分散劑提高重負(fù)荷車輛齒輪油氧化安定性

文彥龍

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

車輛齒輪油氧化安定性就是油品抵抗空氣中氧的氧化作用的能力,一般是以油中生成的沉淀物及酸值來表示的。氧化安定性也是決定油品使用壽命的主要指標(biāo)之一［1］。為了改善車輛齒輪油的氧化安定性能,防止過快的生成膠質(zhì)沉淀,一般加入抗氧劑,但僅通過添加抗氧劑來提高車輛齒輪油的氧化安定性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,因為抗氧劑無法解決潤滑油氧化油泥的聚集和沉淀問題,隨著氧化油泥的不斷積聚,體系溫度升高,會進(jìn)一步加劇車輛齒輪油的老化變質(zhì),此時,分散劑的引入至關(guān)重要。分散劑可以使車輛齒輪油使用過程中由于氧化或其他化學(xué)作用形成的不溶物質(zhì)保持懸浮,并防止油泥凝聚和不溶物沉積［2］,從而進(jìn)一步提升車輛齒輪油的氧化安定性。

本文通過試管模擬氧化評定方法考察了不同分散劑對重負(fù)荷車輛齒輪油氧化安定性的影響,確定了最優(yōu)的分散劑加劑方案。

試驗部分

試驗原料

試驗油樣為中國石化潤滑油公司現(xiàn)有80W-90 GL-5重負(fù)荷車輛齒輪油產(chǎn)品,其典型數(shù)據(jù)見表1。試驗所用分散劑及性質(zhì)見表2。

評定方法

◇銅片腐蝕(GB/T 5096):121 ℃,3 h。

◇四球試驗(GB/T 3142):測定最大無卡咬負(fù)荷PB值、燒結(jié)負(fù)荷PD值及磨斑直徑(1 200 r/min,196 N,60 min,室溫)。

◇模擬氧化實驗:參考DKA氧化安定性試驗方法(CEC L-48)及液壓油熱穩(wěn)試驗方法(SH/T 0209),在500 mL的DKA氧化試管中加入300 g試驗油樣,將磨好的45號鋼棒以同杯底成60。角浸入試驗油樣中,將試管置于油浴中恒溫163.5℃,50 h,然后取出鋼棒用石油醚沖洗,觀察鋼棒變色及試管底部沉積物情況,通過氧化后油樣黏度變化及酸值變化結(jié)果,綜合評價其氧化安定性能。

結(jié)果與討論

試驗油樣的氧化安定性

對試驗油樣進(jìn)行了模擬氧化試驗,結(jié)果見表3。

由表3可見,試驗油樣經(jīng)氧化試驗后,其試管壁表面產(chǎn)生了明顯的黑色油泥,同時在有鋼棒催化氧化的條件下,除試管壁外,鋼棒表面也附著了一層黑色的氧化物質(zhì)。其100 ℃運(yùn)動黏度變化率超過15%,40 ℃運(yùn)動黏度變化率超過20%。

分散劑種類的選擇

為了進(jìn)一步優(yōu)化80W-90 GL-5的氧化安定性能,改善試管壁表面及鋼棒表面的氧化油泥的生成,選取不同類型的分散劑按一定加劑量加入成品油中,進(jìn)行模擬氧化試驗和四球、銅片腐蝕試驗,結(jié)果見表4。

表1 試驗油樣的配方及理化數(shù)據(jù)

表2 試驗用分散劑性質(zhì)

表3 試驗油樣的氧化安定性試驗數(shù)據(jù)

由表4可以看出,在80W-90 GL-5中同時加入不同類型的分散劑后,其對于齒輪油的四球極壓抗磨性能及銅腐性能無明顯影響,PD值均達(dá)到4 900 N,最大無卡咬負(fù)荷PB值均達(dá)到1 049 N以上,銅腐結(jié)果均為1b,磨斑直徑均小于0.5 mm。在氧化安定性方面,由于不同類型的分散劑與原配方中復(fù)合添加劑的協(xié)同作用不一致,導(dǎo)致對油品的氧化安定性能產(chǎn)生了明顯的影響。通過黏度變化率可以看出,分散劑F對體系的優(yōu)化效果最好,進(jìn)一步改善了油品的氧化安定性能。100 ℃運(yùn)動黏度變化率達(dá)15%左右,40 ℃運(yùn)動黏度變化率達(dá)12%左右,較之前有明顯提升。對比試驗之后試管壁和鋼棒的氧化油泥生成情況可知,加入不同類型的分散劑后,其試管壁外觀和鋼棒外觀發(fā)生了明顯的改善,其中分散劑F的效果最為明顯,試管壁表面沒有明顯的黑色氧化油泥,同時,鋼棒表面沒有發(fā)生明顯的變色和附著黑色沉淀。

表4 不同分散劑對油品氧化安定性的影響

將分散劑F按照a、2a、3a、4a的加劑量加入到80W-90 GL-油品中,進(jìn)行模擬氧化試驗和四球、銅片腐蝕試驗,結(jié)果見表5。

由表5可見,隨著分散劑F加劑量的增大,其對于齒輪油80W-90GL-5的四球極壓抗磨性和銅腐性能均無影響,氧化油泥生成逐漸減少,試管壁表面清澈透明,鋼棒表面,也無任何黑色沉積物。當(dāng)分散劑F加入量在3a左右時,油品的氧化安定性最優(yōu),40 ℃運(yùn)動黏度變化率達(dá)13.06 %,100 ℃運(yùn)動黏度變化率達(dá)10.26 %,酸值變化僅0.79 mgKOH/g,其氧化安定性得到了明顯改善。

表5 分散劑F不同加劑量下對油品氧化安定性的影響

圖1 丁二酰亞胺類分散劑分子結(jié)構(gòu)

分散劑改善油品氧化安定性的機(jī)理

以上試驗研究,充分說明了分散劑對提升油品氧化安定性能的影響。本研究選用的分散劑主要為丁二酰亞胺類分散劑,只是碳鏈長度和碳鏈結(jié)構(gòu)略有不同,其分子結(jié)構(gòu)見圖1。這類分散劑主要是由在直鏈上鏈接一個馬來酸酐所組成,通過對比分析,分散劑F的氮含量最高,達(dá)2.10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),且堿值較高,達(dá)50 mgKOH/g。分散劑A和B雖然氮含量不高,但均屬于高分子量的分散劑。分散劑D由于含有硼元素,屬于硼化型無灰分散劑。其余分散劑均屬于常規(guī)類型的無灰分散劑。分散劑的主要作用機(jī)理是通過物理或化學(xué)吸附在氧化油泥顆粒表面,提高其表面極性改善溶解性,研究表明其馬來酸酐數(shù)、氮含量及相對分子質(zhì)量的大小對于添加劑的分散性能有相關(guān)性［3］,其相對分子質(zhì)量越大,氮含量越高,其分散性能越好。從實驗后黏度的變化情況也能明顯看出高相對分子質(zhì)量和高含氮量對氧化安定性的改善效果。此外,由于分散劑與其他不同添加劑存在不同程度的協(xié)同作用,因此,基于本試驗研究的復(fù)合添加劑體系中,分散劑F的協(xié)同效果最優(yōu)。

結(jié)論

在車輛齒輪油中添加合適的分散劑能有效地改善油品的氧化安定性,減少氧化油泥的生成。本研究選用分散劑F添加至80W-90 GL-5成品重負(fù)荷車輛齒輪油中,使其氧化安定性得到了明顯改善,同時顯著改善了其氧化油泥的生成。