超高黏度茂金屬PAO在75W-90車輛齒輪油中的應(yīng)用

劉青才 劉中文

上海納克潤滑技術(shù)有限公司

國家標準GB 13895—2018《重負荷車輛齒輪油（GL-5）》于2018年7月13日正式發(fā)布，將于2019年2月1日正式實施，代替1992版標準。經(jīng)過25年的發(fā)展，用戶對車輛齒輪油提出了更高的要求，如燃油經(jīng)濟性、更長的換油周期等。車輛齒輪油的使用需求和環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。

目前，中國車輛齒輪油市場中，75W-90級別油品的市場份額不足5%，而歐美地區(qū)的75W-90齒輪油的市場份額達35%。汽車傳動系用油對燃油經(jīng)濟性的貢獻率在0.5%～2%，國外研究顯示，使用75W-90齒輪油在不同的路況下燃油經(jīng)濟性較80W-90齒輪油提升1.3%～4.55%[1]。隨著燃油經(jīng)濟性的要求不斷提高，75W-90齒輪油具有較大的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

與1992版本標準相比，新版國標出現(xiàn)了幾個重要的變化，特別是在KRL剪切安定性（20 h）項目上，要求油品的剪切后100 ℃運動黏度需要保持在同一黏度級別內(nèi)，因此對齒輪油的剪切穩(wěn)定性提出了更高的要求。在新國標實施后，潤滑油企業(yè)將需要采用剪切穩(wěn)定性好的車輛齒輪油配方以滿足國標要求。茂金屬PAO具有好的剪切穩(wěn)定性，可用于車用齒輪油中，以滿足剪切穩(wěn)定性的要求。

茂金屬PAO簡介

茂金屬催化劑通常是以環(huán)戊二烯（或其同系物）為配體的IVB族過渡金屬（如Ti、Zr、Hf)有機配合物。茂金屬一詞源于英文“Metallocene”，該詞由字頭“Metal(金屬）lo(化）”和詞尾“cene(烯烴）”組合而成。與傳統(tǒng)的Ziegler-Natta催化劑相比，茂金屬催化劑體系具有催化活性高、結(jié)構(gòu)可控等特點。

茂金屬催化體系的聚合方式，普遍都接受的茂金屬體系催化的聚合反應(yīng)，進行是在中心缺電子的陽離子單活性中心上重復(fù)的配位插入。茂金屬PAO的反應(yīng)機理見圖1。

大量試驗證明，在烯烴聚合反應(yīng)中主要發(fā)生的是1,2-插入，發(fā)生概率約為2,1-插入的100～1 000倍[2]，產(chǎn)品形成特定的梳狀結(jié)構(gòu)。這種獨特的梳狀結(jié)構(gòu)改善了聚合物的流變特性，從而具有更好的低溫性能和更高的黏度指數(shù)。與傳統(tǒng)的PAO相比，較少的側(cè)鏈使茂金屬PAO具有更高的剪切穩(wěn)定性和更窄的相對分子質(zhì)量分布。傳統(tǒng)PAO與茂金屬PAO分子結(jié)構(gòu)對比見圖2。

2010年，ExxonMobil率先推出使用茂金屬催化劑合成的新一代聚α烯烴產(chǎn)品茂金屬PAO，隨后其他公司也相繼開發(fā)了各自的茂金屬PAO產(chǎn)品。 目前，世界上主要生產(chǎn)茂金屬PAO的 是ExxonMobil、Ineos、CPChem等 3家公司。相較于其他傳統(tǒng)PAO，茂金屬PAO具有突出的性能優(yōu)勢，在黏度指數(shù)、低溫流動性、EHL油膜強度、剪切穩(wěn)定性、抗泡性等多方面具有好的性能表現(xiàn)[3]，可協(xié)助配方工程師提升工業(yè)油和車用油的耐久性。國內(nèi)近年來大量開展此方面的研究工作，取得一些突破性的進展[4]。上海納克基于自有專利技術(shù)，生產(chǎn)出超高黏度茂金屬PAO-NacoFlow V600（以下簡稱NacoFlow V600），于2017年正式推向市場。全球高黏度茂金屬PAO產(chǎn)能分布見表1。

表1 全球高黏度茂金屬PAO產(chǎn)能分布

超高黏度茂金屬PAO的性能特點

相較于其他傳統(tǒng)的高黏度基礎(chǔ)油，NacoFlow V600除了具有普通茂金屬PAO的性能優(yōu)勢外，還能為配方工程師提供更高的調(diào)合效率和性能。其典型數(shù)據(jù)見表2。

黏溫性能和低溫性能

NacoFlow V600與其他高黏度基礎(chǔ)油性能對比見表3。

由表3可見，NacoFlow V600與同等黏度的聚異丁烯、Lucant HC600相比，在黏度指數(shù)和低溫性能方面具有更好的優(yōu)勢；與傳統(tǒng)聚α烯烴cPAO200相比，雖然黏度提高很多，但低溫性能相當。

剪切穩(wěn)定性

測定剪切安定性的方法很多，有超聲波剪切法、柴油噴嘴剪切法、KRL剪切法、FZG齒輪機剪切法。這些方法最終都是測定油品的黏度下降率。

表2 NacoFlow V600典型數(shù)據(jù)

圓錐滾子軸承試驗（KRL Tapered Roller Bearing Test）是目前全球范圍內(nèi)比較流行的一種檢測法，普遍認為它的要求最為嚴格，與現(xiàn)實使用中的潤滑油抗剪切工況聯(lián)系最為緊密。該試驗是將油品用于軸承，使軸承在有負載壓力的條件下連續(xù)運行20 h，記錄試驗前后的潤滑油黏度，計算其黏度損失率。

茂金屬PAO的剪切穩(wěn)定性非常出色，在最為苛刻的KRL剪切穩(wěn)定性測試中表現(xiàn)出非常小的剪切損失，試驗結(jié)果見圖3。

為進一步驗證超高黏度茂金屬PAO NacoFlow V600的剪切穩(wěn)定性，我們選取了2款市售商業(yè)化PAMA型黏度指數(shù)改進劑進行對比，將它們以相同比例加入6cSt基礎(chǔ)油(APIⅢ類油)中，測定KRL剪切穩(wěn)定性，結(jié)果見表4。

從表4可以看出，NacoFlow V600具有非常好的剪切穩(wěn)定性，遠優(yōu)于相對分子質(zhì)量接近的PAMA型黏度指數(shù)改進劑，試驗前后100℃運動黏度變化率不大于4%，永久剪切穩(wěn)定性指數(shù) PSSI不大于7。

稠化性能

NacoFlow V600具有高的黏度和黏度指數(shù)，具有更高的稠化性能。NacoFlow V600與市售商業(yè)化PAMA型黏度指數(shù)改進劑及傳統(tǒng)聚α烯烴cPAO200的稠化性能對比見圖4。

表3 超高黏度茂金屬PAO-NacoFlow V600與其他高黏度基礎(chǔ)油性能對比

超高黏度茂金屬PAO的應(yīng)用

傳統(tǒng)的75W-90車輛齒輪油配方中，由于苛刻的低溫布氏黏度要求，使得車輛齒輪油配方需要采用剪切穩(wěn)定性好的黏度指數(shù)改進劑或使用全合成基礎(chǔ)油。因成本的關(guān)系，一般采用PAMA型黏度指數(shù)改進劑來稠化低黏度基礎(chǔ)油，以滿足油品的高低溫性能。而黏度指數(shù)改進劑的剪切穩(wěn)定性與增稠能力是相矛盾的，剪切穩(wěn)定性好，相對分子質(zhì)量越小，則增稠能力小[5]，而相對分子質(zhì)量越大，增稠能力越強，但剪切性能越差。

為保證車輛齒輪油的抗剪切性能滿足要求，采用PAMA型黏度指數(shù)改進劑可將油品初始黏度調(diào)得較高，以確保剪切后的黏度能繼續(xù)保持在黏度要求范圍內(nèi)，但這會使得滿足低溫布氏黏度要求較為困難，并帶來能耗的增加。另一方面，相對分子質(zhì)量較小的PAMA型黏度指數(shù)改進劑的稠化性能較低，需要更高的加劑量才能滿足油品的黏度要求，造成配方的成本壓力。因此，剪切穩(wěn)定性更好、稠化性能更高的NacoFlow V600可以成為改進車輛齒輪油剪切穩(wěn)定性的不錯選擇。NacoFlow V600與市售商業(yè)化PAMA型黏度指數(shù)改進劑在75W-90車輛齒輪油中的剪切穩(wěn)定性對比見表5。

表4 NacoFlow V600與PAMA型黏度指數(shù)改進劑剪切穩(wěn)定性對比

由表5可以看出，在滿足油品低溫性能的前提下，NacoFLow V600的KRL剪切變化率僅為5%，遠低于PAMA型黏度指數(shù)改進劑的KRL剪切變化率，在較小的黏度下也能滿足剪切穩(wěn)定性的要求，符合油品低黏度化帶來燃油經(jīng)濟性提升的發(fā)展趨勢。

表5 不同黏度指數(shù)改進劑在75W-90車輛齒輪油中的剪切穩(wěn)定性對比

結(jié)束語

超高黏度茂金屬PAO的相對分子質(zhì)量分布非常窄，具有優(yōu)異的高低溫性能、高的黏度指數(shù)以及非常好的剪切穩(wěn)定性。其應(yīng)用于75W-90車輛齒輪油中，可完全替代傳統(tǒng)的PAMA型黏度指數(shù)改進劑，產(chǎn)品的KRL剪切變化率小，能完全滿足新國標對車輛齒輪油剪切性能的要求。

茂金屬PAO比傳統(tǒng)PAO具有更多的性能優(yōu)勢，是一類優(yōu)異的潤滑油基礎(chǔ)油，可滿足許多潤滑油的苛刻應(yīng)用，將是未來高級基礎(chǔ)油的發(fā)展方向。