與低溫動力黏度[12-15]。

2.3.1 黏度指數改進劑對稠化能力的影響

稠化能力是黏度指數改進劑的一個很重要的指標。黏度指數改進劑的稠化能力越大，加量越小，多級油的成本也就越低。稠化能力大小主要與干膠相對分子質量大小及其在基礎油中的形態有關。對于同一類型的化合物，其相對分子質量越大，對應的稠化能力則越強。不同的黏度指數改進劑對產品稠化能力和黏度指數的影響如表4所示。

表4 黏度指數改進劑對稠化能力和黏度指數的影響

從表4可以看出，黏度指數改進劑J-0010與L-7067對稠化能力和黏度指數的影響一致。

2.3.2 黏度指數改進劑對低溫性能的影響

低溫動力黏度是多級油在低溫、高剪切速率條件下所測得的內摩擦力大小的量度。黏度指數改進劑在使用過程中，會對多級油的低溫性能產生一定影響，表示多級油低溫性能的指標主要有低溫啟動性和低溫泵送性。通常，低溫黏度越小，發動機越易啟動。不同黏度指數改進劑對低溫性能的影響見表5。

表5 黏度指數改進劑對低溫性能的影響

從表5可以看出，黏度指數改進劑J-0010與L-7067對低溫性能影響基本一致。

2.3.3 黏度指數改進劑對剪切穩定指數的影響

剪切穩定指數直接關系到多級油黏度的穩定性和使用壽命。對于剪切穩定性差的黏度指數改進劑，由于加入油中的高分子化合物在剪切應力作用下主鏈斷裂，使黏度下降，不能保持原有的黏度級別，將導致對磨損和油耗不利的影響。剪切穩定性大小與黏度指數改進劑的相對分子質量及其分布和高聚物在溶液中的流體力學相關。一般而言，相對分子質量越大及其分布越寬，剪切穩定性越差。反之，高聚物相對分子質量越小，剪切穩定性越好，其大小用式(1)表示：

SSI=(Vi-Vf)/(Vi-V0)×100%

(1)

式中：SSI為剪切穩定指數；Vi為油品剪切前100 ℃時的黏度，mm2/s；Vf為油品剪切后100 ℃時的黏度，mm2/s；V0為基礎油100 ℃時的黏度，mm2/s。

不同的黏度指數改進劑對剪切穩定性影響結果見表6。

從表6可以看出，黏度指數改進劑J-0010與L-7067對剪切穩定指數的影響基本相同。

表6 黏度指數改進劑對剪切穩定性的影響

2.3.4 黏度指數改進劑對清凈性的影響

黏度指數改進劑對油品的高溫清凈性能有較大影響，采用板式成焦器法、熱管氧化法和熱氧化模擬法，對比考察了黏度指數改進劑對柴油機油清凈性的影響，結果見表7。

表7 黏度指數改進劑對清凈性能的影響

從表7可以看出，兩種黏度指數改進劑的加入在用熱氧化模擬法、板式成焦器、熱管氧化法評定中，數值基本處于一個水平，對清凈性的影響相當。

2.4 黏度指數改進劑在油品配方中的使用性能

將兩種黏度指數改進劑在CH-4 10W-40柴油機油中進行低溫性能、高溫性能和剪切穩定性能的評價，結果見表8。

表8 CH-410W-40柴油機油分析評價結果

由表8可見，黏度指數改進劑J-0010與L-7067的運動黏度、低溫性能、高溫高剪切黏度及剪切穩定性等基本相當，對油品的高溫清凈性和抗氧化性能的影響基本處于同一水平，能夠滿足潤滑油的使用要求。

3 結 論

(1) 黏度指數改進劑J-0010與L-7067的組成、相對分子質量及其分布基本相同。

(2) 黏度指數改進劑J-0010與L-7067對稠化能力、黏度指數、低溫動力黏度、剪切穩定性、高溫清凈性的影響基本相當。

(3) 黏度指數改進劑J-0010與L-7067對CH-4 10W-40柴油機油油品性能的影響基本一致。

參 考 文 獻：

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