黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)油品性能的影響

楊雨富，孫聚華，車(chē) 浩，吳成美，鄭 翔，李國(guó)香，祖國(guó)臣，鄒向陽(yáng),毛逸群，楊志寶

黏度指數(shù)改進(jìn)劑(VII)通常是一種油溶性高分子化合物，是制備多級(jí)內(nèi)燃機(jī)油、液壓油、自動(dòng)傳動(dòng)液和齒輪油的主要添加劑之一[1-4]。其功能主要是改善油品黏溫性能，使油品獲得較好的低溫啟動(dòng)性能和高溫潤(rùn)滑能力，降低燃料和潤(rùn)滑油的消耗，減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，提升潤(rùn)滑油檔次，延長(zhǎng)潤(rùn)滑油使用壽命，實(shí)現(xiàn)油品的通用化。2017年我國(guó)潤(rùn)滑油需求量已經(jīng)突破600萬(wàn)t，各類(lèi)黏度指數(shù)改進(jìn)劑的需求量約為6萬(wàn)t[5-8]，而在諸多的黏度指數(shù)改進(jìn)劑產(chǎn)品中，乙烯-丙烯共聚物(OCP)黏度指數(shù)改進(jìn)劑由于成本低，綜合性能好，是用量最大的一類(lèi)，銷(xiāo)售量已占整個(gè)黏度指數(shù)改進(jìn)劑的60%以上，且銷(xiāo)售量持續(xù)上升[10-11]。中國(guó)石油吉林石化公司自主開(kāi)發(fā)的二元乙丙共聚物系列產(chǎn)品，在潤(rùn)滑油中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文從聚合物組成、相對(duì)分子質(zhì)量及其分布、序列結(jié)構(gòu)等方面對(duì)比分析了J-0010與L-7067的微觀結(jié)構(gòu)；并且對(duì)兩種黏度指數(shù)改進(jìn)劑在潤(rùn)滑油中的增稠能力、剪切穩(wěn)定指數(shù)(SSI)、低溫動(dòng)力黏度、低溫泵送黏度和高溫清凈性等使用性能進(jìn)行了考察，全面描述了兩種黏度指數(shù)改進(jìn)劑J-0010和L-7067對(duì)油品性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

基礎(chǔ)油：150N，臺(tái)塑石化股份有限公司，其物性參數(shù)如表1所示；二元乙丙橡膠：J-0010，中國(guó)石油吉林石化公司；二元乙丙橡膠：L-7067，美國(guó)路博潤(rùn)公司。

表1 基礎(chǔ)油物性參數(shù)

1.2 儀器及設(shè)備

運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀：DSY-104，大連石油儀器有限公司；凝膠滲透色譜儀：Waters 5151，美國(guó)Waters公司；高分辨率核磁共振光譜儀：AVANCE 400M，德國(guó)BRUKER公司；剪切穩(wěn)定性測(cè)定儀：BOSCH 2122，德國(guó)BOSCH公司；低溫動(dòng)力黏度測(cè)定儀：CCS-2100LT，美國(guó)CANNON公司；低溫泵送黏度測(cè)定儀：CMRV-4000，美國(guó)CANNON公司；高溫高剪切黏度測(cè)定儀：MODEL TBS 2100E，美國(guó)TANNAS公司；板式成焦器：L-1，蘭州維科石化設(shè)備儀器公司；熱管試驗(yàn)機(jī)：NIKKO HT-201，日本NIKKO 公司；高溫氧化沉積物測(cè)定儀：TEOST/33C，美國(guó)TANNAS公司；傾點(diǎn)測(cè)定儀：MC 852，德國(guó)Herzog公司。

1.3 分析測(cè)試

運(yùn)動(dòng)黏度按照GB/T 265—1988進(jìn)行測(cè)定；傾點(diǎn)按照GB/T 3535—2006進(jìn)行測(cè)定；低溫動(dòng)力黏度按照GB/T 6538—2010進(jìn)行測(cè)定；剪切穩(wěn)定性按照SH/T 0103—2007進(jìn)行測(cè)定；高溫高剪切黏度按照SH/T 0703—2007進(jìn)行測(cè)定；低溫泵送黏度按照NB/SH/T 0562—2013進(jìn)行測(cè)定；高溫沉積物按照SH/T 0750—2005進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 黏度指數(shù)改進(jìn)劑相對(duì)分子質(zhì)量及其分布的表征

相對(duì)分子質(zhì)量及其分布對(duì)黏度指數(shù)改進(jìn)劑的增稠能力及剪切穩(wěn)定性有較大影響，相對(duì)分子質(zhì)量越大稠化能力越高，但抗剪切性能越差；相對(duì)分子質(zhì)量分布越寬，黏度指數(shù)改進(jìn)劑中相對(duì)分子質(zhì)量的差異越大，抗剪切性能也越差。

采用凝膠滲透色譜法(GPC)對(duì)兩種黏度指數(shù)改進(jìn)劑的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布進(jìn)行了表征，結(jié)果如表2及圖1所示。

表2 相對(duì)分子質(zhì)量及其分布

t/min圖1 GPC譜圖

從表2和圖1可以看出，黏度指數(shù)改進(jìn)劑J-0010與L-7067的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布接近。

2.2 黏度指數(shù)改進(jìn)劑序列結(jié)構(gòu)的表征

序列結(jié)構(gòu)主要表征共聚物中結(jié)構(gòu)單元的排列順序。采用13C-NMR對(duì)樣品序列結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果如圖2及表3所示。

表3 序列結(jié)構(gòu)的表征1)

1) P、E為一元序列；PP、PE、EE、PP*為二元序列；PPP、EEE、PEE、EPE、PEP、PPE為三元序列。

δ×106圖2 13C-NMR譜圖

從圖2可見(jiàn)，黏度指數(shù)改進(jìn)劑J-0010與L-7067的峰譜基本一致。從表3可以看出，二者均是OCP。聚合物的組成變化影響聚合物的結(jié)晶性，一般認(rèn)為在乙丙共聚物中，當(dāng)乙烯摩爾分?jǐn)?shù)超過(guò)70%的情況下，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶，影響溶解性能。J-0010與L-7067的乙烯含量稍有區(qū)別，但均在非結(jié)晶態(tài)范圍內(nèi)，為無(wú)定型聚合物，溶解性能相當(dāng)。

2.3 黏度指數(shù)改進(jìn)劑在基礎(chǔ)油中對(duì)使用性能的影響

稠化能力、黏度指數(shù)、剪切穩(wěn)定指數(shù)和低溫黏度是評(píng)價(jià)黏度指數(shù)改進(jìn)劑性能的四個(gè)重要指標(biāo)，一個(gè)好的黏度指數(shù)改進(jìn)劑一般要求具有較高的稠化能力與黏度指數(shù)和較低的剪切穩(wěn)定性與低溫動(dòng)力黏度[12-15]。

2.3.1 黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)稠化能力的影響

稠化能力是黏度指數(shù)改進(jìn)劑的一個(gè)很重要的指標(biāo)。黏度指數(shù)改進(jìn)劑的稠化能力越大，加量越小，多級(jí)油的成本也就越低。稠化能力大小主要與干膠相對(duì)分子質(zhì)量大小及其在基礎(chǔ)油中的形態(tài)有關(guān)。對(duì)于同一類(lèi)型的化合物，其相對(duì)分子質(zhì)量越大，對(duì)應(yīng)的稠化能力則越強(qiáng)。不同的黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)產(chǎn)品稠化能力和黏度指數(shù)的影響如表4所示。

表4 黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)稠化能力和黏度指數(shù)的影響

從表4可以看出，黏度指數(shù)改進(jìn)劑J-0010與L-7067對(duì)稠化能力和黏度指數(shù)的影響一致。

2.3.2 黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)低溫性能的影響

低溫動(dòng)力黏度是多級(jí)油在低溫、高剪切速率條件下所測(cè)得的內(nèi)摩擦力大小的量度。黏度指數(shù)改進(jìn)劑在使用過(guò)程中，會(huì)對(duì)多級(jí)油的低溫性能產(chǎn)生一定影響，表示多級(jí)油低溫性能的指標(biāo)主要有低溫啟動(dòng)性和低溫泵送性。通常，低溫黏度越小，發(fā)動(dòng)機(jī)越易啟動(dòng)。不同黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)低溫性能的影響見(jiàn)表5。

表5 黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)低溫性能的影響

從表5可以看出，黏度指數(shù)改進(jìn)劑J-0010與L-7067對(duì)低溫性能影響基本一致。

2.3.3 黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)剪切穩(wěn)定指數(shù)的影響

剪切穩(wěn)定指數(shù)直接關(guān)系到多級(jí)油黏度的穩(wěn)定性和使用壽命。對(duì)于剪切穩(wěn)定性差的黏度指數(shù)改進(jìn)劑，由于加入油中的高分子化合物在剪切應(yīng)力作用下主鏈斷裂，使黏度下降，不能保持原有的黏度級(jí)別，將導(dǎo)致對(duì)磨損和油耗不利的影響。剪切穩(wěn)定性大小與黏度指數(shù)改進(jìn)劑的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布和高聚物在溶液中的流體力學(xué)相關(guān)。一般而言，相對(duì)分子質(zhì)量越大及其分布越寬，剪切穩(wěn)定性越差。反之，高聚物相對(duì)分子質(zhì)量越小，剪切穩(wěn)定性越好，其大小用式(1)表示：

SSI=(Vi-Vf)/(Vi-V0)×100%

(1)

式中：SSI為剪切穩(wěn)定指數(shù)；Vi為油品剪切前100 ℃時(shí)的黏度，mm2/s；Vf為油品剪切后100 ℃時(shí)的黏度，mm2/s；V0為基礎(chǔ)油100 ℃時(shí)的黏度，mm2/s。

不同的黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)剪切穩(wěn)定性影響結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6可以看出，黏度指數(shù)改進(jìn)劑J-0010與L-7067對(duì)剪切穩(wěn)定指數(shù)的影響基本相同。

表6 黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)剪切穩(wěn)定性的影響

2.3.4 黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)清凈性的影響

黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)油品的高溫清凈性能有較大影響，采用板式成焦器法、熱管氧化法和熱氧化模擬法，對(duì)比考察了黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)柴油機(jī)油清凈性的影響，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 黏度指數(shù)改進(jìn)劑對(duì)清凈性能的影響

從表7可以看出，兩種黏度指數(shù)改進(jìn)劑的加入在用熱氧化模擬法、板式成焦器、熱管氧化法評(píng)定中，數(shù)值基本處于一個(gè)水平，對(duì)清凈性的影響相當(dāng)。

2.4 黏度指數(shù)改進(jìn)劑在油品配方中的使用性能

將兩種黏度指數(shù)改進(jìn)劑在CH-4 10W-40柴油機(jī)油中進(jìn)行低溫性能、高溫性能和剪切穩(wěn)定性能的評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 CH-410W-40柴油機(jī)油分析評(píng)價(jià)結(jié)果

由表8可見(jiàn)，黏度指數(shù)改進(jìn)劑J-0010與L-7067的運(yùn)動(dòng)黏度、低溫性能、高溫高剪切黏度及剪切穩(wěn)定性等基本相當(dāng)，對(duì)油品的高溫清凈性和抗氧化性能的影響基本處于同一水平，能夠滿足潤(rùn)滑油的使用要求。

3 結(jié) 論

(1) 黏度指數(shù)改進(jìn)劑J-0010與L-7067的組成、相對(duì)分子質(zhì)量及其分布基本相同。

(2) 黏度指數(shù)改進(jìn)劑J-0010與L-7067對(duì)稠化能力、黏度指數(shù)、低溫動(dòng)力黏度、剪切穩(wěn)定性、高溫清凈性的影響基本相當(dāng)。

(3) 黏度指數(shù)改進(jìn)劑J-0010與L-7067對(duì)CH-4 10W-40柴油機(jī)油油品性能的影響基本一致。

參 考 文 獻(xiàn)：

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