超高黏度茂金属PAO在75W-90车辆齿轮油中的应用

刘青才 刘中文

上海纳克润滑技术有限公司

国家标准GB 13895—2018《重负荷车辆齿轮油（GL-5）》于2018年7月13日正式发布，将于2019年2月1日正式实施，代替1992版标准。经过25年的发展，用户对车辆齿轮油提出了更高的要求，如燃油经济性、更长的换油周期等。车辆齿轮油的使用需求和环境已经发生了巨大的变化。

目前，中国车辆齿轮油市场中，75W-90级别油品的市场份额不足5%，而欧美地区的75W-90齿轮油的市场份额达35%。汽车传动系用油对燃油经济性的贡献率在0.5%～2%，国外研究显示，使用75W-90齿轮油在不同的路况下燃油经济性较80W-90齿轮油提升1.3%～4.55%[1]。随着燃油经济性的要求不断提高，75W-90齿轮油具有较大的市场发展潜力。

与1992版本标准相比，新版国标出现了几个重要的变化，特别是在KRL剪切安定性（20 h）项目上，要求油品的剪切后100 ℃运动黏度需要保持在同一黏度级别内，因此对齿轮油的剪切稳定性提出了更高的要求。在新国标实施后，润滑油企业将需要采用剪切稳定性好的车辆齿轮油配方以满足国标要求。茂金属PAO具有好的剪切稳定性，可用于车用齿轮油中，以满足剪切稳定性的要求。

茂金属PAO简介

茂金属催化剂通常是以环戊二烯（或其同系物）为配体的IVB族过渡金属（如Ti、Zr、Hf)有机配合物。茂金属一词源于英文“Metallocene”，该词由字头“Metal(金属）lo(化）”和词尾“cene(烯烃）”组合而成。与传统的Ziegler-Natta催化剂相比，茂金属催化剂体系具有催化活性高、结构可控等特点。

茂金属催化体系的聚合方式，普遍都接受的茂金属体系催化的聚合反应，进行是在中心缺电子的阳离子单活性中心上重复的配位插入。茂金属PAO的反应机理见图1。

大量试验证明，在烯烃聚合反应中主要发生的是1,2-插入，发生概率约为2,1-插入的100～1 000倍[2]，产品形成特定的梳状结构。这种独特的梳状结构改善了聚合物的流变特性，从而具有更好的低温性能和更高的黏度指数。与传统的PAO相比，较少的侧链使茂金属PAO具有更高的剪切稳定性和更窄的相对分子质量分布。传统PAO与茂金属PAO分子结构对比见图2。

2010年，ExxonMobil率先推出使用茂金属催化剂合成的新一代聚α烯烃产品茂金属PAO，随后其他公司也相继开发了各自的茂金属PAO产品。 目前，世界上主要生产茂金属PAO的 是ExxonMobil、Ineos、CPChem等 3家公司。相较于其他传统PAO，茂金属PAO具有突出的性能优势，在黏度指数、低温流动性、EHL油膜强度、剪切稳定性、抗泡性等多方面具有好的性能表现[3]，可协助配方工程师提升工业油和车用油的耐久性。国内近年来大量开展此方面的研究工作，取得一些突破性的进展[4]。上海纳克基于自有专利技术，生产出超高黏度茂金属PAO-NacoFlow V600（以下简称NacoFlow V600），于2017年正式推向市场。全球高黏度茂金属PAO产能分布见表1。

表1 全球高黏度茂金属PAO产能分布

超高黏度茂金属PAO的性能特点

相较于其他传统的高黏度基础油，NacoFlow V600除了具有普通茂金属PAO的性能优势外，还能为配方工程师提供更高的调合效率和性能。其典型数据见表2。

黏温性能和低温性能

NacoFlow V600与其他高黏度基础油性能对比见表3。

由表3可见，NacoFlow V600与同等黏度的聚异丁烯、Lucant HC600相比，在黏度指数和低温性能方面具有更好的优势；与传统聚α烯烃cPAO200相比，虽然黏度提高很多，但低温性能相当。

剪切稳定性

测定剪切安定性的方法很多，有超声波剪切法、柴油喷嘴剪切法、KRL剪切法、FZG齿轮机剪切法。这些方法最终都是测定油品的黏度下降率。

表2 NacoFlow V600典型数据

圆锥滚子轴承试验（KRL Tapered Roller Bearing Test）是目前全球范围内比较流行的一种检测法，普遍认为它的要求最为严格，与现实使用中的润滑油抗剪切工况联系最为紧密。该试验是将油品用于轴承，使轴承在有负载压力的条件下连续运行20 h，记录试验前后的润滑油黏度，计算其黏度损失率。

茂金属PAO的剪切稳定性非常出色，在最为苛刻的KRL剪切稳定性测试中表现出非常小的剪切损失，试验结果见图3。

为进一步验证超高黏度茂金属PAO NacoFlow V600的剪切稳定性，我们选取了2款市售商业化PAMA型黏度指数改进剂进行对比，将它们以相同比例加入6cSt基础油(APIⅢ类油)中，测定KRL剪切稳定性，结果见表4。

从表4可以看出，NacoFlow V600具有非常好的剪切稳定性，远优于相对分子质量接近的PAMA型黏度指数改进剂，试验前后100℃运动黏度变化率不大于4%，永久剪切稳定性指数 PSSI不大于7。

稠化性能

NacoFlow V600具有高的黏度和黏度指数，具有更高的稠化性能。NacoFlow V600与市售商业化PAMA型黏度指数改进剂及传统聚α烯烃cPAO200的稠化性能对比见图4。

表3 超高黏度茂金属PAO-NacoFlow V600与其他高黏度基础油性能对比

超高黏度茂金属PAO的应用

传统的75W-90车辆齿轮油配方中，由于苛刻的低温布氏黏度要求，使得车辆齿轮油配方需要采用剪切稳定性好的黏度指数改进剂或使用全合成基础油。因成本的关系，一般采用PAMA型黏度指数改进剂来稠化低黏度基础油，以满足油品的高低温性能。而黏度指数改进剂的剪切稳定性与增稠能力是相矛盾的，剪切稳定性好，相对分子质量越小，则增稠能力小[5]，而相对分子质量越大，增稠能力越强，但剪切性能越差。

为保证车辆齿轮油的抗剪切性能满足要求，采用PAMA型黏度指数改进剂可将油品初始黏度调得较高，以确保剪切后的黏度能继续保持在黏度要求范围内，但这会使得满足低温布氏黏度要求较为困难，并带来能耗的增加。另一方面，相对分子质量较小的PAMA型黏度指数改进剂的稠化性能较低，需要更高的加剂量才能满足油品的黏度要求，造成配方的成本压力。因此，剪切稳定性更好、稠化性能更高的NacoFlow V600可以成为改进车辆齿轮油剪切稳定性的不错选择。NacoFlow V600与市售商业化PAMA型黏度指数改进剂在75W-90车辆齿轮油中的剪切稳定性对比见表5。

表4 NacoFlow V600与PAMA型黏度指数改进剂剪切稳定性对比

由表5可以看出，在满足油品低温性能的前提下，NacoFLow V600的KRL剪切变化率仅为5%，远低于PAMA型黏度指数改进剂的KRL剪切变化率，在较小的黏度下也能满足剪切稳定性的要求，符合油品低黏度化带来燃油经济性提升的发展趋势。

表5 不同黏度指数改进剂在75W-90车辆齿轮油中的剪切稳定性对比

结束语

超高黏度茂金属PAO的相对分子质量分布非常窄，具有优异的高低温性能、高的黏度指数以及非常好的剪切稳定性。其应用于75W-90车辆齿轮油中，可完全替代传统的PAMA型黏度指数改进剂，产品的KRL剪切变化率小，能完全满足新国标对车辆齿轮油剪切性能的要求。

茂金属PAO比传统PAO具有更多的性能优势，是一类优异的润滑油基础油，可满足许多润滑油的苛刻应用，将是未来高级基础油的发展方向。