国产mPAO150基础油在黏度指数改进剂方面的应用研究.pdf

ADDITIVE添加剂文章编号：10 0 29(2023)04-0027-08DOI2023.04.005Vo1.38,No.4Aug.2023LUBRICATINGOIL2023年8 月第38 卷第4期润滑油国产mPAO150基础油在黏度指数改进剂方面的应用研究揭斌华，邹小芸，梁启源，韦嘉茵（中国石化润滑油有限公司茂名分公司，广东茂名52 50 11）摘要：为推进黏度指数改进剂的国产化替代，进一步拓展mPAO基础油的应用领域，文章考察了国产mPAO150基础油作为黏度指数改进剂在0 W-20汽油机油、7 5W-90CL-5重负荷车辆齿轮油、L-HS46低温液压油等高端润滑油的应用可行性。试验结果表明：采用国产mPA0150基础油调制的0 W-20汽油机油、7 5W-90GL-5重负荷车辆齿轮油、L-HS46低温液压油理化性能均满足指标要求，与OCP、P MA、HS D 等常用的进口黏度指数改进剂相比，剪切安定性、抗结焦性能具有突出优势，可替代进口黏度指数改进剂。关键词：茂金属聚一烯烃；黏度指数改进剂；剪切安定性；汽油机油；车辆齿轮油；液压油中图分类号：TE624.82文献标识码：AApplied Research on Domestic mPAO150 Base Oil as A Viscosity Index ImproverJIE Bin-hua,ZOU Xiao-yun,LIANG Qi-yuan,WEI Jia-yin(Maoming Branch,Sinopec Lubricant Company,Maoming,Guangdong 525011,China)Abstract:To promote the replacement with viscosity index improvers made in China and further expand the application ofmPAO base oil,the application feasibility of domestic mPAO150 base oil as viscosity index improver in high-end lubricatingoils such as 0W-20 gasoline engine oil,75W-90 GL-5 heavy-duty vehicle gear oil and L-HS 46 low-temperature hy-draulic oil was investigated.The results show that the physical and chemical properties of oW-20 gasoline engine oil,75W-90 GL-5 heavy-duty vehicle gear oil and L-HS 46 low-temperature hydraulic oil formulated with domestic mPAO150base oil meet the required performance indicators.Compared with commonly used imported viscosity index improvers suchas OCP,PMA,and HSD,mPAO has outstanding advantages in shear stability and anti-coking property and can replaceimportedviscosityindex improver.Key words:metallocene poly-olefin;viscosity index improver;shear stability;gasoline engine oil;vehicle gear oil;hy-draulicoil0引言黏度指数改进剂是一种油溶性高分子聚合物，也是润滑油中使用量最大的添加剂之一，其主要作用是有效提高润滑油的黏度指数，从而改善油品的低温启动性能和高温黏度保持性能，以降低燃料油和润滑油的消耗，减少设备磨损，延长油品使用寿命，拓展油品的应用场合1。目前，常用的黏度指数改进剂有氢化苯乙烯异戊二烯共聚物（HSD）、乙烯丙烯共聚物（O CP）、聚甲基丙烯酸酯（PMA）和聚异丁烯（P IB)等 2 。由于不同的黏度指数改进剂性能差异较大，应用范围不尽相同。HSD具有优异的剪切稳定性、增稠能力和热稳定性，较好的低温性能，广泛应用于高档汽油机油中。OCP具有稠化能力强、剪切稳定性较好、原料来源丰富、价格低等优点，但其在小于-35的低温下易与蜡晶体相互作用，对低温泵送黏度和屈服应力产生不利影响，因此OCP常用于柴油机油以及中低档汽油机油中。PMA具有优异的低温ADDITIVE添加剂282023年第38 卷滑油润性能，可有效提高油品的黏度指数，但其稠化能力较差、价格较高，主要用于液压油、齿轮油以及对节能要求较高的高端内燃机油。PIB具有较好的剪切稳定性和热氧化安定性，但其低温性能差，不适用于内燃机油，主要用于齿轮油中 3。近年来，随着茂金属催化剂合成工艺的逐渐成熟，国内外先后推出了新一代高黏度茂金属催化的聚烯烃（mPAO）基础油，由于mPAO独特的梳状几何结构，没有直立的侧链，使其具有优异的剪切稳定性、高低温性能以及高黏度指数，主要用于合成齿轮油等高黏度工业润滑油中 4。同时，国内学者开展了mPAO基础油在更多领域的应用考察，张可等 5 采用mPA01000应用于SN10W-30汽油机油中，替代了HSD黏度指数改进剂，有效提升油品的剪切稳定性能；刘青才 6 等采用mPA0600成功应用于7 5W90车辆齿轮油中，替代了PMA黏度指数改进剂，产品的KRL剪切变化率更小，完全满足车辆齿轮油标准对剪切性能的要求。为进一步拓展mPAO基础油的应用领域,考察国产mPAO基础油作为黏度指数改进剂应用于高端润滑油的可行性，文章采用国产mPA0150基础油、4基础油作为原料，分别调配0 W-20汽油机油、7 5W-90GL-5重负荷车辆齿轮油、L-HS46超低温液压油，考察其低温性能、剪切稳定性等是否满足指标要求，并与常用进口黏度指数改进剂进行比对，用于指导进口黏度指数改进剂的国产化替代。1实实验部分1.1实验原料本实验所采用的原料见表1所示。表1主要原料原料名称生产厂家国产4基础油市售国产mPA0150基础油市售表1(续）原料名称生产厂家OCP黏度指数改进剂市售PMA黏度指数改进剂市售HSD黏度指数改进剂市售汽油机油复合剂市售车辆齿轮油复合剂市售液压油复合剂市售降凝剂市售1.2实验仪器本实验所采用的实验仪器如表2 所示。表2主要实验仪器仪器名称型号生产厂家低温动力黏度测定仪CCS-2100F美国CANNON公司自动运动黏度测定仪CAV-2100美国CANNON公司低温屈服应力和表观试CMRV-4500F美国CANNON公司验仪高温高剪切黏度试验仪HTHS-1F美国CANNON公司恒温磁力搅拌器S-1上海力辰仪器科技有限公司电子天平JA31002上海精天电子仪器有限公司含聚合物油剪切安定性JSH1802湖南津市市石油化工仪测定器器有限公司柴油喷嘴剪切安定性试PETROTEST德国Petrotest公司验仪布氏黏度测定仪DV-II+美国Brokefiled公司旋转氧弹试验仪DZY-028A大连智能仪器仪表有限公司四球试验机MS-10A济南辰达试验机制造有限公司1.3基础油的性能分析本实验所采用的基础油主要理化数据如表3所示。表3基础油的主要理化性能分析项目国产4基础油国产mPA0150基础油试验方法色度/号0.50.5GB/T 6540黏度指数125217GB/T 1995运动黏度/mm s-1GB/T 265ADDITIVE添加剂29第4期揭斌华等.国产mPA0150基础油在黏度指数改进剂方面的应用研究表3(续）分析项目国产4基础油国产mPA0150基础油试验方法1004.334158.44020.151578倾点/-18-36CB/T3535密度(2 0 )/kgm=3834.3842.5SH/T 0604闪点(开口)/228286GB/T3536酸值/mgKOH g-10.010.01GB/T 4945旋转氧弹（150）/min342435SH/T01931.4黏度指数改进剂的性能分析为考察国产mPAO基础油作为黏度指数改进剂应用于高端润滑油的可行性，本实验分别挑选了OCP、P MA、H S D 黏度指数改进剂作为比对，其中OCP母液为OCP稀胶与国产4基础油按1:0.5比例稀释而成,PMA母液为PMA纯剂与国产4基础油按1:0.5比例稀释而成，HSD母液为HSD稀胶与国产4基础油按1:0.5比例稀释而成，而mPAO黏度指数改进剂则直接采用mPA0150基础油。4种黏度指数改进剂的主要理化数据如表4所示。表44种黏度指数改进剂的理化性能分析项目OCP母液PMA母液HSD母液mPA0150试验方法色度/号0.50.50.50.5GB/T 6540运动黏度(10 0 )/mm s-1179.7139.2108.3158.4GB/T 265密度(2 0)/kgm=3863.8899.7838.2842.5SH/T06042实验结果与讨论2.1mPAO黏度指数改进剂在0 W-20汽油机油中的应用考察以国产4基础油，固定汽油机油复合剂加入量11.5%、降凝剂加入量0.6%，分别加人适量的OCP母液、PMA母液、HSD母液、mPAO150基础油调制0 W-20汽油机油，并控制0 W-20汽油机油100黏度在8.2 8.4mm/s范围内，同时对4种不同黏度指数改进剂调制的0 W-20汽油机油开展低温性能、凝胶指数、剪切安定性以及斜板成胶等试验。2.1.1低温性能低温性能作为汽油机油的非常关键的指标，GB11121汽油机油中用于评价汽油机油低温性能的主要指标是倾点、低温动力黏度、低温泵送黏度等。一般来说汽油机油的低温性能主要影响因素有基础油、降凝剂、黏度指数改进剂 7 ,因此,对4种不同黏度指数改进剂调制的0 W-20汽油机油低温性能开展分析评定，考察不同黏度指数改进剂对低温性能的影响，分析结果如表5所示。表50W-20汽油机油的低温性能分析项目指标值OCPPMAHSDmPAO试验方法密度(2 0)/kgm=3报告842.4845.1835.7839.2SH/T 0604运动黏度/mm.s-1GB/T 265100 6.99.38.3108.2218.3938.26740报告41.8731.8641.0840.63黏度指数报告171242187179GB/T 1995ADDITIVE添加剂302023年第38 卷滑油润表5(续）分析项目指标值OCPPMAHSDmPAO试验方法倾点/-40-46-49-46-46GB/T 3535低温动力黏度（-35）/mPas62005530387039605710GB/T 6538低温泵送黏度（-40，在无屈服应力时)/mPas6000018200157001650022100NB/SH/T0562从表5可知，不同黏度改进剂调制的0 W-20汽油机油在10 0 黏度相当的情况下，虽然它们的低温性能均满足指标要求，但低温性能分析数据不尽相同，倾点、低温动力黏度、低温泵送黏度的分析结果排序为：PMAHSDOCPmPAO HSD OCP,其中 OCP、H S D、mPAO黏度指数改进剂调制的0 W-20汽油机油的凝胶指数小于8,其中PMA黏调制的0 W-20汽油机油的凝胶指数小于12，这可能是黏度指数改进剂的结构不同，导致低温下油品黏度增长率以及最大凝胶活化能不同 10 O2.1.3剪切安定性剪切安定性是黏度指数改进剂的关键性能指标，由于黏度指数改进剂在剪切应力的作用下，使高分子聚合物断裂，油品的黏度下降，最终造成磨损及油耗增加等，因此CB11121汽油机油、ASTM汽油机油规格标准、ILSAC汽油机油规格标准中均要求0W-20汽油机油的高温高剪切黏度不小于2.6mPasASTMD6709运行10 h后10 0 运动黏度在6.9 9.3mm/s范围内。为考察不同黏度指数改进剂的剪切安定性，分别采用SH/T0703润滑油在高温高剪切速率条件下表观黏度测定法（多重毛细管黏度计法）对4种0 W-20汽油机油的高温高剪切黏度开展分析测试，分析结果见图2 所示；同时采用ASTMD6709程序VII发动机（CLR油试验发动机）中内燃机油的试验方法，对运转行10 h后10 0运动黏度及黏度变化进行测试，分析结果如表6所示。2.92.832.82.792.72.672.642.62.52.42.3OCPPMAHSDmPAO图20W-20汽油机油的高温高剪切黏度ADDITIVE添加剂31揭斌华等.国产mPA0150基础油在黏度指数改进剂方面的应用研究第4期表60W-20汽油机油的发动机剪切黏度分析项目指标值OCPPMAHSDmPAO运转前的运动黏度(10 0)/mms-16.99.38.3108.2218.3938.267运转10 h后的运动黏度(10 0）/mms-16.99.37.5947.8097.9868.246黏度变化/%8.6165.0124.8490.254从图2 不同黏度指数改进剂的高温高剪切黏度结果来看，高温高剪切黏度大小排序依次为：mPAOPMAHSDOCP,其中 mPAO调制的0W-20汽油机油高温高剪切黏度最大，为2.8 3mPas。从表6 不同黏度指数改进剂的发动机剪切安定性结果来看，剪切前后黏度变化率排序为:mPAOHSDPMAOCP,其中mPAO调制的0 W-20汽油机油发动机运转10 h后的运动黏度变化率最小，为0.2 54%，说明mPA0的剪切安定性远优于其他3种黏度指数改进剂，这可能是由于mPAO相对分子量较低，主链更短，且具有规整的梳状几何结构，可有效改善汽油机油的剪切安定性，使汽油机油在高温、高剪切的环境下提供更优异、更持久的润滑保护 52.1.4斜板成胶试验随着排放标准、发动机工况日益严苟，汽油机油的结焦问题也日益受到关注，同时ILSACCF-6等规格对汽油机油的高温抗氧化性能提出了更高的要求 1。汽油机油在使用过程中，因活塞、活塞环等局部高温氧化生成漆膜、结焦物，这些物质极易黏附在发动机的摩擦副表面，造成摩擦副的间隙变小，进而引发磨粒磨损等不良影响。为评价汽油机油的抗结焦性能，本文采用SH/T0300曲轴箱模拟试验方法（QZX法）来模拟汽油机油在高温下的成胶情况，考察4种0 W-20汽油机油的氧化安定性。在斜板成胶试验装置中，将2 50 mL油样倒入油池，待油温升至（150 2）后，再把打磨光滑的铝板加热至（310 2），开启电机搅拌持续6 h，试验结束后观察铝板情况及称重，铝板前后重量的增加值为胶重，分析结果如表7 所示。表70W-20汽油机油的成胶试验情况分析项目OCPPMAHSDmPAO斜板成胶试验图片胶重/mg171.7130.8125.325.2从表7 不同黏度指数改进剂调制0 W-20汽油机油的斜板成胶试验结果来看，mPAO的抗结焦性能最佳，试验后的铝板结焦面积最少，胶重也最少，这可能mPAO相对分子量较低，主链更短，其梳型结构、均匀分布的支链而具有更好的分散性和抗氧化性能 12 2.2mPAO黏度指数改进剂在7 5W-90车辆齿轮油中的应用考察随着汽车工业的迅速发展，重载运输车辆的载荷不断增加，致使变速箱、驱动桥的功率增大，齿轮接触应力、工作温度不断升高；同时，重载运输车辆设备结构的不断改进和车辆齿轮技术的ADDITIVE添加剂322023年第38 卷滑润油革新，车辆齿轮油的使用工况更加苛刻，对车辆齿轮油的剪切安定性、低温操作性等指标提出了更高的性能要求 13。为考察国产mPAO基础油作为黏度指数改进剂应用于7 5W-90GL-5重负荷车辆齿轮油的可行性，以国产4基础油，车辆齿轮油复合剂加人量5.0%、降凝剂加人量0.6%，分别加人适量的0 CP母液、mPA0150基础油制备7 5W-90GL-5重负荷车辆齿轮油，并控制齿轮油10 0 黏度在17.0 18.0 mm/s范围内，同时对2 种不同黏度指数改进剂调制的75W-90GL-5重负荷车辆齿轮油开展常规理化性能、剪切安定性等试验。2.2.1理化性能2种不同黏度指数改进剂调制的7 5W-90GL-5重负荷车辆齿轮油的常规理化性能见表8。表875W-90GL-5重负荷车辆齿轮油的理化性能分析项目指标值OCPmPAO试验方法外观报告透明透明目测运动黏度/mm.s-1GB/T 26540报告110.7107.610013.518.517.4117.28黏度指数报告173177GB/T 1995表观黏度(-40)/mPas不大于150 0 0 09458080180GB/T 11145密度(2 0 )/kgm=3报告847.1842.9SH/T 0604倾点/不高于-36-42-42GB/T 3535由表8 的分析结果可知，采用国产mPA0150调制的7 5W-90GL-5重负荷车辆齿轮油理化性能满足CB13895-2018重负荷车辆齿轮油（G L-5）指标要求 14，且与OCP黏度指数改进剂相比，其黏度指数、-40 低温表观黏度更具优势。2.2.2剪切安定性由于车辆齿轮油在工作过程中受到的剪切速率高达10 s=1，黏度指数改进剂在机械剪切作用下容易被剪断，致使油品黏度下降而影响正常润滑，因此，GB13895-2018要求车辆齿轮油在经过2 0 h的KRL剪切后，油品的10 0 黏度依然在黏度等级范围内 15。2 种7 5W-90CL-5重负荷车辆齿轮油按照NB/SH/T0845传动润滑剂黏度剪切安定性的测定圆锥滚子轴承试验机分别测定KRL剪切2 0 h后10 0 运动黏度及黏度变化，分析结果见表9。表975W-90GL-5重负荷车辆齿轮油的KRL剪切黏度分析项目指标值OCPmPAO剪切前的运动黏度（10 0）/mms-113.5 18.517.4117.28剪切2 0 h后运动黏度（10 0）/mms-113.518.515.3716.97黏度变化/%11.721.79由表9的分析结果可知，采用国产mPA0150调制的7 5W-90GL-5重负荷车辆齿轮油剪切黏度满足指标要求，KRL剪切后10 0 黏度变化为1.79%，远优于0 CP黏度指数改进剂，说明mPA0具有优异的剪切安定性。2.3mPAO黏度指数改进剂在L-HS46超低温液压油中的应用考察随着液压技术的发展，液压系统结构小型化，工作压力、功率、负荷不断提高，而液压油油箱却变小，致使液压油在液压系统中的循环频率增ADDITIVE添加剂33揭斌华等.国产mPA0150基础油在黏度进剂方面的应用研究第4期加、停留时间缩短、工作温度升高，因此要求液压油具有优异的抗氧化性能、剪切安定性、黏温性能以及更长的使用寿命等 16 。为考察国产mPAO基础油作为黏度指数改进剂应用于L-HS46超低温液压油的可行性，以国产4基础油，液压油复合剂加人量1.5%、降凝剂加入量0.6%，分别加人适量的PMA母液、mPA0150基础油制备L-HS46超低温液压油，同时对2 种不同黏度指数改进剂调制的L-HS46超低温液压油开展常规理化性能、剪切安定性等试验。2.3.1理化性能2种不同黏度指数改进剂调制的L-HS46超低温液压油的常规理化性能见表10。表10L-HS46超低温液压油的理化性能分析项目指标值PMAmPAO试验方法运动黏度/mm s-1GB/T 2654041.450.644.1542.05100报告8.2517.8600报告347.8335.0-18 150013971368黏度指数150164160GB/T 1995密度(2 0 )/kgm=3报告851.7839.6SH/T0604倾点/-39-45-45GB/T3535密封适应性指数1131GB/T 4945旋转氧弹(150)/min报告517579SH/T 0193磨斑直径(12 0 0 r/min,294N,60min,75)/m m报告0.450.38NB/SH/T0189由表10 的分析结果可知，采用国产mPA0150调制的L-HS46超低温液压油理化性能满足GB11118.1-2011液压油指标要求,且与0 CP黏度指数改进剂相比，其橡胶密封指数、旋转氧弹、磨斑直径更具优势。2.3.2剪切安定性为考察不同黏度指数改进剂的剪切安定性，2种L-HS46超低温液压油按照SH/T0103含聚合物油剪切安定性的测定柴油喷嘴法分别测定2 50次循环后的40 黏度及黏度变化，分析结果见表11。同时，按照NB/SH/T0505含聚合物油剪切安定性的测定超声波剪切法分别测定剪切10 min、20min、30 mi n 后的10 0 黏度及黏度变化，分析结果见表12。表11L-HS46超低温液压油的柴油喷嘴剪切黏度分析项目指标值PMAmPAO剪切前的运动黏度(40）/mms-113.5 18.544.1542.05250次循环后运动黏度（40）/mms-143.5041.96黏度变化/%不大于10.01.460.21表12L-HS46超低温液压油的超声波剪切黏度分析项目PMAmPAO剪切10 min后10 0 运动黏度变化/%0.450.14剪切2 0 min后10 0 运动黏度变化/%0.830.15剪切30 min后10 0 运动黏度变化/%1.040.17由表11柴油喷嘴剪切黏度分析结果可知，采用国产mPA0150调制的L-HS46超低温液压油剪切黏度满足指标要求，2 50 次循环剪切后40黏度变化为0.2 1%，远优于PMA黏度指数改进剂。同时，由表12 超声波剪切黏度分析结果ADDITIVE添加剂342023年第38 卷滑油润可知，国产mPA0150调制的L-HS46超低液压温油剪切10 min、2 0 mi n、30 mi n 后10 0 运动黏度变化率均保持比较小的水平，而PMA黏度指数改进剂剪切后的黏度变化随着剪切时间增加而增加，说明mPAO的剪切安定性远优于PMA黏度指数改进剂。3结论(1)采用国产mPA0150基础油调制的0 W-20汽油机油理化性能满足指标要求，与OCP、P MA、HSD等常用黏度指数改进剂相比，除低温动力黏度、低温泵送黏度略差外，剪切安定性、抗结焦性能具有突出优势。(2）采用国产mPA0150基础油调制的7 5W-90CL-5重负荷车辆齿轮油理化性能满足指标要求,与OCP黏度指数改进剂相比，黏度指数、-40 低温表观黏度更优，且KRL剪切安定性具有突出优势。(3)采用国产mPAO150基础油调制的LH S46超低温液压油理化性能满足指标要求，与PMA黏度指数改进剂相比，橡胶密封指数、旋转氧弹、磨斑直径更优，且柴油喷嘴剪切安定性、超声波剪切安定性具有突出优势。（4)经过考察比对，国产mPAO基础油作为黏度指数改进剂替代进口黏度指数改进剂应用于0 W-20汽油机油、7 5W-90CL-5重负荷车辆齿轮油、L-HS46超低温液压油等高端润滑油具有可行性。参考文献：1王庆瑞,孟祥云,徐敏，等.三种常见黏度指数改进剂的性能评价 J.石油商技，2 0 2 1,39（4）：8 0-8 3.2孙瑞雨，朱和菊，朱传文，等.黏度指数改进剂对汽油机油燃油经济性的影响 J.合成润滑材料，2 0 17,44（3）：17-20.3刘锐,郭春梅,马丙水，等.浅析汽油机油中黏度指数改进剂选型 J.润滑油，2 0 2 1,36（6）：42-45.4许健,彭立,马国梁,等.合成润滑油基础油茂金属聚烯烃合成研究进展J.现代化工，2 0 12,32（9）：2 8-30+32.5张可，鄂红军，陈钊锋.超高黏度茂金属PAO在发动机油中的应用研究 J.石油商技，2 0 2 0,38（3）：2 2-2 5.6刘青才，刘中文.超高黏度茂金属PAO在7 5W-90车辆齿轮油中的应用 J.石油商技，2 0 19,37（1）：7 0-7 4.7陈延.国外发动机油低温性能测定方法的发展概况 J.润滑油,2 0 0 1,16(6):1-4.8林国就，揭斌华,刘汉海，等.国产茂金属聚烯烃在合成齿轮油中的应用研究 J.合成润滑材料,2 0 2 1,48(3):33 37.9谢欣.发动机油低温泵送性能和凝胶指数的研究发展J.润滑油,2 0 19,34(3):16-2 1.10余磊，陈海波，马淑芬，等.内燃机油低温性能测试方法及影响因素综述 J.车用发动机,2 0 0 9（5）：7-11.11石顺友，潘正华，赵艳丽，等.北美汽油发动机油规格ILSACGF-6与ILSACGF-5对比分析 J.润滑油，2022,37(2):46-55.12薛虚智，许建,李久盛，等.多功能mPAO的合成及其作为黏度指数改进剂的性能考察 J.润滑与密封,2 0 18，43(10):23 27+67.13于海，糜莉萍，伏喜胜，等.国内外商用车长寿命车辆齿轮油的现状及发展趋势 J.润滑油，2 0 18,33（3）：1-5.14】周轶，杜雪岭.CB13895-2018重负荷车辆齿轮油（GL-5）国家标准解读 J.石油商技，2 0 19,37（1）：7 6-81.15王明明，石顺友.我国重负荷车辆齿轮油规格的最新发展 J.润滑油,2 0 19,34（4）：41-49.16刘卜瑜.液压油的新技术发展与需求展望 J.内燃机与配件,2 0 2 0(12):8 9-90.收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 6。作者简介：揭斌华，高级工程师，硕士研究生，2 0 14年毕业于南京工业大学化学工程专业，主要从事工业润滑油应用研究及市场推广。E-mail: