不同類(lèi)型PMA黏度指數(shù)改進(jìn)劑溶解性能的研究

張雪濤，張孟佳，高顯振

(中國(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，遼寧 大連 116032)

0 引言

為了適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展和日趨苛刻的排放法規(guī)，國(guó)際潤(rùn)滑劑標(biāo)準(zhǔn)化及認(rèn)證委員會(huì)(ILSAC)推出了最新的發(fā)動(dòng)機(jī)油規(guī)格GF-6，從2020年5月1日開(kāi)始進(jìn)行首批認(rèn)證[1]。與GF-5規(guī)格[2-3]相比，GF-6規(guī)格對(duì)綜合燃油經(jīng)濟(jì)性、高溫抗氧化性和中低溫清凈分散性的要求更加嚴(yán)格[4]。提高燃油經(jīng)濟(jì)性，除了改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)外，改善發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副間的潤(rùn)滑狀態(tài)也是一種行之有效的方法[5-7]。

黏度指數(shù)改進(jìn)劑(簡(jiǎn)稱(chēng)黏指劑)是一類(lèi)可以改善潤(rùn)滑油黏溫性能的添加劑[8]，常用的黏指劑有氫化苯乙烯雙烯共聚物(簡(jiǎn)稱(chēng)HSD)、烯烴共聚物(簡(jiǎn)稱(chēng)OCP)、聚異丁烯(簡(jiǎn)稱(chēng)PIB)以及聚甲基丙烯酸酯(簡(jiǎn)稱(chēng)PMA)等[9-10]。與其他三種黏度指數(shù)改進(jìn)劑相比，PMA具有更好的低溫性能和黏度指數(shù)提高能力，有利于提高油品的燃油經(jīng)濟(jì)性[11]。尤其是梳狀PMA，其特殊的結(jié)構(gòu)使其在高溫時(shí)充分伸展，保持一定的高溫高剪切黏度(HTHSV)，而在低溫時(shí)梳狀PMA發(fā)生萎縮、塌陷，使得油品的中低溫(燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試溫度區(qū)間)黏度較低，可以更有效地提高油品的燃油經(jīng)濟(jì)性[12-17]。

為了發(fā)揮梳狀PMA的性能，應(yīng)使其充分溶解在油品中，而梳狀PMA特殊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其溶解行為與常規(guī)PMA明顯不同。關(guān)于PMA溶解行為的研究還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，本文選擇目前應(yīng)用比較廣泛的2種梳狀PMA和1種常規(guī)PMA為研究對(duì)象，利用旋轉(zhuǎn)流變儀研究了其溶解性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 基礎(chǔ)油及黏度指數(shù)改進(jìn)劑

試驗(yàn)選用的基礎(chǔ)油如表1所示。

表1 基礎(chǔ)油

表1(續(xù))

試驗(yàn)選用的聚甲基丙烯酸酯黏度指數(shù)改進(jìn)劑如表2所示。

表2 黏度指數(shù)改進(jìn)劑樣品信息

1.2 流變?cè)囼?yàn)

流變?cè)囼?yàn)采用Anton Paar公司的MCR301旋轉(zhuǎn)流變儀，示意圖見(jiàn)圖1。轉(zhuǎn)子采用平行板，平行板的直徑為D，平行板與樣品臺(tái)間的距離為d，樣品量視所選夾具及d值而定。

圖1 旋轉(zhuǎn)流變儀

1.3 溶解試驗(yàn)

黏度指數(shù)改進(jìn)劑的溶解性能考察在150 mL燒杯中進(jìn)行，將PMA按照10%的比例加入到所選基礎(chǔ)油中，開(kāi)啟磁力攪拌，攪拌速度設(shè)為600 r/min，升溫至30 ℃，攪拌20 min后取樣進(jìn)行黏溫性能的測(cè)試，隨后按照10 ℃/次的增幅提高溶解溫度，攪拌20 min后取樣進(jìn)行黏溫性能的測(cè)試。黏溫性能的測(cè)試采用PP50/TG-SN24870平行板，D=50 mm，d=0.098 mm，樣品量為0.1 mL，剪切速率為50 s-1，溫度掃描范圍為-20～120 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 黏度指數(shù)改進(jìn)劑的黏溫特性

黏度指數(shù)改進(jìn)劑黏溫特性的測(cè)試采用PP25/TG-SN23584平行板，D=25 mm，d=0.5 mm，樣品量為0.5 mL，剪切速率為50 s-1，溫度掃描范圍為0～150 ℃。3個(gè)樣品(信息見(jiàn)表2)的黏溫曲線如圖2所示。

圖2 PMA黏度指數(shù)改進(jìn)劑的黏溫曲線

對(duì)于一般的高分子溶液，其黏度通常隨著溫度呈下降趨勢(shì)，如圖2中的傳統(tǒng)PMA。當(dāng)溫度升高到50 ℃時(shí)，黏度有少許升高，隨后繼續(xù)保持下降趨勢(shì)。而對(duì)于梳狀PMA，特殊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其黏溫曲線表現(xiàn)出特異性，即在一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)黏度的峰值：對(duì)于Comb-PMA-1，從50～80 ℃范圍內(nèi)，黏度隨著溫度的升高而升高到一個(gè)峰值，隨后隨著溫度的升高黏度呈下降趨勢(shì)；Comb-PMA-2有同樣的黏溫特性，只是其發(fā)生黏度特異變化的溫度區(qū)間為55～90 ℃。正是因?yàn)檫@種特殊的黏溫性能，梳狀PMA對(duì)于提高油品的黏度指數(shù)有著卓越的表現(xiàn)。

2.2 黏度指數(shù)改進(jìn)劑的溶解性能

2.2.1 梳狀PMA(Comb-PMA-1)在不同基礎(chǔ)油中的溶解性能

圖3為梳狀PMA(Comb-PMA-1)在不同基礎(chǔ)油中的黏溫曲線，其中圖(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)和(Ⅴ)分別對(duì)應(yīng)著Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類(lèi)基礎(chǔ)油。由圖可見(jiàn)，Comb-PMA-1在不同調(diào)合溫度下的黏溫曲線基本是重合的，說(shuō)明Comb-PMA-1在30 ℃下攪拌20 min后就已經(jīng)充分溶解。另外，可以看出Comb-PMA-1對(duì)所選的Ⅰ～Ⅳ類(lèi)基礎(chǔ)油的低溫黏度幾乎沒(méi)有負(fù)面影響，說(shuō)明其可以很好地改善Ⅰ～Ⅳ類(lèi)基礎(chǔ)油的黏度指數(shù)。但是，在所選的Ⅴ類(lèi)基礎(chǔ)油中，添加Comb-PMA-1后其低溫黏度也出現(xiàn)了明顯的上升，說(shuō)明Comb-PMA-1提高Ⅴ類(lèi)基礎(chǔ)油黏度指數(shù)的作用不大。值得注意的是，在圖3(Ⅰ)中，當(dāng)調(diào)合溫度升高到80 ℃時(shí)，油品的黏度有少許升高，說(shuō)明此溫度下Comb-PMA-1得到了充分的伸展，這有利于提高油品的黏度指數(shù)。有研究者認(rèn)為，在一般的調(diào)合工藝中，調(diào)合溫度通常在60 ℃左右，并不會(huì)觸發(fā)梳狀PMA的充分伸展，從而限制其在提升黏度指數(shù)上的特殊作用。這種觀念是片面的，因?yàn)楹芏鄬?shí)際工況的溫度會(huì)超過(guò)80 ℃，所以即使調(diào)合的時(shí)候沒(méi)有觸發(fā)，在使用的時(shí)候也會(huì)觸發(fā)梳狀PMA的充分伸展，當(dāng)然，對(duì)于一些溫度達(dá)不到80 ℃的工況，是否采用梳狀PMA，需要進(jìn)一步探討。

圖3 梳狀PMA(Comb-PMA-1)在不同基礎(chǔ)油中的黏溫曲線(分別對(duì)應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類(lèi)油)

2.2.2 梳狀PMA(Comb-PMA-2)在基礎(chǔ)油中的溶解性能

圖4為梳狀PMA(Comb-PMA-2)在不同調(diào)合溫度下的黏溫曲線。由圖4可知，不同調(diào)合溫度下Comb-PMA-2的黏溫曲線基本是重合的，但是在低溫區(qū)域的黏溫曲線還是表現(xiàn)出了較大的差異。圖5列出了幾個(gè)典型溫度下的黏度，可以看出，40 ℃和100 ℃的黏度基本不隨調(diào)合溫度發(fā)生變化，但是-20 ℃的黏度隨著調(diào)合溫度的升高呈明顯的下降趨勢(shì)。以上結(jié)果說(shuō)明，即使在較低的調(diào)合溫度下，Comb-PMA-2也得到了較為充分的溶解，但是溶解狀態(tài)還是存在一定的差別的，這體現(xiàn)在低溫黏度的差異上。

圖4 梳狀PMA(Comb-PMA-2)在不同調(diào)合溫度下的黏溫曲線

圖5 梳狀PMA(Comb-PMA-2)在不同調(diào)合溫度下的典型黏度

2.2.3 傳統(tǒng)PMA(Traditional PMA)在基礎(chǔ)油中的溶解性能

圖6為傳統(tǒng)PMA(Traditional PMA)在不同調(diào)合溫度下的黏溫曲線，由圖6可知，Traditional PMA在不同的基礎(chǔ)油中的溶解性能有較大的差異。在150N或者Yubase 6中，調(diào)合溫度對(duì)溶解性能影響較為顯著，隨著調(diào)合溫度的升高，Traditional PMA的黏溫曲線整體向上平移，當(dāng)調(diào)合溫度達(dá)到50 ℃后，Traditional PMA的黏溫曲線基本重合。這說(shuō)明，調(diào)合溫度超過(guò)50 ℃時(shí)，Traditional PMA在150N或者Yubase 6中才能夠完全溶解。上述現(xiàn)象在Priolube 2720中并未發(fā)現(xiàn)，在Priolube 2720中，Traditional PMA的黏溫曲線基本是重合的，這說(shuō)明在較低溫度下，Traditional PMA就可以完全溶解在Priolube 2720中。

圖6 傳統(tǒng)PMA(Traditional PMA)在不同調(diào)合溫度下的黏溫曲線

3 結(jié)論

利用旋轉(zhuǎn)流變儀研究了2個(gè)梳狀PMA和1個(gè)傳統(tǒng)PMA在各類(lèi)基礎(chǔ)油中的溶解性能。結(jié)果表明：

(1)2個(gè)梳狀聚甲基丙烯酸酯黏度指數(shù)改進(jìn)劑的溶解性能非常優(yōu)異，但是對(duì)于一些使用工況溫度始終較低的場(chǎng)合，需要提高調(diào)合溫度才能充分發(fā)揮梳狀PMA的特性；

(2)傳統(tǒng)PMA的溶解性能略遜色于梳狀PMA，但無(wú)需額外提高調(diào)合溫度即可完全溶解。

(3)在其他條件相似的情況下：梳狀PMA的流體力學(xué)體積更小，運(yùn)動(dòng)更加自由，溶解性更好；基礎(chǔ)油的結(jié)構(gòu)與組成與PMA越接近，溶解性越好；PMA的分子量越小，溶解性越好。