超高黏度茂金屬PAO在發動機油中的應用研究

張 可 鄂紅軍 陳釗鋒

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

本文對國內某公司生產的超高黏度茂金屬PAO進行了性能考察，并與一款市面上常用的HSD型黏指劑進行了比較；同時將超高黏度茂金屬PAO應用于SN 10W-30汽油機油中。試驗結果表明，超高黏度茂金屬PAO可以有效地提升油品的剪切穩定性能，具有在發動機油領域中應用的可行性。

聚α烯烴（Poly Alpha Olefin，英文縮寫為PAO）是最常用的合成基礎油之一，由于具有良好的黏溫性能、低溫流動性以及熱穩定性能，被廣泛應用于高檔和專用潤滑油的配制。作為全世界PAO生產的主要企業之一，埃克森美孚公司于2010年率先推出了使用單活性中心的茂金屬催化劑合成工藝生產的新一代高黏度PAO，并將這種新的PAO基礎油稱為茂金屬聚α烯烴（mPAO），從而與傳統的PAO區別開來。與傳統PAO相比，茂金屬PAO擁有更高的黏度指數以及更好的剪切穩定性能和低溫性能，可以為潤滑油成品提供更為出色的性能表現。近些年來，國內的PAO生產企業通過自主創新已逐步完善了PAO合成技術的研發并推出了相關產品，例如上海納克公司于2017年推出了采用茂金屬催化劑合成的超高黏度茂金屬PAO。劉青才、劉中文等采用上海納克公司生產的NacoFlow V600（100 ℃運動黏度600 mm2/s左右的超高黏度茂金屬PAO）成功應用于75W-90車輛齒輪油中，并完全替代了原配方中的PMA型黏指劑；通過試驗分析與對比發現，采用超高黏度PAO的油品比采用原PMA型黏指劑的油品具有更為出色的剪切穩定性能[1]。

本文對國內某公司生產的超高黏度茂金屬PAO1000（100℃運動黏度 1 000 mm2/s左右）進行了性能考察，并與一款市面上常用的HSD型黏指劑進行了對比；同時將超高黏度茂金屬PAO1000應用于SN 10W-30汽油機油中，探究了超高黏度茂金屬PAO在發動機油領域中應用的可行性。

試驗部分

試驗原料

本文試驗采用了國內某公司生產的超高黏度茂金屬PAO1000（以下稱為mPAO1000），產品的典型數據見表1；同時選取了一款市面上常用的HSD型黏指劑（以下稱為黏指劑A）作為考察mPAO1000性能特點的參照物。

超高黏度茂金屬PAO性能特點研究

增稠性能

在API III類基礎油中分別加入質量分數為5.0%、10.0%、15.0%的mPAO1000和黏指劑A，采用GB/T 265分別對純API III 類基礎油和上述混合油液進行100℃運動黏度的分析測試。

低溫性能

在API III類基礎油中分別加入質量分數為5.0%、10.0%、15.0%的mPAO1000和黏指劑A，采用GB/T 6538分別對純API III類基礎油和上述混合油液進行低溫動力黏度（-30 ℃）的分析測試。

剪切穩定性能

在API III類基礎油中分別加入質量分數為10.0%的mPAO1000和黏指劑A，采用SH/T 0103對純API III 類基礎油和上述混合油液進行柴油噴嘴（30循環）后的100 ℃運動黏度的分析測試。

超高黏度茂金屬PAO的應用研究

將mPAO1000應用于SN 10W-30汽油機油中，并完全替代原配方中的黏指劑A，然后對兩種成品油進行運動黏度、傾點等項目的理化分析。

結果與討論

超高黏度茂金屬PAO性能特點

增稠性能

增稠性能是評價黏指劑的重要指標之一，增稠性能的好壞直接決定了多級發動機油中黏指劑的加劑量。黏指劑的增稠性能較差說明其加劑量較大，一方面會增加配方的成本，另一方面過多的黏指劑會導致發動機油在工作過程中產生嚴重的積炭，導致發動機油整體的清凈性能變差。本小節分別對mPAO1000和黏指劑A的增稠性能進行了考察，試驗結果見表2和圖1。

表1 mPAO1000的典型數據

表2 mPAO1000和黏指劑A在API III類基礎油中的增稠性能

圖1 mPAO1000和黏指劑A在API III類基礎油中增稠性能的對比

從表2和圖1中可見，當在同一種基礎油中分別加入相同質量分數的mPAO1000和黏指劑A時，mPAO1000對油品的增稠效果要更為明顯；且隨著加劑量的增大，mPAO1000與黏指劑A對油品增稠效果的差距也隨之增大。綜上所述，與黏指劑A相比，mPAO1000的增稠性能要更好。

低溫性能

發動機油的低溫性能主要包括低溫動力性能、低溫泵送性能和傾點等方面。其中，發動機油的低溫動力性能主要模擬了發動機氣缸套與活塞部位冷啟動時的工況，因此油品的低溫動力黏度可以作為預測發動機在低溫條件下能否順利啟動的重要指標。對mPAO1000和黏指劑A的低溫動力性能進行了考察，試驗結果見表3和圖2。

從表3和圖2中可見，油品的低溫動力黏度（-30 ℃）隨著mPAO1000加劑量的增加而呈直線急劇上升；而當黏指劑A的加劑量在5.0%～15.0%時，油品的低溫黏度保持較為穩定，且遠遠低于100 ℃運動黏度相同且含有mPAO1000油品的低溫動力黏度。這說明，與黏指劑A相比，使用mPAO1000的發動機油在低溫動力性能上會具有一定的局限性。

剪切穩定性能

剪切穩定性能同樣是評價黏指劑的重要指標之一，主要是因為在發動機工作過程中，發動機油中的黏指劑等大分子化合物會受到發動機零部件間的高速剪切作用而導致其結構發生不可逆的損壞，最終會降低油品的黏度以及油品對發動機的潤滑保護作用。對mPAO1000和黏指劑A的剪切穩定性能進行了分析與對比，試驗結果見表4。

從表4中可見，與黏指劑A相比， mPAO1000的剪切穩定性能要更好。其主要原因是，與大相對分子質量（從幾萬到幾百萬）的傳統黏指劑相比，超高黏度茂金屬PAO的相對分子質量（幾萬左右）較低，且具有規整的梳狀分子結構，因此在受到高速剪切作用時，其分子的主鏈不易斷裂，從而提升了油品的剪切穩定性。

圖2 mPAO1000和黏指劑A在API III類基礎油中低溫性能的對比

表3 mPAO1000和黏指劑A在API III類基礎油中低溫性能

超高黏度茂金屬PAO的應用

將mPAO1000應 用 于SN 10W-30汽油機油中，并完全替代了原配方中的黏指劑A。通過對油品理化性質的分析與比較，考察了超高黏度茂金屬PAO在SN 10W-30汽油機油中的實際應用性能，詳細考察結果見表5。

從表5中數據可見，在與原配方油品100 ℃運動黏度基本相同的情況下，使用mPAO1000配制的SN 10W-30汽油機油的基本理化性能完全可以滿足API SN規范的指標要求。此外，從油品的高溫高剪切黏度和柴油噴嘴剪切損失兩個分析項目來看，使用mPAO1000的油品的性能表現均明顯優于使用黏指劑A的油品，說明mPAO1000可以有效提升發動機油的剪切穩定性能。

結論

超高黏度茂金屬PAO的相對分子質量分布較窄且具有規整的梳狀結構，因此具有良好的剪切穩定性能。其應用于SN 10W-30汽油機油中，可以完全替代傳統的HSD型黏指劑，同時可以有效提升油品的剪切穩定性能，使油品在高溫和高剪切的工作環境下對發動機提供更好和更持久的潤滑保護。綜合來看，超高黏度茂金屬PAO具有在發動機油領域中應用的可行性與相關的應用前景。

表4 mPAO1000和黏指劑A在III類基礎油中的剪切穩定性能

表5 mPAO1000在SN10W-30中的應用考察