超高黏度茂金屬PAO在75W-90車輛齒輪油中的應用

劉青才 劉中文

上海納克潤滑技術有限公司

國家標準GB 13895—2018《重負荷車輛齒輪油（GL-5）》于2018年7月13日正式發布，將于2019年2月1日正式實施，代替1992版標準。經過25年的發展，用戶對車輛齒輪油提出了更高的要求，如燃油經濟性、更長的換油周期等。車輛齒輪油的使用需求和環境已經發生了巨大的變化。

目前，中國車輛齒輪油市場中，75W-90級別油品的市場份額不足5%，而歐美地區的75W-90齒輪油的市場份額達35%。汽車傳動系用油對燃油經濟性的貢獻率在0.5%～2%，國外研究顯示，使用75W-90齒輪油在不同的路況下燃油經濟性較80W-90齒輪油提升1.3%～4.55%[1]。隨著燃油經濟性的要求不斷提高，75W-90齒輪油具有較大的市場發展潛力。

與1992版本標準相比，新版國標出現了幾個重要的變化，特別是在KRL剪切安定性（20 h）項目上，要求油品的剪切后100 ℃運動黏度需要保持在同一黏度級別內，因此對齒輪油的剪切穩定性提出了更高的要求。在新國標實施后，潤滑油企業將需要采用剪切穩定性好的車輛齒輪油配方以滿足國標要求。茂金屬PAO具有好的剪切穩定性，可用于車用齒輪油中，以滿足剪切穩定性的要求。

茂金屬PAO簡介

茂金屬催化劑通常是以環戊二烯（或其同系物）為配體的IVB族過渡金屬（如Ti、Zr、Hf)有機配合物。茂金屬一詞源于英文“Metallocene”，該詞由字頭“Metal(金屬）lo(化）”和詞尾“cene(烯烴）”組合而成。與傳統的Ziegler-Natta催化劑相比，茂金屬催化劑體系具有催化活性高、結構可控等特點。

茂金屬催化體系的聚合方式，普遍都接受的茂金屬體系催化的聚合反應，進行是在中心缺電子的陽離子單活性中心上重復的配位插入。茂金屬PAO的反應機理見圖1。

大量試驗證明，在烯烴聚合反應中主要發生的是1,2-插入，發生概率約為2,1-插入的100～1 000倍[2]，產品形成特定的梳狀結構。這種獨特的梳狀結構改善了聚合物的流變特性，從而具有更好的低溫性能和更高的黏度指數。與傳統的PAO相比，較少的側鏈使茂金屬PAO具有更高的剪切穩定性和更窄的相對分子質量分布。傳統PAO與茂金屬PAO分子結構對比見圖2。

2010年，ExxonMobil率先推出使用茂金屬催化劑合成的新一代聚α烯烴產品茂金屬PAO，隨后其他公司也相繼開發了各自的茂金屬PAO產品。 目前，世界上主要生產茂金屬PAO的 是ExxonMobil、Ineos、CPChem等 3家公司。相較于其他傳統PAO，茂金屬PAO具有突出的性能優勢，在黏度指數、低溫流動性、EHL油膜強度、剪切穩定性、抗泡性等多方面具有好的性能表現[3]，可協助配方工程師提升工業油和車用油的耐久性。國內近年來大量開展此方面的研究工作，取得一些突破性的進展[4]。上海納克基于自有專利技術，生產出超高黏度茂金屬PAO-NacoFlow V600（以下簡稱NacoFlow V600），于2017年正式推向市場。全球高黏度茂金屬PAO產能分布見表1。

表1 全球高黏度茂金屬PAO產能分布

超高黏度茂金屬PAO的性能特點

相較于其他傳統的高黏度基礎油，NacoFlow V600除了具有普通茂金屬PAO的性能優勢外，還能為配方工程師提供更高的調合效率和性能。其典型數據見表2。

黏溫性能和低溫性能

NacoFlow V600與其他高黏度基礎油性能對比見表3。

由表3可見，NacoFlow V600與同等黏度的聚異丁烯、Lucant HC600相比，在黏度指數和低溫性能方面具有更好的優勢；與傳統聚α烯烴cPAO200相比，雖然黏度提高很多，但低溫性能相當。

剪切穩定性

測定剪切安定性的方法很多，有超聲波剪切法、柴油噴嘴剪切法、KRL剪切法、FZG齒輪機剪切法。這些方法最終都是測定油品的黏度下降率。

表2 NacoFlow V600典型數據

圓錐滾子軸承試驗（KRL Tapered Roller Bearing Test）是目前全球范圍內比較流行的一種檢測法，普遍認為它的要求最為嚴格，與現實使用中的潤滑油抗剪切工況聯系最為緊密。該試驗是將油品用于軸承，使軸承在有負載壓力的條件下連續運行20 h，記錄試驗前后的潤滑油黏度，計算其黏度損失率。

茂金屬PAO的剪切穩定性非常出色，在最為苛刻的KRL剪切穩定性測試中表現出非常小的剪切損失，試驗結果見圖3。

為進一步驗證超高黏度茂金屬PAO NacoFlow V600的剪切穩定性，我們選取了2款市售商業化PAMA型黏度指數改進劑進行對比，將它們以相同比例加入6cSt基礎油(APIⅢ類油)中，測定KRL剪切穩定性，結果見表4。

從表4可以看出，NacoFlow V600具有非常好的剪切穩定性，遠優于相對分子質量接近的PAMA型黏度指數改進劑，試驗前后100℃運動黏度變化率不大于4%，永久剪切穩定性指數 PSSI不大于7。

稠化性能

NacoFlow V600具有高的黏度和黏度指數，具有更高的稠化性能。NacoFlow V600與市售商業化PAMA型黏度指數改進劑及傳統聚α烯烴cPAO200的稠化性能對比見圖4。

表3 超高黏度茂金屬PAO-NacoFlow V600與其他高黏度基礎油性能對比

超高黏度茂金屬PAO的應用

傳統的75W-90車輛齒輪油配方中，由于苛刻的低溫布氏黏度要求，使得車輛齒輪油配方需要采用剪切穩定性好的黏度指數改進劑或使用全合成基礎油。因成本的關系，一般采用PAMA型黏度指數改進劑來稠化低黏度基礎油，以滿足油品的高低溫性能。而黏度指數改進劑的剪切穩定性與增稠能力是相矛盾的，剪切穩定性好，相對分子質量越小，則增稠能力小[5]，而相對分子質量越大，增稠能力越強，但剪切性能越差。

為保證車輛齒輪油的抗剪切性能滿足要求，采用PAMA型黏度指數改進劑可將油品初始黏度調得較高，以確保剪切后的黏度能繼續保持在黏度要求范圍內，但這會使得滿足低溫布氏黏度要求較為困難，并帶來能耗的增加。另一方面，相對分子質量較小的PAMA型黏度指數改進劑的稠化性能較低，需要更高的加劑量才能滿足油品的黏度要求，造成配方的成本壓力。因此，剪切穩定性更好、稠化性能更高的NacoFlow V600可以成為改進車輛齒輪油剪切穩定性的不錯選擇。NacoFlow V600與市售商業化PAMA型黏度指數改進劑在75W-90車輛齒輪油中的剪切穩定性對比見表5。

表4 NacoFlow V600與PAMA型黏度指數改進劑剪切穩定性對比

由表5可以看出，在滿足油品低溫性能的前提下，NacoFLow V600的KRL剪切變化率僅為5%，遠低于PAMA型黏度指數改進劑的KRL剪切變化率，在較小的黏度下也能滿足剪切穩定性的要求，符合油品低黏度化帶來燃油經濟性提升的發展趨勢。

表5 不同黏度指數改進劑在75W-90車輛齒輪油中的剪切穩定性對比

結束語

超高黏度茂金屬PAO的相對分子質量分布非常窄，具有優異的高低溫性能、高的黏度指數以及非常好的剪切穩定性。其應用于75W-90車輛齒輪油中，可完全替代傳統的PAMA型黏度指數改進劑，產品的KRL剪切變化率小，能完全滿足新國標對車輛齒輪油剪切性能的要求。

茂金屬PAO比傳統PAO具有更多的性能優勢，是一類優異的潤滑油基礎油，可滿足許多潤滑油的苛刻應用，將是未來高級基礎油的發展方向。