潤滑油基礎油組成對低溫性能的影響

張美瓊，王燕，張靜，馬蕊燕，王凱明，張霞玲，何軍

(中石油克拉瑪依石化有限責任公司煉油化工研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

潤滑油主要是由基礎油和添加劑兩部分組成，其中基礎油約占90%以上，是潤滑油的主要成分，對潤滑油的性能起著重要作用。基礎油因原油屬性和生產工藝的不同而產生的組成變化會導致其性質發(fā)生變化，同時這些變化也會帶來油品相關性能的變化?；A油的組成復雜，但從族組成看，主要由飽和烴(鏈烷烴和環(huán)烷烴)、芳香烴和極性化合物等組成[1]。潤滑油基礎油的組成與其性能之間有著密切的關系，組成不同，潤滑油性能將不同。本文重點定性考察基礎油組成對油品低溫性能的影響，為掌握基礎油低溫性能的變化規(guī)律提供幫助，同時對潤滑油的產品質量控制也具有指導意義。

1 試驗用油樣

克拉瑪依某石蠟基餾分油經(jīng)過高壓加氫工藝處理后得到基礎油A，某環(huán)烷基餾分油經(jīng)過中壓加氫工藝處理后得到基礎油B。基礎油A和B黏度等級相同，但因原油屬性和生產工藝不同，兩者在組成上有很大差異，導致它們的性質有很大差別。

將基礎油A和B按不同比例調合，并對A、B以及各調合油進行組成和低溫性質分析，考察組成對油品低溫性質的影響，分析結果如表1所示。

表1 基礎油A和基礎油B調合油的性質

從表1可以看出，基礎油A、B以及各調合油的40 ℃黏度等級相同，可以消除油品黏度對性質的影響。對表1中的性質數(shù)據(jù)進行分析和定性關聯(lián)，結果如下文所示。

2 試驗結果及分析

2.1 基礎油組成對黏度指數(shù)的影響

黏度指數(shù)表示油品黏溫性能的好壞，能較好地反映基礎油組成變化以及精制程度。

CP值表示鏈烷烴上的碳原子占總碳原子數(shù)的百分數(shù)[2]，是間接表征油品鏈烷烴含量高低的一種方法。分析表1中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)CP值對黏度指數(shù)的影響關系如圖1所示。

圖1 CP值對黏度指數(shù)的影響關系

從圖1可以看出，隨CP值的升高，黏度指數(shù)呈近正比例的增大。

在各烴類中，黏度指數(shù)由高到低排列為正構烷烴>異構烷烴>環(huán)烷烴>芳香烴，鏈烷烴包含正構烷烴和異構烷烴，鏈烷烴的黏度指數(shù)隨著支鏈的增多而變低，環(huán)狀烴(包括環(huán)烷烴和芳香烴)分子中的環(huán)數(shù)增多時，黏度指數(shù)顯著變低，甚至變?yōu)樨撝礫3]。

可見鏈烷烴是對黏度指數(shù)貢獻最大的烴類，隨CP值的升高，使得黏度指數(shù)呈圖1所示的近正比例增大的趨勢。

2.2 基礎油組成對低溫性能的影響

2.2.1 濁點

濁點是油品在標準狀態(tài)下冷卻至開始出現(xiàn)渾濁的溫度，是表征油品低溫性能的一項指標。基礎油A、B調合油的濁點與飽和烴含量的關系如圖2所示。

圖2 濁點與飽和烴含量的關系

從圖2可以看出，隨飽和烴含量的增大，基礎油A、B調合油的濁點呈近正比例的升高，說明飽和烴含量對濁點的貢獻大。

各烴類中，濁點由高到低排列為正構烷烴>異構烷烴>環(huán)烷烴>芳香烴，環(huán)狀烴(包括環(huán)烷烴和芳香烴)上的長側鏈也會使?jié)狳c升高。正構烷烴、異構烷烴、環(huán)烷烴統(tǒng)稱飽和烴，它們的含量高，濁點就高，它們的含量低，濁點就低[4]。

2.2.2 傾點

傾點是指油樣在標準條件下冷卻時，能夠繼續(xù)流動的最低溫度。傾點是表征潤滑油產品低溫流動性的常規(guī)技術指標，傾點低，則油品流動性好，對于油品運輸、裝卸以及使用都是有利的[5]。

石蠟基油A和環(huán)烷基油B調合油樣的傾點跟調合比例的關系如圖3所示。

圖3 傾點與調合比例的關系

從圖3可以看出：從A∶B=6∶4開始，增大B的比例，至A∶B=1∶9，調合油的傾點均分別低于A、B兩者的傾點；當A或B含量太低時，傾點降低效果均不明顯，即當石蠟基油和環(huán)烷基油調合且兩組分含量均不是很低時，可以使調合油傾點低于兩單組分的傾點。

油品的凝固方式分為黏溫凝固和構造凝固。黏溫凝固是在溫度不斷降低的情況下，油品黏度逐漸增大，流動性變差，直至整體不能流動。構造凝固是油品中的蠟在低溫條件下結晶析出，形成針狀或片狀結晶并相互聯(lián)結，構成三維空間網(wǎng)狀結構，將油通過吸附包于其中，致使整個油品失去流動性。

環(huán)烷基基礎油的蠟含量很低，其凝固方式主要是黏溫凝固，而石蠟基基礎油的凝固方式主要是構造凝固。

當石蠟基油和環(huán)烷基油混合時，環(huán)烷基油就如同“溶劑”一般，能夠溶解石蠟基油析出的蠟，使析蠟點降低；環(huán)烷基油中的環(huán)烷烴還會干擾蠟晶成核，使析蠟點進一步降低；且即使溫度足夠低，使蠟結晶析出來，跟純石蠟基油相比，兩基屬油品混合時單位體積的蠟晶數(shù)目較低、距離較遠，降低了兩個蠟晶碰撞的幾率。所以環(huán)烷基基礎油加到石蠟基基礎油中后，在“晶核形成”、“蠟晶生長”、“蠟晶顆粒連接”3個方面起到了阻礙構造凝固的作用，降低了傾點。同時，當兩基屬油品混合時，石蠟基基礎油就如同黏度指數(shù)改進劑或者低溫稀釋劑加入到環(huán)烷基基礎油中，提高了油品的黏度指數(shù)。當溫度降低到原來環(huán)烷基基礎油的凝固溫度時，體系還沒有達到凝固所需的表觀黏度，仍然具有流動性，從而阻礙了黏溫凝固。以上兩個因素共同作用，既阻礙了構造凝固，也阻礙了黏溫凝固，最終導致傾點降低現(xiàn)象的產生[6]。

正是由于環(huán)烷基油和石蠟基油在低溫下的凝固方式不同，以及兩者調合時凝固方式的相互干擾，導致基礎油A、B調合油的傾點跟調合比例的關系呈現(xiàn)圖3所示的情況。在實驗室研制產品和工業(yè)化生產時，常常利用石蠟基油和環(huán)烷基油調合可以降低傾點這一規(guī)律來改善油品的低溫性能。

2.2.3 低溫動力黏度

低溫動力黏度(簡稱CCS)是油品在低溫、高剪切速率條件下測得的內摩擦力大小的量度，能反映油品低溫性能的好壞，作為內燃機油的重要性能指標，能預測發(fā)動機在低溫條件下能否順利啟動。

分析表1數(shù)據(jù)可知，對低溫動力黏度影響最為密切的物理性質主要有密度和黏度指數(shù)。

基礎油的密度主要反映了基礎油的餾程和平均分子量的變化情況，而低溫動力黏度又與基礎油的組分變化密切相關，所以密度是低溫動力黏度的一個重要函數(shù)。A、B調合油的低溫動力黏度與密度的關系如圖4所示。

圖4 低溫動力黏度與密度的關系

從圖4可以看出，低溫動力黏度與密度成正相關關系，即低溫動力黏度隨基礎油密度的增大而增大?；A油組分的餾程越高，重組分含量越高，平均分子量越大，密度就越大，低溫動力黏度也越大。

基礎油的低溫動力黏度與其組成密切相關，而黏度指數(shù)又能較好地反映基礎油組成變化以及精制程度的情況，所以黏度指數(shù)也是影響基礎油低溫動力黏度的一個重要因素。基礎油A、B調合油的低溫動力黏度與黏度指數(shù)的關系如圖5所示。

圖5 低溫動力黏度與黏度指數(shù)的關系

從圖5可以看出，基礎油A、B調合油的低溫動力黏度與黏度指數(shù)成反相關關系，相同黏度的基礎油，隨著黏度指數(shù)的增大，基礎油的低溫動力黏度降低，這也說明黏度指數(shù)的變化能夠較好地反映出基礎油低溫動力黏度隨其組成的變化情況：基礎油中多環(huán)烷烴和多環(huán)芳烴等非理想組分含量越低，基礎油的黏度指數(shù)就越高，其低溫動力黏度就越小[3]。

2.2.4 兩相分離溫度

將裝有試驗油和制冷劑的試管放在水浴中升溫，使試驗油和制冷劑成為均一、透明的溶液，然后在冷浴中冷卻試管，降溫過程中溶液分離成兩相或整個溶液乳濁時的溫度為兩相分離溫度。兩相分離溫度用來表征油品與制冷劑的相溶性，是油品(特別是冷凍機油)的低溫性能指標之一。

基礎油A、B調合油的兩相分離溫度與芳香烴含量的關系如圖6所示。

圖6 兩相分離溫度與芳香烴含量的關系

從圖6可以看出，隨著芳香烴含量的升高，兩相分離溫度降低，即油樣溶解制冷劑的能力變好，當芳香烴含量≤11.7%時，兩相分離溫度>38 ℃，說明油樣溶解制冷劑的能力較差。

在油品的各種烴類組成中，芳香烴的溶解能力比其他烴類好，當測量兩相分離溫度時，芳香烴含量越高，油品溶解制冷劑的能力越強，從而使得兩相分離溫度降低，即隨著芳香烴含量的升高，兩相分離溫度降低。

3 結論

(1)各烴類中，濁點由高到低排列為正構烷烴>異構烷烴>環(huán)烷烴>芳香烴，飽和烴(包含正構烷烴、異構烷烴和環(huán)烷烴)含量對濁點的貢獻大，隨飽和烴含量的增大，濁點呈近正比例的升高。

(2)環(huán)烷基油和石蠟基油在低溫下的凝固方式不同，兩者調合時凝固方式相互干擾，當兩者調合且兩組分含量均不是很低時，可以使調合油傾點低于兩單組分的傾點，在實驗室研制產品和工業(yè)化生產時，常常利用這一規(guī)律來改善油品的低溫性能。

(3)基礎油組分的餾程越高，重組分含量越高，平均分子量越大，密度就越大，低溫動力黏度也越大，且低溫動力黏度與密度成正相關關系；基礎油中多環(huán)烷烴和多環(huán)芳烴等非理想組分含量越低，基礎油的黏度指數(shù)就越高，其低溫動力黏度就越小，且低溫動力黏度與黏度指數(shù)成反相關關系。

(4)隨著芳香烴含量的升高，油樣的兩相分離溫度降低，即油樣溶解制冷劑的能力變好。