煤基SN級(jí)5W-30汽油機(jī)油的研究

馮 弦，韓 偉，杜宗罡，蘭海平，吳 華，趙利華

(西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，西安 710100)

近年來，隨著我國汽車保有量持續(xù)增加以及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷更新升級(jí)，車用機(jī)油的需求量也保持著穩(wěn)增趨勢(shì)。在日益嚴(yán)峻的環(huán)保壓力下，車用潤(rùn)滑油行業(yè)也開始向質(zhì)量等級(jí)更高，節(jié)能型更好的全合成類潤(rùn)滑油方向發(fā)展[1-2]。目前，合成類潤(rùn)滑油作為高端潤(rùn)滑油產(chǎn)品僅占據(jù)國內(nèi)潤(rùn)滑油市場(chǎng)的15%，其中PAO油約占其中一半以上的市場(chǎng)份額，另外還包括有機(jī)酯、多元醇等類型的合成潤(rùn)滑油。國際潤(rùn)滑劑標(biāo)準(zhǔn)與審查委員會(huì)推出的GF-5汽油機(jī)油規(guī)格對(duì)基礎(chǔ)油和添加劑提出了更高的要求，對(duì)于基礎(chǔ)油來說，傳統(tǒng)的Ⅰ類、Ⅱ類基礎(chǔ)油將很難滿足高等級(jí)潤(rùn)滑油的調(diào)合需求，因此具有更高黏度指數(shù)的Ⅲ類基礎(chǔ)油以及Ⅲ+基礎(chǔ)油逐漸成為高等級(jí)潤(rùn)滑油主要的基礎(chǔ)油來源[3-4]。

隨著煤制油逐漸進(jìn)入快速發(fā)展期，不僅在車用汽油、柴油等常規(guī)油品領(lǐng)域內(nèi)表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，同樣在潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油等特種油品中也開始嶄露頭角。煤基基礎(chǔ)油主要有以下優(yōu)勢(shì)：①基礎(chǔ)油組成較為單一，主要為異構(gòu)烷烴類混合物；②高的黏度指數(shù)，費(fèi)-托合成基礎(chǔ)油黏度指數(shù)在130以上，高于傳統(tǒng)的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ類礦物油，很接近PAO類合成油，且具有較好的低溫性能；③更高的清潔環(huán)保性，煤基基礎(chǔ)油不含芳烴、幾乎不含硫，飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過99%。因此，煤基基礎(chǔ)油完全可以作為優(yōu)質(zhì)的潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油組分[5]?；诖耍菊n題對(duì)煤基基礎(chǔ)油制備SN級(jí)汽油機(jī)油的可行性進(jìn)行研究，在確定兩種煤基基礎(chǔ)油復(fù)合比例的前提下，考察添加劑的添加量對(duì)潤(rùn)滑油產(chǎn)品主要性能的影響，以期為煤基潤(rùn)滑油配方研制提供部分理論參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及試劑

煤基基礎(chǔ)油A和B，購于國內(nèi)某企業(yè)；聚α-烯烴、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、3種SN級(jí)汽油機(jī)油復(fù)合劑(簡(jiǎn)稱復(fù)合劑1、復(fù)合劑2、復(fù)合劑3)、乙丙共聚物(OCP)、氫化苯乙烯類雙烯共聚物(HSD)，均由國內(nèi)某公司提供；礦物油基礎(chǔ)油、PAO6(聚α-烯烴類合成油)、兩種品牌汽油機(jī)油(簡(jiǎn)稱品牌1、品牌2)，均由國內(nèi)某潤(rùn)滑油生產(chǎn)廠商提供。

1.2 分析測(cè)試方法

采用大連智能儀器儀表有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為DZY-005F低溫運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定器對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行黏度測(cè)定，控溫范圍為-70～100 ℃。采用上海新諾儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的BSY-175型石油傾點(diǎn)測(cè)定儀對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行傾點(diǎn)測(cè)定，傾點(diǎn)來表征潤(rùn)滑油的低溫性能。采用大連智能儀器儀表有限公司生產(chǎn)的全自動(dòng)表觀黏度測(cè)定儀(CCS)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行表觀黏度測(cè)定，測(cè)定范圍為1 500～27 000 mPa·s，測(cè)定溫度為-30 ℃。采用遼寧賽亞斯科技有限公司生產(chǎn)的高溫高剪切動(dòng)力黏度測(cè)定儀SYS-0703對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行高溫高剪切動(dòng)力黏度測(cè)定，溫度為150 ℃，剪切速率為1×106s-1。

1.3 煤基SN級(jí)5W-30汽油機(jī)油的制備

將煤基基礎(chǔ)油A和B按照一定質(zhì)量比調(diào)合后作為復(fù)合基礎(chǔ)油，然后依次加入一定量的降凝劑、增黏劑、復(fù)合劑、抗泡劑，混合均勻后將樣品置于50 ℃水浴鍋中，攪拌30～60 min，經(jīng)過濾得到潤(rùn)滑油成品，即煤基SN級(jí)5W-30汽油機(jī)油。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類型基礎(chǔ)油對(duì)比

將兩種煤基基礎(chǔ)油與傳統(tǒng)礦物油和PAO6的主要性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 煤基基礎(chǔ)油、傳統(tǒng)礦物油和PAO類油的主要性質(zhì)

由表1可知：與傳統(tǒng)加氫方式所得礦物基礎(chǔ)油相比，煤基基礎(chǔ)油A和B的密度、運(yùn)動(dòng)黏度、傾點(diǎn)和低溫動(dòng)力黏度更低，從而保證了調(diào)配所得潤(rùn)滑油產(chǎn)品具有優(yōu)良的低溫性能；此外，傳統(tǒng)礦物基礎(chǔ)油由于生產(chǎn)工藝的限制而含有少量的硫和芳烴，而煤基基礎(chǔ)油均不含硫和芳烴，且具有較低的蒸發(fā)損失；PAO6具有最優(yōu)的黏度特性，在保證高黏度的同時(shí)兼具優(yōu)良的低溫性能。綜合對(duì)比3類基礎(chǔ)油可以看出，煤基基礎(chǔ)油在API分類中介于Ⅲ類和Ⅳ類基礎(chǔ)油之間，與PAO6相差不大，但得益于其生產(chǎn)工藝和原料的優(yōu)越性，煤基基礎(chǔ)油具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因此可以作為調(diào)配高黏度等級(jí)潤(rùn)滑油的理想原料。兩種煤基基礎(chǔ)油的主要性質(zhì)對(duì)比可以看出，煤基基礎(chǔ)油A傾點(diǎn)為-42 ℃，優(yōu)于煤基基礎(chǔ)油B，并且具有較低的黏度。在后續(xù)基礎(chǔ)油復(fù)合過程中，為了保證潤(rùn)滑油產(chǎn)品具有良好的低溫性和黏度性能，應(yīng)充分協(xié)調(diào)好兩者之間的質(zhì)量配比，二者混合復(fù)配作為復(fù)合基礎(chǔ)油，通過理論計(jì)算初步確定煤基基礎(chǔ)油A和B的質(zhì)量比為65∶35，其他添加劑添加量以與復(fù)合基礎(chǔ)油的質(zhì)量比計(jì)。

2.2 添加劑的影響

在潤(rùn)滑油生產(chǎn)過程中，為了彌補(bǔ)基礎(chǔ)油性能不足，一般需要添加不同種類的添加劑來滿足潤(rùn)滑油對(duì)多種性能的需求，目前該方法已成為提高潤(rùn)滑油質(zhì)量、增加潤(rùn)滑油品種的主要途徑之一[6]。結(jié)合煤基基礎(chǔ)油性質(zhì)特點(diǎn)，選用市售的降凝劑、復(fù)合劑、增黏劑等添加劑進(jìn)行研究。

2.2.1 降凝劑的影響一般來說，對(duì)于同碳數(shù)的烴類物質(zhì)來說，正構(gòu)烷烴的凝點(diǎn)要大于異構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴。對(duì)于煤基基礎(chǔ)油來說，其化學(xué)組成主要為烴類物質(zhì)，且不含硫氮等雜原子以及芳烴類物質(zhì)，正構(gòu)烷烴占比將成為影響基礎(chǔ)油低溫性能的主要因素。為選擇與煤基基礎(chǔ)油適配性更好的降凝劑種類以及合適的添加量范圍，考察聚α-烯烴和PMA作為降凝劑對(duì)復(fù)合基礎(chǔ)油傾點(diǎn)的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 降凝劑添加量對(duì)復(fù)合基礎(chǔ)油傾點(diǎn)的影響■—PMA； ●—聚α-烯烴

由圖1可以看出：兩種降凝劑對(duì)煤基基礎(chǔ)油均具有一定的降凝效果，且聚α-烯烴效果更為顯著，隨著聚α-烯烴添加量的增加，復(fù)合基礎(chǔ)油的傾點(diǎn)持續(xù)下降，在添加量為0.4%時(shí)，傾點(diǎn)為-50 ℃，表明聚α-烯烴對(duì)煤基基礎(chǔ)油具有良好的適配性；PMA在添加量為0.4%時(shí)達(dá)到最優(yōu)降凝效果，使復(fù)合基礎(chǔ)油傾點(diǎn)由-41 ℃降至-47 ℃。煤基基礎(chǔ)油本身具有較低的傾點(diǎn)，主要是由于異構(gòu)化程度高，且異構(gòu)烷烴碳數(shù)分布范圍廣，僅含有少量的正構(gòu)烷烴。此外，由于降凝劑的加入，降凝劑中的長(zhǎng)鏈烷基與基礎(chǔ)油中少量直鏈烷烴形成共晶作用，改變了原有的針狀或片狀晶型結(jié)構(gòu)，進(jìn)而避免了在現(xiàn)有晶核的基礎(chǔ)上吸附堆積而進(jìn)一步生長(zhǎng)成為較為穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，保證了基礎(chǔ)油具有較好的低溫流動(dòng)性[7-8]。

降凝劑都是高分子聚合物，其本身具有較高的黏度，添加到基礎(chǔ)油中必將會(huì)對(duì)其存在一定的增黏作用。因此，在潤(rùn)滑油的調(diào)合過程中，有必要對(duì)降凝劑的增黏效應(yīng)進(jìn)行測(cè)定，以控制合適的添加量。以運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)作為降凝劑增黏效應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，兩種降凝劑添加量對(duì)復(fù)合基礎(chǔ)油運(yùn)動(dòng)黏度的影響見圖2。從圖2可以看出，隨著降凝劑添加量的增加，復(fù)合基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度逐漸升高，但PMA增黏效果優(yōu)于聚α-烯烴。結(jié)合圖1和圖2可以看出：當(dāng)降凝劑添加量小于0.3%時(shí)，降凝效應(yīng)高于增黏效應(yīng)；當(dāng)降凝劑添加量大于0.3%時(shí)，降凝劑對(duì)基礎(chǔ)油的增黏效果大幅增加，表現(xiàn)出增黏效應(yīng)大于降凝效應(yīng)；聚α-烯烴添加量高于0.4%時(shí)，復(fù)合基礎(chǔ)油黏度變化幅度有所減小，但傾點(diǎn)仍具有明顯下降趨勢(shì)。因此，為了獲得更優(yōu)良的低溫性能，選取聚α-烯烴作為主要降凝劑，添加量為0.5%。

圖2 降凝劑添加量對(duì)復(fù)合基礎(chǔ)油運(yùn)動(dòng)黏度的影響■—PMA； ●—聚α-烯烴

2.2.2 復(fù)合劑的影響復(fù)合劑作為多種功能添加劑的組合，其配方研究較為復(fù)雜。因此，采用市售的3種SN級(jí)汽油機(jī)油復(fù)合劑，在降凝劑添加量不變的前提下，考察復(fù)合劑添加量對(duì)復(fù)合基礎(chǔ)油傾點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)黏度的影響，結(jié)果見圖3。由圖3(a)可以看出，3種復(fù)合劑對(duì)復(fù)合基礎(chǔ)油傾點(diǎn)的影響較小，均在2 ℃以內(nèi)，但復(fù)合劑3具有較優(yōu)的低溫性能。復(fù)合劑對(duì)傾點(diǎn)的影響主要通過改變分子間的流動(dòng)性來實(shí)現(xiàn)，作為大分子類聚合物，與煤基基礎(chǔ)油混合后導(dǎo)致油中分子間距離減小，分子間摩擦力增加，進(jìn)而導(dǎo)致油品的低溫流動(dòng)性降低。由圖3(b)可以看出：隨著復(fù)合劑添加量的增加，復(fù)合基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度不斷提高；復(fù)合劑3在保證復(fù)合基礎(chǔ)油具有良好低溫性能的同時(shí)高溫黏度也大幅提高，性能優(yōu)于復(fù)合劑1和復(fù)合劑2。因此，在后續(xù)潤(rùn)滑油產(chǎn)品調(diào)配過程中選擇復(fù)合劑3，添加量為9%。

圖3 復(fù)合劑添加量對(duì)復(fù)合基礎(chǔ)油傾點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)黏度的影響■—復(fù)合劑1； ●—復(fù)合劑2； ▲—復(fù)合劑3

2.2.3 增黏劑的影響?zhàn)ざ茸鳛闈?rùn)滑油性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，用來評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油等級(jí)以及作為更換潤(rùn)滑油的基礎(chǔ)信號(hào)，對(duì)于SN級(jí)5W-30類汽油機(jī)油來說，其運(yùn)動(dòng)黏度(100 ℃)應(yīng)保持在9.3～12.5 mm2s范圍內(nèi)，僅通過采用添加復(fù)合劑的方法并不能使其達(dá)到合格的黏度指標(biāo)，因此需要添加增黏劑來提高復(fù)合基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度。選取OCP和HSD作為增黏劑，其添加量對(duì)復(fù)合基礎(chǔ)油傾點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)黏度的影響見圖4。

圖4 增黏劑添加量對(duì)復(fù)合基礎(chǔ)油傾點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)黏度的影響■—HSD； ●—OCP

由圖4可以看出：隨著增黏劑添加量的增加，復(fù)合基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度不斷升高；OCP和HSD均滿足傾點(diǎn)不大于-35 ℃的要求，但HSD具有相對(duì)較優(yōu)的低溫性能，能夠在提高油品黏度的同時(shí)不會(huì)較大幅度地提高油品傾點(diǎn)。從增黏機(jī)理來說，HSD類增黏劑屬于油溶性鏈狀高分子化合物，這類大分子化合物之間通過相互聚集形成大小不一的膠束，隨著溫度的增加，這些膠束在復(fù)合基礎(chǔ)油中相互纏繞從而提高了油品黏度；OCP類增黏劑的增黏能力與HSD類似，但增黏效果略低于HSD，原因可能為兩種增黏劑雖然均為高分子類聚合物，但兩者聚合度不同，平均相對(duì)分子質(zhì)量存在一定的差距[9-10]。綜合考慮增黏能力和低溫性能，選取HSD作為增黏劑，添加量為9%。

2.3 煤基SN級(jí)5W-30汽油機(jī)油理化性能

采用優(yōu)化的添加劑配方制備了煤基SN級(jí)5W-30汽油機(jī)油，與兩種常用的同級(jí)別汽油機(jī)油品牌1和品牌2進(jìn)行主要理化性能的對(duì)比，結(jié)果見表2。由表2可以看出：所制備的煤基SN級(jí)5W-30汽油機(jī)油在各項(xiàng)關(guān)鍵理化性能指標(biāo)上均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫性能；與品牌1和品牌2相比，煤基SN級(jí)5W-30汽油機(jī)油具有更低的低溫動(dòng)力黏度，表明該類潤(rùn)滑油具有更好的低溫啟動(dòng)性能；其高溫高剪切黏度與品牌2接近，略高于品牌1。作為衡量潤(rùn)滑油黏度保持能力和燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵參數(shù)，相對(duì)較高的高溫高剪切黏度能夠在保證一定燃油經(jīng)濟(jì)性的前提下增強(qiáng)潤(rùn)滑油的抗機(jī)械磨損能力，進(jìn)而能夠有效延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命[11-12]。因此，煤基SN級(jí)5W-30汽油機(jī)油在各項(xiàng)關(guān)鍵理化性能指標(biāo)上與市售同級(jí)別潤(rùn)滑油相當(dāng)或部分性能更優(yōu)，為后續(xù)進(jìn)行潤(rùn)滑油的臺(tái)架試驗(yàn)，進(jìn)一步探究其摩擦學(xué)性能提供了數(shù)據(jù)支持。

表2 煤基SN級(jí)5W-30汽油機(jī)油與兩種品牌油的主要理化性質(zhì)對(duì)比

3 結(jié) 論

與傳統(tǒng)礦物基礎(chǔ)油和PAO6相比，煤基基礎(chǔ)油具有較高的黏度指數(shù)，且其組成以異構(gòu)烷烴為主，不含芳烴，分子大小均一，低溫性能優(yōu)良，是調(diào)配高等級(jí)潤(rùn)滑油的理想原料。通過考察不同添加劑的添加量對(duì)復(fù)合基礎(chǔ)油傾點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)黏度的影響，得到降凝劑、復(fù)合劑、增黏劑的最佳添加量分別為0.5%，9%，9%。將在此條件下制備的煤基SN級(jí)5W-30汽油機(jī)油與市售兩品牌SN級(jí)潤(rùn)滑油主要理化性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明煤基SN級(jí)汽油機(jī)油的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)具有優(yōu)異的低溫啟動(dòng)性和抗機(jī)械磨損能力等特點(diǎn)，成為新一代煤基潤(rùn)滑油產(chǎn)品。在當(dāng)今能源結(jié)構(gòu)背景下，煤基潤(rùn)滑油產(chǎn)品的出現(xiàn)將直接降低潤(rùn)滑油行業(yè)對(duì)石油資源的依賴，并間接地解決石油基潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的生產(chǎn)瓶頸，同時(shí)也為潤(rùn)滑油的發(fā)展提供新的研究方向，為市場(chǎng)提供新的選擇。