利用溫度掃描技術(shù)研究潤滑油基礎(chǔ)油的低溫性能

張大華，李麗霞，劉翠香，周亞斌

（中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅蘭州 730060）

利用溫度掃描技術(shù)研究潤滑油基礎(chǔ)油的低溫性能

張大華，李麗霞，劉翠香，周亞斌

（中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅蘭州 730060）

以不同生產(chǎn)工藝的潤滑油基礎(chǔ)油作為研究對象，通過對比不同潤滑油基礎(chǔ)油的動力黏度－溫度變化曲線，比較了不同類型潤滑油基礎(chǔ)油的低溫性能，并對其低溫性能與組成之間關(guān)系及不同類型基礎(chǔ)油對降凝劑的感受性差異進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，對于同一粘度級別的潤滑油基礎(chǔ)油，加氫異構(gòu)基礎(chǔ)油低溫性能相對較好，而溶劑精制類基礎(chǔ)油則對降凝劑表現(xiàn)出更好的感受性。

溫度掃描;低溫性能;動力黏度;凝膠指數(shù)

0 引言

汽車發(fā)動機在低溫啟動時會產(chǎn)生大量的磨損，低溫性能良好的內(nèi)燃機油可以將這種磨損降低到最小，為此，國內(nèi)外行業(yè)協(xié)會和研究機構(gòu)制定了包括傾點（PP）、低溫啟動性能（CCS）、低溫泵送性能（MRV）、掃描布氏黏度（SBV）在內(nèi)的多種試驗方法來對內(nèi)燃機油的低溫性能進(jìn)行測試。

從測試條件來看，傾點采用的是一種快速降溫的方式［1］，這與油品在實際使用過程中隨著溫度的逐步降低形成大量蠟結(jié)晶相反，同時較低的剪切速率也反映不出油品的實際應(yīng)用工況。在CCS的檢測過程中，由于采用快速降溫以及高剪切速率（104～105s－1）［2］，因此該指標(biāo)主要反映了低溫下油品在發(fā)動機活塞環(huán)和氣缸套部位的流變行為，但是其不足之處是排除了蠟結(jié)晶的影響。MRV和SBV與潤滑油中的蠟結(jié)晶及凝膠密切相關(guān)，兩種試驗方法的降溫速率都很慢［3－4］，可以形成充分的蠟結(jié)晶。從兩種測試方法對應(yīng)的具體工況來看，MRV測定的是發(fā)動機在啟動瞬間，油品從油泵入口處進(jìn)入油泵時的情形［5］，而SBV測定的是發(fā)動機在冷啟動過程中，油底殼中潤滑油流動進(jìn)入篩網(wǎng)的情形［5］，另外，在降溫速率上，MRV僅僅是在－20℃之前采用較慢的降溫速率（0.33℃/h），此后的降溫速率為2.5℃/h，因此，使用MRV來檢測油品低溫性能時，只有在－20℃之前才有可能觀察到油品出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象。而SBV一直采用1℃/h的降溫速率，因此其測試條件非常接近于油品的使用工況，這種測試方式不但可以得到樣品在特定溫度時的動力黏度以及達(dá)到特定動力黏度時的溫度，并且通過計算得到油品的凝膠指數(shù)［4，6－7］，同時由于采用在線連續(xù)監(jiān)測方式，還可以得到油品在一定溫度范圍內(nèi)動力黏度隨溫度的變化曲線，通過比較不同類型、不同處理方式以及添加不同添加劑油品的動力黏度隨溫度變化曲線的改變趨勢，可以對不同油品的低溫流動性能、對添加劑的感受性等性能進(jìn)行直觀的對比，對充分認(rèn)識油品的低溫性能，合理調(diào)配油品的使用起到指導(dǎo)性作用。

內(nèi)燃機油低溫性能測試方法對比見表1。

表1 內(nèi)燃機油低溫性能測試方法對比

1 試驗部分

本文以各種不同加工工藝所生產(chǎn)的150BS基礎(chǔ)油以及MVI400基礎(chǔ)油為主要研究對象，分別考察了不同加工工藝基礎(chǔ)油在溫度掃描條件下動力黏度的變化特點以及降凝劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑對其動力黏度的影響。

1.1 試驗原材料

1.1.1 基礎(chǔ)油

表2為實驗所用基礎(chǔ)油樣品，其基本理化指標(biāo)見表3。

表2 基礎(chǔ)油樣品

表3 基礎(chǔ)油樣品的理化性質(zhì)分析結(jié)果

1.1.2 試劑

石油醚、乙醚、無水乙醇、甲苯、丁酮等，分析純，天津試劑二廠。1.1.3添加劑

T803B，工業(yè)品，灰分:0.018%，降凝度:18，蘭州路博潤蘭煉添加劑有限公司。

1.2 實驗設(shè)備

凝膠指數(shù)測定儀，美國TANNAS SB+4型，配備TBS2000工作站。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)油的溫度－動力黏度掃描曲線

凝膠指數(shù)測定儀在溫度掃描方式下，利用布氏黏度計對油品黏度（動力黏度）隨溫度的變化過程進(jìn)行測量，直觀地反映當(dāng)溫度降低時油品黏度變化情況，是研究潤滑油低溫性能的較好方法。圖1為幾種不同類型的150BS基礎(chǔ)油以及PAO的黏溫曲線圖。

圖1 不同基礎(chǔ)油的溫度－動力黏度曲線

從圖1可以看出，20℃時不同加工類型基礎(chǔ)油的動力黏度幾乎相同，隨著試驗溫度的降低，各種類型基礎(chǔ)油動力黏度指標(biāo)均呈現(xiàn)上升趨勢，其中合成油的黏度－溫度曲線表現(xiàn)最為平緩，表明其動力黏度隨溫度降低緩慢上升，加氫基礎(chǔ)油相對上升較快，而溶劑精制基礎(chǔ)油的表現(xiàn)比較復(fù)雜，在一定的溫度范圍內(nèi)，其黏溫變化曲線介于合成油和加氫處理油之間，但在接近其傾點的某個溫度點后，隨溫度的降低，溶劑精制基礎(chǔ)油的黏度迅速上升，在黏溫曲線上出現(xiàn)了拐點式的上升，表現(xiàn)出較差的黏溫特性。

另外，結(jié)合表3中基礎(chǔ)油的傾點數(shù)據(jù)可以看出，加氫基礎(chǔ)油傾點相對較低（－15℃左右），但在相對較高的溫度條件下，它雖然還沒有完全失去流動性，其動力黏度已經(jīng)很高，流動性已經(jīng)較差。溶劑精制基礎(chǔ)油則在接近其傾點附近才表現(xiàn)出黏度迅速上升，流動性變差。合成油表現(xiàn)得最為理想。究其原因，溶劑精制類基礎(chǔ)油中正構(gòu)烷烴含量高且異構(gòu)化程度較弱，在溫度降低到一定程度時，部分鏈狀分子及異構(gòu)化較低的分子以立體網(wǎng)狀蠟結(jié)構(gòu)析出，使油品很快失去流動性，而加氫基礎(chǔ)油由于烷烴結(jié)構(gòu)的異構(gòu)化程度較高，在以蠟結(jié)構(gòu)析出時，形成層狀結(jié)構(gòu)，不會使油品立刻失去流動性。由此說明，結(jié)構(gòu)組成的差異是造成不同類基礎(chǔ)油低溫性能差異的主要原因。

不同工藝的克煉HVIH150BS加氫基礎(chǔ)油黏度－溫度曲線變化形式表現(xiàn)相似，新工藝產(chǎn)品的黏度－溫度曲線的變化程度顯得更為平緩，因此在同一溫度時會具有更好的流動性。從組成上分析，可能是新工藝條件下產(chǎn)品的加氫深度更深、異構(gòu)化程度更高造成的，對此用烴組成數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同工藝的克煉HVIH150BS加氫基礎(chǔ)油烴組成%

從表4的數(shù)據(jù)可以看出，與舊加氫工藝產(chǎn)品相比，新工藝條件下HVIH150BS基礎(chǔ)油加氫深度遠(yuǎn)高于舊工藝，芳烴含量降至1%以下，同時多環(huán)環(huán)烷烴含量也降低，因此其在黏度－溫度曲線上的變化更為平緩，其低溫性能更好。

2.2 降凝劑對基礎(chǔ)油低溫流動性的影響

選取不同類型的重質(zhì)基礎(chǔ)油，加入一定量的T803B降凝劑，然后再利用溫度掃描布氏黏度計測定加入降凝劑前后基礎(chǔ)油動力黏度隨溫度的變化情況，考察降凝劑對基礎(chǔ)油低溫性能的影響，測定結(jié)果見圖2。

1.克煉HVIH150BS（2）;2.克煉HVIH150BS（2）+T803B;3.美孚HVIS150BS（1）;4.美孚HVIS150BS（1）+T803B;5.克煉HVIH150BS （8）;6.克煉HVIH150BS（8）+T803B;7.MVI400;8.MVI400+T803B

從圖2的結(jié)果可以看出，不同基礎(chǔ)油加入降凝劑后溫度－動力黏度曲線產(chǎn)生不同的變化。精制類基礎(chǔ)油加入降凝劑后，動力黏度隨溫度的變化曲線由原先的拐點式變化曲線轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄徥阶兓€，加氫類基礎(chǔ)油根據(jù)加氫程度不同變化有所不同，加氫程度較深的基礎(chǔ)油，溫度－動力黏度掃描曲線幾乎沒有改變，加氫精度稍淺的基礎(chǔ)油溫度－動力黏度掃描曲線發(fā)生了變化，從曲線上可以看出，在相同溫度下，其動力黏度明顯下降，低溫性能得到了大大的改善。綜上所述，降凝劑的加入改變了基礎(chǔ)油中高凝點的烴類在低溫時的結(jié)晶形態(tài)，使其傾點得到了改善，同時低溫性能發(fā)生了變化。不同類型的基礎(chǔ)油對降凝劑的感受性不同，以精制類基礎(chǔ)油的感受性最好，加氫油次之，并且加氫油的感受性還與其加氫深度有關(guān)，加氫深度越深，感受性越差。

2.3 黏度指數(shù)改進(jìn)劑對基礎(chǔ)油低溫流動性的影響

一般而言，由于精制類基礎(chǔ)油不但傾點較高，而且黏度指數(shù)較低，在調(diào)制高級別油品時，不但要加入一定量的降凝劑改善其低溫流動性，同時也需要加入一定量的黏度指數(shù)改進(jìn)劑來改善黏溫性能。從黏度指數(shù)改進(jìn)劑的作用原理來看，黏度指數(shù)改進(jìn)劑主要是改進(jìn)基礎(chǔ)油的高溫性能，對低溫性能影響較小，為驗證以上結(jié)果，以MVI400基礎(chǔ)油為研究對象，在其中先后加入一定量的T803B降凝劑以及PMA類黏度指數(shù)改進(jìn)劑，然后再利用溫度掃描布氏黏度計測定加入降凝劑、黏度指數(shù)改進(jìn)劑前后基礎(chǔ)油動力黏度隨溫度的變化情況，考察黏度指數(shù)改進(jìn)劑對基礎(chǔ)油低溫性能的影響，測定結(jié)果見圖3。

圖3 黏度指數(shù)改進(jìn)劑對MVI400低溫性能的影響

從圖3的結(jié)果可以看出，在含有降凝劑的基礎(chǔ)油中加入黏度指數(shù)改進(jìn)劑后，油品的溫度－動力黏度曲線并未產(chǎn)生明顯的變化，說明基礎(chǔ)油的低溫性能并未發(fā)生顯著變化，這與黏度指數(shù)改進(jìn)劑的作用機理是相吻合的，由此看來在基礎(chǔ)油中加入黏度指數(shù)改進(jìn)劑不會對基礎(chǔ)油的低溫性能產(chǎn)生顯著影響。

2.4 克煉HVIH150BS基礎(chǔ)油中的絮狀物

克煉HVIH150BS基礎(chǔ)油具有較高的黏度和較好的黏溫特性，在油品生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。但實際使用過程中存在溫度較低或放置后，基礎(chǔ)油和由該類基礎(chǔ)油調(diào)制的潤滑油產(chǎn)品經(jīng)常出現(xiàn)外觀渾濁、不透明等現(xiàn)象，有時甚至出現(xiàn)絮狀沉淀物，因而使得克煉HVIH150BS的應(yīng)用受到限制，因此詳細(xì)研究絮狀物的組成和性質(zhì)，對促進(jìn)克煉HVIH150BS基礎(chǔ)油的生產(chǎn)和合理利用，將起到一定的幫助。

選擇克煉HVIH150BS（2）作為研究對象。將樣品在低溫下（－25℃）進(jìn)行儲存，待絮狀物析出后，用溶劑將基礎(chǔ)油進(jìn)行稀釋后過濾，蒸發(fā)溶劑分別得到濾出物和濾余油。

2.4.1 絮狀物的基本理化性質(zhì)

表5為濾出物和濾余油的基本理化性質(zhì)。

表5 濾出物、濾余油理化性質(zhì)分析結(jié)果

由表5的數(shù)據(jù)可以看出，分離后得到的濾出物濁點較高，在常溫下為半固體狀。同時從其他理化指標(biāo)來看，濾出物的黏度指數(shù)比濾余油要高，并且濾余油的傾點與濁點均得到大幅度的降低，以上數(shù)據(jù)說明濾出物即為造成油品外觀渾濁、甚至產(chǎn)生沉淀的組分。

2.4.2 結(jié)構(gòu)組成分析

表6為濾出物和濾余油的烴組成分析結(jié)果。

表6 濾出物、濾余油烴組成分析結(jié)果%

從表6的數(shù)據(jù)可以看出，濾出物中的芳香烴、鏈烷烴含量都高于濾余油。在環(huán)烷烴的方面，濾出物中的環(huán)烷烴主要以四環(huán)以下形式存在，而濾余油中不但環(huán)烷烴含量較高，并且其中還含有較多的多環(huán)環(huán)烷烴。由此說明，濾出物是一些具有較長烷基鏈取代結(jié)構(gòu)、或者異構(gòu)化程度較低的烷烴分子，這些組分具有較高的傾點和濁點，當(dāng)氣溫降低時會從基礎(chǔ)油中析出而影響基礎(chǔ)油的外觀。

2.4.3 濾出物與濾余油的低溫性能

圖4為濾出物、濾余油以及原有樣品的溫度－動力黏度曲線。

圖4 濾出物、濾余油以及原有樣品溫度－黏度曲線

從圖4可以看出，濾出物的動力黏度－溫度曲線變化趨勢與精制類基礎(chǔ)油的變化趨勢非常類似，表現(xiàn)為拐點式的上升，而濾余油黏度的變化趨勢與原樣品的變化趨勢類似，但低溫性能已經(jīng)得到大幅改善，獲得較好的黏溫性能。由此說明，克煉HVIH150BS基礎(chǔ)油中出現(xiàn)的絮狀物不但影響了基礎(chǔ)油的外觀，并且對其低溫性能的影響也是明顯的。

3 結(jié)論

利用溫度掃描布氏黏度計能夠?qū)τ推佛ざ龋▌恿︷ざ龋╇S溫度的變化過程進(jìn)行測量，直觀地反映當(dāng)溫度發(fā)生變化時油品的黏度變化情況，通過分析油品的動力黏度－溫度變化曲線，可以進(jìn)一步了解油品的組成、對添加劑的感受性等性能，可以對油品的使用起到指導(dǎo)性作用，是一種理想的研究潤滑油低溫性能的手段。

［1］GB/T 3535－2006石油傾點測定法［S］.

［2］GB/T 6538－2010發(fā)動機油表觀黏度測定法（冷啟動模擬機法）［S］.

［3］GB/T 9171－1988（2004）發(fā)動機油邊界泵送溫度測定法［S］.

［4］SH/T 0732－2004潤滑油低溫低剪切速率下黏度與溫度關(guān)系測定法（溫度掃描法）［S］.

［5］余磊，陳海波，馬淑芬，等.內(nèi)燃機油低溫性能測試方法及影響因素綜述［J］.車用發(fā)動機，2009，184（5）:7－11.

［6］潘強余.汽車潤滑油低溫成膠理論及動力學(xué)［J］.石油化工，1995，24（6）:399－404.

［7］王延臻，勞永新，靳尉仁，等.膠凝指數(shù)法研究潤滑油的低溫泵送性［J］.石油學(xué)報（石油加工），1999，15（6）:47－51.

［8］王清華，馮新瀘，楊官漢，等.內(nèi)燃機油基礎(chǔ)油的結(jié)構(gòu)族組成與低溫性能的關(guān)系［J］.石油煉制與化工，1999，30 （9）:62－63.

Study on Low Temperature Performances of Lubricant Base Oils by Temperature－Scanning Technology

ZHANG Da－h(huán)ua，LILi－xia，LIU Cui－xiang，ZHOU Ya－bin
（PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R＆D Institute，Lanzhou 730060，China）

The low tem perature perform ances of lube base oils produced by different processing technologies w ere tested by the com parison of the dynam ic viscosity－tem perature curves.The relationship betw een the low tem perature performance and the chem icalcom position of base oil，and the base oil＇s sensitiveness to pour point depressantw ere studied in this paper.Research results show ed that，the low tem perature perform ance of hydroisom erized base oils is better am ong all the base oils w hich are in the sam e viscosity grade.And solvent－refined base oils arem ore sensitive to pour point depressant.

tem perature－scanning;low tem perature perform ance;dynam ic viscosity;gel index

TE622.5

A

1002-3119（2012）06-0039-05

2012－06－08。

張大華（1972－），男，碩士，工程師，2000年畢業(yè)于蘭州化物所分析化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事潤滑油及添加劑結(jié)構(gòu)組成分析以及質(zhì)量檢測工作，曾在國內(nèi)各類刊物及學(xué)術(shù)會議發(fā)表各類論文多篇。