黏度指数改进剂对油品性能的影响

杨雨富，孙聚华，车 浩，吴成美，郑 翔，李国香，祖国臣，邹向阳,毛逸群，杨志宝

黏度指数改进剂(VII)通常是一种油溶性高分子化合物，是制备多级内燃机油、液压油、自动传动液和齿轮油的主要添加剂之一[1-4]。其功能主要是改善油品黏温性能，使油品获得较好的低温启动性能和高温润滑能力，降低燃料和润滑油的消耗，减少发动机磨损，提升润滑油档次，延长润滑油使用寿命，实现油品的通用化。2017年我国润滑油需求量已经突破600万t，各类黏度指数改进剂的需求量约为6万t[5-8]，而在诸多的黏度指数改进剂产品中，乙烯-丙烯共聚物(OCP)黏度指数改进剂由于成本低，综合性能好，是用量最大的一类，销售量已占整个黏度指数改进剂的60%以上，且销售量持续上升[10-11]。中国石油吉林石化公司自主开发的二元乙丙共聚物系列产品，在润滑油中得到了广泛的应用。

本文从聚合物组成、相对分子质量及其分布、序列结构等方面对比分析了J-0010与L-7067的微观结构；并且对两种黏度指数改进剂在润滑油中的增稠能力、剪切稳定指数(SSI)、低温动力黏度、低温泵送黏度和高温清净性等使用性能进行了考察，全面描述了两种黏度指数改进剂J-0010和L-7067对油品性能的影响。

1 实验部分

1.1 原料

基础油：150N，台塑石化股份有限公司，其物性参数如表1所示；二元乙丙橡胶：J-0010，中国石油吉林石化公司；二元乙丙橡胶：L-7067，美国路博润公司。

表1 基础油物性参数

1.2 仪器及设备

运动黏度测定仪：DSY-104，大连石油仪器有限公司；凝胶渗透色谱仪：Waters 5151，美国Waters公司；高分辨率核磁共振光谱仪：AVANCE 400M，德国BRUKER公司；剪切稳定性测定仪：BOSCH 2122，德国BOSCH公司；低温动力黏度测定仪：CCS-2100LT，美国CANNON公司；低温泵送黏度测定仪：CMRV-4000，美国CANNON公司；高温高剪切黏度测定仪：MODEL TBS 2100E，美国TANNAS公司；板式成焦器：L-1，兰州维科石化设备仪器公司；热管试验机：NIKKO HT-201，日本NIKKO 公司；高温氧化沉积物测定仪：TEOST/33C，美国TANNAS公司；倾点测定仪：MC 852，德国Herzog公司。

1.3 分析测试

运动黏度按照GB/T 265—1988进行测定；倾点按照GB/T 3535—2006进行测定；低温动力黏度按照GB/T 6538—2010进行测定；剪切稳定性按照SH/T 0103—2007进行测定；高温高剪切黏度按照SH/T 0703—2007进行测定；低温泵送黏度按照NB/SH/T 0562—2013进行测定；高温沉积物按照SH/T 0750—2005进行测定。

2 结果与讨论

2.1 黏度指数改进剂相对分子质量及其分布的表征

相对分子质量及其分布对黏度指数改进剂的增稠能力及剪切稳定性有较大影响，相对分子质量越大稠化能力越高，但抗剪切性能越差；相对分子质量分布越宽，黏度指数改进剂中相对分子质量的差异越大，抗剪切性能也越差。

采用凝胶渗透色谱法(GPC)对两种黏度指数改进剂的相对分子质量及其分布进行了表征，结果如表2及图1所示。

表2 相对分子质量及其分布

t/min图1 GPC谱图

从表2和图1可以看出，黏度指数改进剂J-0010与L-7067的相对分子质量及其分布接近。

2.2 黏度指数改进剂序列结构的表征

序列结构主要表征共聚物中结构单元的排列顺序。采用13C-NMR对样品序列结构进行表征，结果如图2及表3所示。

表3 序列结构的表征1)

1) P、E为一元序列；PP、PE、EE、PP*为二元序列；PPP、EEE、PEE、EPE、PEP、PPE为三元序列。

δ×106图2 13C-NMR谱图

从图2可见，黏度指数改进剂J-0010与L-7067的峰谱基本一致。从表3可以看出，二者均是OCP。聚合物的组成变化影响聚合物的结晶性，一般认为在乙丙共聚物中，当乙烯摩尔分数超过70%的情况下，就会产生结晶，影响溶解性能。J-0010与L-7067的乙烯含量稍有区别，但均在非结晶态范围内，为无定型聚合物，溶解性能相当。

2.3 黏度指数改进剂在基础油中对使用性能的影响

稠化能力、黏度指数、剪切稳定指数和低温黏度是评价黏度指数改进剂性能的四个重要指标，一个好的黏度指数改进剂一般要求具有较高的稠化能力与黏度指数和较低的剪切稳定性与低温动力黏度[12-15]。

2.3.1 黏度指数改进剂对稠化能力的影响

稠化能力是黏度指数改进剂的一个很重要的指标。黏度指数改进剂的稠化能力越大，加量越小，多级油的成本也就越低。稠化能力大小主要与干胶相对分子质量大小及其在基础油中的形态有关。对于同一类型的化合物，其相对分子质量越大，对应的稠化能力则越强。不同的黏度指数改进剂对产品稠化能力和黏度指数的影响如表4所示。

表4 黏度指数改进剂对稠化能力和黏度指数的影响

从表4可以看出，黏度指数改进剂J-0010与L-7067对稠化能力和黏度指数的影响一致。

2.3.2 黏度指数改进剂对低温性能的影响

低温动力黏度是多级油在低温、高剪切速率条件下所测得的内摩擦力大小的量度。黏度指数改进剂在使用过程中，会对多级油的低温性能产生一定影响，表示多级油低温性能的指标主要有低温启动性和低温泵送性。通常，低温黏度越小，发动机越易启动。不同黏度指数改进剂对低温性能的影响见表5。

表5 黏度指数改进剂对低温性能的影响

从表5可以看出，黏度指数改进剂J-0010与L-7067对低温性能影响基本一致。

2.3.3 黏度指数改进剂对剪切稳定指数的影响

剪切稳定指数直接关系到多级油黏度的稳定性和使用寿命。对于剪切稳定性差的黏度指数改进剂，由于加入油中的高分子化合物在剪切应力作用下主链断裂，使黏度下降，不能保持原有的黏度级别，将导致对磨损和油耗不利的影响。剪切稳定性大小与黏度指数改进剂的相对分子质量及其分布和高聚物在溶液中的流体力学相关。一般而言，相对分子质量越大及其分布越宽，剪切稳定性越差。反之，高聚物相对分子质量越小，剪切稳定性越好，其大小用式(1)表示：

SSI=(Vi-Vf)/(Vi-V0)×100%

(1)

式中：SSI为剪切稳定指数；Vi为油品剪切前100 ℃时的黏度，mm2/s；Vf为油品剪切后100 ℃时的黏度，mm2/s；V0为基础油100 ℃时的黏度，mm2/s。

不同的黏度指数改进剂对剪切稳定性影响结果见表6。

从表6可以看出，黏度指数改进剂J-0010与L-7067对剪切稳定指数的影响基本相同。

表6 黏度指数改进剂对剪切稳定性的影响

2.3.4 黏度指数改进剂对清净性的影响

黏度指数改进剂对油品的高温清净性能有较大影响，采用板式成焦器法、热管氧化法和热氧化模拟法，对比考察了黏度指数改进剂对柴油机油清净性的影响，结果见表7。

表7 黏度指数改进剂对清净性能的影响

从表7可以看出，两种黏度指数改进剂的加入在用热氧化模拟法、板式成焦器、热管氧化法评定中，数值基本处于一个水平，对清净性的影响相当。

2.4 黏度指数改进剂在油品配方中的使用性能

将两种黏度指数改进剂在CH-4 10W-40柴油机油中进行低温性能、高温性能和剪切稳定性能的评价，结果见表8。

表8 CH-410W-40柴油机油分析评价结果

由表8可见，黏度指数改进剂J-0010与L-7067的运动黏度、低温性能、高温高剪切黏度及剪切稳定性等基本相当，对油品的高温清净性和抗氧化性能的影响基本处于同一水平，能够满足润滑油的使用要求。

3 结 论

(1) 黏度指数改进剂J-0010与L-7067的组成、相对分子质量及其分布基本相同。

(2) 黏度指数改进剂J-0010与L-7067对稠化能力、黏度指数、低温动力黏度、剪切稳定性、高温清净性的影响基本相当。

(3) 黏度指数改进剂J-0010与L-7067对CH-4 10W-40柴油机油油品性能的影响基本一致。

参 考 文 献：

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