PAO 基礎油調(diào)和應用研究進展

白忠祥，安良成，張安貴

（國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司煤炭工業(yè)技術研究院 寧夏銀川750411)

近年來，隨著汽車、機械工業(yè)的迅速發(fā)展以及人們節(jié)能、環(huán)保意識的增強對潤滑油提出了更高的要求。市場份額占比較大的石油型基礎油已經(jīng)不能完全滿足機械在某些茍刻環(huán)境下工作的條件，這使得合成潤滑油得以發(fā)展［1］。聚α- 烯烴(PAO) 作為主要的合成潤滑油因其粘溫性、低溫流動性、氧化安定性、蒸發(fā)損失等方面的突出優(yōu)點［2］，可作為高品質(zhì)的潤滑油基礎油，能夠減少機械的換油周期，延長使用壽命。并且，PAO 幾乎不含硫，可生物降解，分解后對環(huán)境的污染小，是一種環(huán)保型潤滑油。目前，PAO 被廣泛應用于許多領域，如PAO 與潤滑油添加劑調(diào)制出的不同類型的潤滑油，并應用于汽車內(nèi)燃機油、熱導油、壓縮機油及航天航空、軍工用油等領域［3-4］。

1 PAO 基礎油的發(fā)展簡況

PAO 是飽和烯烴的低聚物，主要是通過線性a- 烯烴在催化劑的作用下發(fā)生齊聚反應聚合得到。制備過程可分為兩步：第一步烯烴聚合，根據(jù)所需PAO 粘度不同選用不同的催化劑體系進行聚合反應，常用的催化劑有AlCL3、BF3、Ziegar-Natta 及離子液體等，聚合生成二聚體、三聚體、四聚體、五聚體等。第二步是加氫飽和，在加氫催化劑的作用下，使未反應的烯烴雙鍵飽和，提高PAO 的化學穩(wěn)定性和氧化安定性［5-7］。工業(yè)上現(xiàn)在主要是通過石蠟裂解法和乙烯齊聚法制備PAO，最近幾年，隨著煤制油裝置的陸續(xù)投產(chǎn)，相應的分離α- 烯烴和生產(chǎn)PAO 等下游產(chǎn)業(yè)鏈也得到快速發(fā)展。

當前全球市場的PAO 產(chǎn)能約在60.5 萬t/a，其中低粘度PAO 約在45.7 萬t/a，高粘度PAO 約在14.8 萬t/a［8］。美國Grand View Research 研究報告預測，預計至2025 年，PAO 使用量將以每年3.5%的速度增加，全球市場對PAO需求量將達到81.52 萬噸［9］。

我國潤滑油行業(yè)已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，正處在轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、轉(zhuǎn)換增長動力的關鍵時期。目前，國內(nèi)PAO 消費量僅為3～4 萬噸/ 年，發(fā)展?jié)摿薮?。世界上大多?shù)高端潤滑油均采用全合成PAO 作為基礎油。對于高端潤滑油產(chǎn)品的需求將推動PAO 需求的快速增長。

2 PAO 的調(diào)和應用

2.1 車用發(fā)動機油

大約70%～90% 的PAO 基礎油應用于合成或半合成發(fā)動機油，以PAO 基礎油調(diào)制的發(fā)動機油具備以下特點：高溫性能好，可以滿足現(xiàn)代車輛的使用要求；低溫動力粘度和傾點低，低溫流動性好，可調(diào)制溫度跨度大的發(fā)動機油，可以在嚴寒環(huán)境下使用；粘溫性能好，減少了粘指劑的用量；潤滑性能好，可以減少機械部件之間的磨損，延長車輛的使用壽命；蒸發(fā)損失低，減少潤滑油消耗。

李世強［10-13］發(fā)明一種0W/20 的SN 級汽油機油，指出將PAO 基礎油、GTL 基礎油和多元醇脂混合，加入抗磨劑、粘指劑等添加劑可調(diào)和出一種傾點為-38℃，100 ℃下運動粘度為5.5mm2/s～9.1mm2/s 汽油機油，油品兼具低傾點和良好的運動粘度變化值的同時，抗氧化性能也有明顯的提升，延長了換油周期，保持使用可延長發(fā)動機的壽命。并且燃油可以完全燃燒，尾氣污染物降低明顯。以PAO 基礎油為主，可調(diào)和出5W/30、10W/30、10W/40 的SN 級不同運動粘度的汽油機油，都具有良好的性能。

謝 欣［14］采 用 以PAO4、PAO6 基 礎 油 為 主，加 入新型功能劑開發(fā)的自主復合添加劑調(diào)和得到一種100℃運動粘度14mm2/s，傾點為-54℃，閃點為236℃的SN 0W/40 汽油機油。并通過了SN 規(guī)格要求的全部理化和模擬評定試驗。通過發(fā)動機試驗，可知調(diào)和油在抗氧化性能和控制粘度增長能力方面已經(jīng)超越SN 規(guī)格所要求的，大大延長了換油周期，并且還能顯示出優(yōu)良的活塞清凈性能、高低溫下的抗磨性能和節(jié)能性能。開發(fā)的汽油機油復合劑配方技術同時可以調(diào)配0W/20、0W/30、3W/30、5W/40 等多個粘度級別的SN 規(guī)格汽油機油。

葉小娟等［15］以PAO4、PAO6、酯類基礎油為主，加入復合添加劑、助劑、增粘劑調(diào)和得到一種超低溫柴油機油。該油品傾點較低，可達到-66℃，在我國所有地區(qū)冬季普遍適用，且滿足0W-30 粘度等級要求，符合API CI-4 質(zhì)量等級要求，適用于國四排放車輛。

邢國渝［16］采用PAO10 為主要基礎油，加入一定量合成酯類基礎油，同時添加摩擦改進劑、柴油機油復合劑、粘指劑、抗氧劑等，調(diào)和制得一種含鉬柴油發(fā)動機潤滑油。研制得到的5W/30，符合CJ-4 質(zhì)量等級要求的柴油機油，對其進行摩擦磨損試驗，行車試驗，結(jié)果顯示，使用該機油使發(fā)動機的磨損明顯降低，大大延長了換油期，使汽車發(fā)動機油換油期從5000 公里延長至5 萬公里，燃油經(jīng)濟性方面，可以節(jié)省燃油7%～10%。同時有機鉬摩擦改進劑的加入可以取代部分含磷添加劑，降低了潤滑油組分中的磷含量，減少對汽車尾氣三元催化裝置的影響，降低排放，對環(huán)境污染小。

2.2 齒輪油

PAO 基礎油在車輛齒輪油和工業(yè)齒輪油的調(diào)和應用可增加油品的抗氧化性和抗磨性能。華秀菱等［17］采用PAO 為基礎油，加入抗氧劑、抗磨劑、防銹防腐劑等不同功能添加劑，在復配劑用量為質(zhì)量分數(shù)2.0%的時候，可調(diào)制出性能優(yōu)良的68-680 全合成工業(yè)齒輪油。其中研發(fā)的昆侖KG ／ S320 在100℃運動粘度為35mm2/s，粘度指數(shù)為155，傾點為-42℃，閃點為298℃，同時與國外同類油品相比，產(chǎn)品具有突出的抗氧化性，旋轉(zhuǎn)氧彈氧化時間達到1200min 以上，完全可以滿足風電高性能設備安全運轉(zhuǎn)的使用要求，將不同牌號的調(diào)和工業(yè)齒輪油應用在國內(nèi)多家企業(yè)的減速機齒輪箱中替代國外同品質(zhì)油品使用，效果良好。

劉青才等［18］將茂金屬PAO 應用于調(diào)和75W-90 車輛齒輪油。研究表明茂金屬PAO 具有良好的剪切穩(wěn)定性和高低溫性能，用于調(diào)和75W-90 車輛齒輪油可實現(xiàn)完全替代PAMA 型粘指劑的作用，減少了添加劑的用量，降低了生產(chǎn)成本，提高了齒輪油的性能。

張繼平等［19］以PAO6、酯類油A 和礦物油為基礎油，調(diào)和得到一種艦船用燃氣輪機齒輪油。在100℃運動粘度為7.64mm2/s，粘度指數(shù)為158，傾點為-56℃，閃點為233℃，調(diào)和油各項性能滿足質(zhì)量要求，且具有較高的粘度指數(shù)，低傾點。在防腐蝕和抗泡等方面優(yōu)于試驗所選的進口潤滑油。

2.3 航空潤滑油

PAO 合成油較礦物潤滑油綜合性能優(yōu)異，被廣泛應用于航空、航天和軍事等多種高技術領域。吳楠等［20］以PAO 合成潤滑油為基礎油，混合調(diào)配抗氧劑2，6- 二叔丁基對甲酚(DBPC) 和p，p’-二異辛基二苯胺(DODPA)，加入清凈劑、分散劑、摩擦緩和劑等其他添加劑調(diào)制而成一種航空發(fā)動機潤滑油。研究表明當加入抗氧劑后，油品粘度的衰減過程明顯減緩，說明抗氧劑能夠有效增強PAO 航空潤滑油的熱氧化安定性。

劉偉［21］研究了分別采用PAO3 和PAO20 為基礎油，加入抗氧劑復合配方，調(diào)和得到8B 航空噴氣機潤滑油和20 號航空潤滑油，所研制的潤滑油滿足產(chǎn)品質(zhì)量標準，且在低溫流動性，熱氧化安定性，粘溫性能和蒸發(fā)損失方面均優(yōu)于以蠟裂解烯烴為基礎油調(diào)和的潤滑油。

Michael 等［22］研 究 了 基 于PAO 的3001A 和3001的航空潤滑油，其中3001A 潤滑油在100℃運動粘度為15.75mm2/s，粘度指數(shù)為130，傾點為-48℃。通過用螺旋軌道測試儀和真空四球摩擦試驗機試驗了其摩擦學性能，結(jié)果表明在高真空環(huán)境下呈現(xiàn)出優(yōu)異的潤滑性能。

2.4 其他領域應用

王鵬等［23］研究了高壓加氫環(huán)烷基基礎油及PAO 基礎油（100℃運動粘度10mm2/s，傾點為-48℃，粘度指數(shù)136）為原料，采用合適的添加劑方案，調(diào)和出一種100℃運動粘度8.8mm2/s，傾點為-50℃，絮凝點為-48℃，粘度指數(shù)109 的半合成冷凍機油，油品與氨制冷劑（R717）具有良好的化學穩(wěn)定性，且具有較高的粘度指數(shù)，較低的絮凝點以及良好的熱氧化安定性。優(yōu)良的抗磨性能，完美適用于以氨為制冷劑的深冷冷凍機壓縮機組。

黃福川等［24］以PAO、合成酯為主要組分油的基礎油體系，加入復合金屬清潔劑、無灰分散劑、極壓抗磨劑等功能添加劑，調(diào)和得到一種環(huán)境友好節(jié)能型重負荷螺桿壓縮機油，該組合物不僅各種工作性能良好、使用壽命和換油期長，而且生物可降解性好、螺桿磨損和腐蝕減少，滿足重負荷螺桿壓縮機油特殊的使用工況要求，工作效率高。

王 穩(wěn) 等［25］研 究 了 以PAO6 與PAO8 構(gòu) 成 基 礎 油，添加劑包括：粘度指數(shù)改進劑、抗氧化劑、防銹劑等，調(diào)和成一種全合成自動變速器潤滑油，100℃運動粘度為7.46mm2/s，粘度指數(shù)為159，傾點為-44℃，閃點為261℃。研究顯示，在行車試驗里程6×104km 內(nèi)，與選取的參比油相比，PAO 調(diào)和油具有更好的粘度控制性能，抗氧化效果較好，其他指標如磨斑直徑 WSD 值、最大無卡咬負荷PB 值、閃點變化趨勢基本一致。

熊晶［26］研制了以PAO 為基礎油，調(diào)和制得一種微電機專用潤滑油。在100℃運動粘度為5.71mm2/s，粘度指數(shù)為190，傾點為-61℃，閃點為220℃。其具有優(yōu)異的抗磨與抗氧性能，性能可與國外同類產(chǎn)品相媲美，壽命長且性價比高，完全滿足微電機運行過程中低噪聲的要求。

李志濤等［27］采用PAO 與礦物油作為基礎油，加入復合鋁皂稠化劑、增粘劑、抗磨極壓劑調(diào)和成一種高速重載滾動軸承潤滑脂，研制的潤滑脂的燒結(jié)負荷為3924N，F(xiàn)alex 連續(xù)負載18495N，氧化壓力降 (99℃，100 h)0.02MPa，滴點281℃，相似粘度(-15℃，10 s-1) 1172 Pa.s，水淋流失量(79℃，60 min)3.0%，抗水噴霧試驗12.0 %。顯示出良好的抗磨極壓性能，抗氧化性能，高低溫性能，抗水性能和粘附性能等，達到了研制目標。

3 PAO 基礎油的應用展望

PAO 是一種純的飽和烴化合物，不含芳烴和其他基團，因此無毒性，不刺激皮膚或黏膜。對皮膚具有良好的滲透性和營養(yǎng)保濕效果，所以PAO 也廣泛應用在化妝品和護膚品中。此外，因PAO 具有良好的絕緣性和較長使用壽命，PAO 是一種有效的流體絕緣劑。隨著工業(yè)不斷的發(fā)展，對潤滑油的要求越來越高，如高溫航空潤滑油、高溫潤滑脂、軍事科技中的潤滑材料等一系列要求的行業(yè)。

4 結(jié)語

本文綜述了PAO 基礎油在汽油機油、柴油機油、齒輪油、冷凍機油、航天航空等諸多領域的調(diào)和應用，研究表明PAO 在調(diào)和高品質(zhì)潤滑油中顯示出優(yōu)良獨特的性能，雖價格較其他基礎油較高，但是在一些高端領域具有無可替代的地位。所以需開發(fā)更多性能優(yōu)良的PAO 基礎油合成技術，以滿足日益增長的需求。

為了更好提升發(fā)動機油的性能，則需要PAO 潤滑油具備更好的抗氧化性能，優(yōu)異的粘度控制和沉積物控制性能，同時隨著我國風力發(fā)電的不斷發(fā)展，開發(fā)風力發(fā)電機用PAO 合成潤滑油勢在必行，以滿足其最大限度延長潤滑油壽命，減少換油操作要求。國內(nèi)高鐵技術居世界領先地位，行業(yè)也需要長時間耐高溫、長壽命、震動沖擊、極高的低溫性能等要求更嚴苛的潤滑產(chǎn)品。未來高品質(zhì)的合成潤滑油必將是高質(zhì)量、綠色、節(jié)能的發(fā)展趨勢。

目前一些石油化工企業(yè)通過與煤制油企業(yè)合資合作（如潞安集團），技術開發(fā)和生產(chǎn)CTL 基礎油以及PAO基礎油產(chǎn)品，能夠為國內(nèi)市場提供大量的高檔基礎油產(chǎn)品，并可能會極大地改變我國基礎油市場現(xiàn)狀。