不同類型PMA黏度指數改進劑溶解性能的研究

張雪濤，張孟佳，高顯振

(中國石油大連潤滑油研究開發中心，遼寧 大連 116032)

0 引言

為了適應發動機技術的發展和日趨苛刻的排放法規，國際潤滑劑標準化及認證委員會(ILSAC)推出了最新的發動機油規格GF-6，從2020年5月1日開始進行首批認證[1]。與GF-5規格[2-3]相比，GF-6規格對綜合燃油經濟性、高溫抗氧化性和中低溫清凈分散性的要求更加嚴格[4]。提高燃油經濟性，除了改進發動機的設計外，改善發動機摩擦副間的潤滑狀態也是一種行之有效的方法[5-7]。

黏度指數改進劑(簡稱黏指劑)是一類可以改善潤滑油黏溫性能的添加劑[8]，常用的黏指劑有氫化苯乙烯雙烯共聚物(簡稱HSD)、烯烴共聚物(簡稱OCP)、聚異丁烯(簡稱PIB)以及聚甲基丙烯酸酯(簡稱PMA)等[9-10]。與其他三種黏度指數改進劑相比，PMA具有更好的低溫性能和黏度指數提高能力，有利于提高油品的燃油經濟性[11]。尤其是梳狀PMA，其特殊的結構使其在高溫時充分伸展，保持一定的高溫高剪切黏度(HTHSV)，而在低溫時梳狀PMA發生萎縮、塌陷，使得油品的中低溫(燃油經濟性測試溫度區間)黏度較低，可以更有效地提高油品的燃油經濟性[12-17]。

為了發揮梳狀PMA的性能，應使其充分溶解在油品中，而梳狀PMA特殊的結構導致其溶解行為與常規PMA明顯不同。關于PMA溶解行為的研究還未見文獻報道，本文選擇目前應用比較廣泛的2種梳狀PMA和1種常規PMA為研究對象，利用旋轉流變儀研究了其溶解性能。

1 實驗部分

1.1 基礎油及黏度指數改進劑

試驗選用的基礎油如表1所示。

表1 基礎油

表1(續)

試驗選用的聚甲基丙烯酸酯黏度指數改進劑如表2所示。

表2 黏度指數改進劑樣品信息

1.2 流變試驗

流變試驗采用Anton Paar公司的MCR301旋轉流變儀，示意圖見圖1。轉子采用平行板，平行板的直徑為D，平行板與樣品臺間的距離為d，樣品量視所選夾具及d值而定。

圖1 旋轉流變儀

1.3 溶解試驗

黏度指數改進劑的溶解性能考察在150 mL燒杯中進行，將PMA按照10%的比例加入到所選基礎油中，開啟磁力攪拌，攪拌速度設為600 r/min，升溫至30 ℃，攪拌20 min后取樣進行黏溫性能的測試，隨后按照10 ℃/次的增幅提高溶解溫度，攪拌20 min后取樣進行黏溫性能的測試。黏溫性能的測試采用PP50/TG-SN24870平行板，D=50 mm，d=0.098 mm，樣品量為0.1 mL，剪切速率為50 s-1，溫度掃描范圍為-20～120 ℃。

2 結果與討論

2.1 黏度指數改進劑的黏溫特性

黏度指數改進劑黏溫特性的測試采用PP25/TG-SN23584平行板，D=25 mm，d=0.5 mm，樣品量為0.5 mL，剪切速率為50 s-1，溫度掃描范圍為0～150 ℃。3個樣品(信息見表2)的黏溫曲線如圖2所示。

圖2 PMA黏度指數改進劑的黏溫曲線

對于一般的高分子溶液，其黏度通常隨著溫度呈下降趨勢，如圖2中的傳統PMA。當溫度升高到50 ℃時，黏度有少許升高，隨后繼續保持下降趨勢。而對于梳狀PMA，特殊的結構導致其黏溫曲線表現出特異性，即在一定的溫度范圍內出現一個黏度的峰值：對于Comb-PMA-1，從50～80 ℃范圍內，黏度隨著溫度的升高而升高到一個峰值，隨后隨著溫度的升高黏度呈下降趨勢；Comb-PMA-2有同樣的黏溫特性，只是其發生黏度特異變化的溫度區間為55～90 ℃。正是因為這種特殊的黏溫性能，梳狀PMA對于提高油品的黏度指數有著卓越的表現。

2.2 黏度指數改進劑的溶解性能

2.2.1 梳狀PMA(Comb-PMA-1)在不同基礎油中的溶解性能

圖3為梳狀PMA(Comb-PMA-1)在不同基礎油中的黏溫曲線，其中圖(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)和(Ⅴ)分別對應著Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類基礎油。由圖可見，Comb-PMA-1在不同調合溫度下的黏溫曲線基本是重合的，說明Comb-PMA-1在30 ℃下攪拌20 min后就已經充分溶解。另外，可以看出Comb-PMA-1對所選的Ⅰ～Ⅳ類基礎油的低溫黏度幾乎沒有負面影響，說明其可以很好地改善Ⅰ～Ⅳ類基礎油的黏度指數。但是，在所選的Ⅴ類基礎油中，添加Comb-PMA-1后其低溫黏度也出現了明顯的上升，說明Comb-PMA-1提高Ⅴ類基礎油黏度指數的作用不大。值得注意的是，在圖3(Ⅰ)中，當調合溫度升高到80 ℃時，油品的黏度有少許升高，說明此溫度下Comb-PMA-1得到了充分的伸展，這有利于提高油品的黏度指數。有研究者認為，在一般的調合工藝中，調合溫度通常在60 ℃左右，并不會觸發梳狀PMA的充分伸展，從而限制其在提升黏度指數上的特殊作用。這種觀念是片面的，因為很多實際工況的溫度會超過80 ℃，所以即使調合的時候沒有觸發，在使用的時候也會觸發梳狀PMA的充分伸展，當然，對于一些溫度達不到80 ℃的工況，是否采用梳狀PMA，需要進一步探討。

圖3 梳狀PMA(Comb-PMA-1)在不同基礎油中的黏溫曲線(分別對應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類油)

2.2.2 梳狀PMA(Comb-PMA-2)在基礎油中的溶解性能

圖4為梳狀PMA(Comb-PMA-2)在不同調合溫度下的黏溫曲線。由圖4可知，不同調合溫度下Comb-PMA-2的黏溫曲線基本是重合的，但是在低溫區域的黏溫曲線還是表現出了較大的差異。圖5列出了幾個典型溫度下的黏度，可以看出，40 ℃和100 ℃的黏度基本不隨調合溫度發生變化，但是-20 ℃的黏度隨著調合溫度的升高呈明顯的下降趨勢。以上結果說明，即使在較低的調合溫度下，Comb-PMA-2也得到了較為充分的溶解，但是溶解狀態還是存在一定的差別的，這體現在低溫黏度的差異上。

圖4 梳狀PMA(Comb-PMA-2)在不同調合溫度下的黏溫曲線

圖5 梳狀PMA(Comb-PMA-2)在不同調合溫度下的典型黏度

2.2.3 傳統PMA(Traditional PMA)在基礎油中的溶解性能

圖6為傳統PMA(Traditional PMA)在不同調合溫度下的黏溫曲線，由圖6可知，Traditional PMA在不同的基礎油中的溶解性能有較大的差異。在150N或者Yubase 6中，調合溫度對溶解性能影響較為顯著，隨著調合溫度的升高，Traditional PMA的黏溫曲線整體向上平移，當調合溫度達到50 ℃后，Traditional PMA的黏溫曲線基本重合。這說明，調合溫度超過50 ℃時，Traditional PMA在150N或者Yubase 6中才能夠完全溶解。上述現象在Priolube 2720中并未發現，在Priolube 2720中，Traditional PMA的黏溫曲線基本是重合的，這說明在較低溫度下，Traditional PMA就可以完全溶解在Priolube 2720中。

圖6 傳統PMA(Traditional PMA)在不同調合溫度下的黏溫曲線

3 結論

利用旋轉流變儀研究了2個梳狀PMA和1個傳統PMA在各類基礎油中的溶解性能。結果表明：

(1)2個梳狀聚甲基丙烯酸酯黏度指數改進劑的溶解性能非常優異，但是對于一些使用工況溫度始終較低的場合，需要提高調合溫度才能充分發揮梳狀PMA的特性；

(2)傳統PMA的溶解性能略遜色于梳狀PMA，但無需額外提高調合溫度即可完全溶解。

(3)在其他條件相似的情況下：梳狀PMA的流體力學體積更小，運動更加自由，溶解性更好；基礎油的結構與組成與PMA越接近，溶解性越好；PMA的分子量越小，溶解性越好。