不同类型PMA黏度指数改进剂溶解性能的研究

2021-06-15张雪涛张孟佳高显振

润滑油 2021年3期

张雪涛，张孟佳，高显振

(中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁大连 116032)

0 引言

为了适应发动机技术的发展和日趋苛刻的排放法规，国际润滑剂标准化及认证委员会(ILSAC)推出了最新的发动机油规格GF-6，从2020年5月1日开始进行首批认证[1]。与GF-5规格[2-3]相比，GF-6规格对综合燃油经济性、高温抗氧化性和中低温清净分散性的要求更加严格[4]。提高燃油经济性，除了改进发动机的设计外，改善发动机摩擦副间的润滑状态也是一种行之有效的方法[5-7]。

黏度指数改进剂(简称黏指剂)是一类可以改善润滑油黏温性能的添加剂[8]，常用的黏指剂有氢化苯乙烯双烯共聚物(简称HSD)、烯烃共聚物(简称OCP)、聚异丁烯(简称PIB)以及聚甲基丙烯酸酯(简称PMA)等[9-10]。与其他三种黏度指数改进剂相比，PMA具有更好的低温性能和黏度指数提高能力，有利于提高油品的燃油经济性[11]。尤其是梳状PMA，其特殊的结构使其在高温时充分伸展，保持一定的高温高剪切黏度(HTHSV)，而在低温时梳状PMA发生萎缩、塌陷，使得油品的中低温(燃油经济性测试温度区间)黏度较低，可以更有效地提高油品的燃油经济性[12-17]。

为了发挥梳状PMA的性能，应使其充分溶解在油品中，而梳状PMA特殊的结构导致其溶解行为与常规PMA明显不同。关于PMA溶解行为的研究还未见文献报道，本文选择目前应用比较广泛的2种梳状PMA和1种常规PMA为研究对象，利用旋转流变仪研究了其溶解性能。

1 实验部分

1.1 基础油及黏度指数改进剂

试验选用的基础油如表1所示。

表1 基础油

表1(续)

试验选用的聚甲基丙烯酸酯黏度指数改进剂如表2所示。

表2 黏度指数改进剂样品信息

1.2 流变试验

流变试验采用Anton Paar公司的MCR301旋转流变仪，示意图见图1。转子采用平行板，平行板的直径为D，平行板与样品台间的距离为d，样品量视所选夹具及d值而定。

图1 旋转流变仪

1.3 溶解试验

黏度指数改进剂的溶解性能考察在150 mL烧杯中进行，将PMA按照10%的比例加入到所选基础油中，开启磁力搅拌，搅拌速度设为600 r/min，升温至30 ℃，搅拌20 min后取样进行黏温性能的测试，随后按照10 ℃/次的增幅提高溶解温度，搅拌20 min后取样进行黏温性能的测试。黏温性能的测试采用PP50/TG-SN24870平行板，D=50 mm，d=0.098 mm，样品量为0.1 mL，剪切速率为50 s-1，温度扫描范围为-20～120 ℃。

2 结果与讨论

2.1 黏度指数改进剂的黏温特性

黏度指数改进剂黏温特性的测试采用PP25/TG-SN23584平行板，D=25 mm，d=0.5 mm，样品量为0.5 mL，剪切速率为50 s-1，温度扫描范围为0～150 ℃。3个样品(信息见表2)的黏温曲线如图2所示。

图2 PMA黏度指数改进剂的黏温曲线

对于一般的高分子溶液，其黏度通常随着温度呈下降趋势，如图2中的传统PMA。当温度升高到50 ℃时，黏度有少许升高，随后继续保持下降趋势。而对于梳状PMA，特殊的结构导致其黏温曲线表现出特异性，即在一定的温度范围内出现一个黏度的峰值：对于Comb-PMA-1，从50～80 ℃范围内，黏度随着温度的升高而升高到一个峰值，随后随着温度的升高黏度呈下降趋势；Comb-PMA-2有同样的黏温特性，只是其发生黏度特异变化的温度区间为55～90 ℃。正是因为这种特殊的黏温性能，梳状PMA对于提高油品的黏度指数有着卓越的表现。

2.2 黏度指数改进剂的溶解性能

2.2.1 梳状PMA(Comb-PMA-1)在不同基础油中的溶解性能

图3为梳状PMA(Comb-PMA-1)在不同基础油中的黏温曲线，其中图(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)、(Ⅳ)和(Ⅴ)分别对应着Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类基础油。由图可见，Comb-PMA-1在不同调合温度下的黏温曲线基本是重合的，说明Comb-PMA-1在30 ℃下搅拌20 min后就已经充分溶解。另外，可以看出Comb-PMA-1对所选的Ⅰ～Ⅳ类基础油的低温黏度几乎没有负面影响，说明其可以很好地改善Ⅰ～Ⅳ类基础油的黏度指数。但是，在所选的Ⅴ类基础油中，添加Comb-PMA-1后其低温黏度也出现了明显的上升，说明Comb-PMA-1提高Ⅴ类基础油黏度指数的作用不大。值得注意的是，在图3(Ⅰ)中，当调合温度升高到80 ℃时，油品的黏度有少许升高，说明此温度下Comb-PMA-1得到了充分的伸展，这有利于提高油品的黏度指数。有研究者认为，在一般的调合工艺中，调合温度通常在60 ℃左右，并不会触发梳状PMA的充分伸展，从而限制其在提升黏度指数上的特殊作用。这种观念是片面的，因为很多实际工况的温度会超过80 ℃，所以即使调合的时候没有触发，在使用的时候也会触发梳状PMA的充分伸展，当然，对于一些温度达不到80 ℃的工况，是否采用梳状PMA，需要进一步探讨。

图3 梳状PMA(Comb-PMA-1)在不同基础油中的黏温曲线(分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类油)

2.2.2 梳状PMA(Comb-PMA-2)在基础油中的溶解性能

图4为梳状PMA(Comb-PMA-2)在不同调合温度下的黏温曲线。由图4可知，不同调合温度下Comb-PMA-2的黏温曲线基本是重合的，但是在低温区域的黏温曲线还是表现出了较大的差异。图5列出了几个典型温度下的黏度，可以看出，40 ℃和100 ℃的黏度基本不随调合温度发生变化，但是-20 ℃的黏度随着调合温度的升高呈明显的下降趋势。以上结果说明，即使在较低的调合温度下，Comb-PMA-2也得到了较为充分的溶解，但是溶解状态还是存在一定的差别的，这体现在低温黏度的差异上。

图4 梳状PMA(Comb-PMA-2)在不同调合温度下的黏温曲线

图5 梳状PMA(Comb-PMA-2)在不同调合温度下的典型黏度

2.2.3 传统PMA(Traditional PMA)在基础油中的溶解性能

图6为传统PMA(Traditional PMA)在不同调合温度下的黏温曲线，由图6可知，Traditional PMA在不同的基础油中的溶解性能有较大的差异。在150N或者Yubase 6中，调合温度对溶解性能影响较为显著，随着调合温度的升高，Traditional PMA的黏温曲线整体向上平移，当调合温度达到50 ℃后，Traditional PMA的黏温曲线基本重合。这说明，调合温度超过50 ℃时，Traditional PMA在150N或者Yubase 6中才能够完全溶解。上述现象在Priolube 2720中并未发现，在Priolube 2720中，Traditional PMA的黏温曲线基本是重合的，这说明在较低温度下，Traditional PMA就可以完全溶解在Priolube 2720中。