潤滑油結構組成與黏度及黏溫特性的相關性分析

費逸偉，彭顯才，吳楠，馬軍，趙鵬程，何濤

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潤滑油結構組成與黏度及黏溫特性的相關性分析

費逸偉1，彭顯才1，吳楠1，馬軍1，趙鵬程1，何濤2

（1. 空軍勤務學院 航空油料物資系，江蘇 徐州 221000； 2. 空軍95631部隊，四川 瀘州 646000）

根據潤滑油的不同分類及實際使用狀況，結合國內外相關研究現狀，主要從烴類和酯類潤滑油的鏈結構以及取代基和官能團的類型、數量、位置等角度出發，對油品分子結構與黏度及黏溫特性的相關性進行了綜述。

潤滑油；結構組成；黏度；黏溫性；相關性

隨著現代高性能發動機的發展，新的設計理念和新材料的使用在其中發揮了重要作用，發動機內部諸如高溫等惡劣的工況給潤滑油使用性能帶來了極大的挑戰，潤滑油的性能衰變將更加劇烈。潤滑油根據基礎油的不同，一般可分為植物油、礦物油與合成油等，目前，合成油相比于礦、植物油通常具有良好的耐高低溫性、腐蝕性和揮發性能等。

黏度作為潤滑油最為重要的指標之一，是潤滑油的基本物理-機械特性，直接影響摩擦部位的潤滑狀態，能表征潤滑油在潤滑系統中的流動、冷卻、低溫快速啟動以及防止從密封件中泄露等使用特征，良好的黏度、黏溫特性是體現油品良好的潤滑性最為重要的因素之一，由于不同潤滑油的結構組成不同，故其黏度及黏溫特性也不同。為達到合理改善油品性能的目的，研究潤滑油結構與黏度、黏溫特性的相關性尤為重要，因此，本文從國內外研究現狀出發，對常用潤滑油結構組成與黏度及黏溫特性的相關性進行了綜述。

1 潤滑油黏度及黏溫特性概述

上述潤滑油從結構組成分類可分為烴類油和酯類油，總體而言，潤滑油的結構組成與黏度及黏溫特性的具有如下關系：在相同碳原子數下，結構越簡單的潤滑油在常溫時的黏度越小，越接近正構烷烴的黏度，如果存在全氟代的鏈等剛性結構或環狀結構等緊密結構等，則黏度增大，尤其是在低溫下黏度增大越明顯，而有利于流動的結構，如醚或酯鍵、硅烷鍵等，則油品黏度較小[1]。從油品組成與黏溫特性的關系來看，石油基潤滑油中烷烴黏溫性最好，異構烷烴的黏度指數小于正構烷烴，并隨著支鏈程度的增大而減小，帶烷基側鏈的環烷烴，環數越多，分支程度越大，則黏度指數越小，烷基上碳原子百分數越大，則黏度指數越大，為保證潤滑油具有良好的黏溫性，精制時需盡可能的除去膠質、瀝青質等非烴類化合物和多環短鏈化合物，盡量保存少環長側鏈的化合物；合成潤滑油的黏溫特性與組成的關系與石油基潤滑油相同，油品的鏈越長、側鏈越少、側鏈的位置距離末端越遠且不帶芳環和聚合性強的官能團，則其黏度指數越大[2]。

2 烴類潤滑油結構與黏度及黏溫特性的相關性

礦物油主要由烷烴、環烷烴、芳烴等烴類組成，以及含有少量含氧、氮、硫的有機化合物等非烴類物質，而使用廣泛的聚α-烯烴（PAO）主要經乙烯齊聚法制備，主要由長側鏈異構烷烴組成，分子通常呈整齊的長側鏈梳狀結構，故其性能與礦物油具有很大的相似性，但由于PAO屬于高聚物，通過控制聚合程度和位置，其性能和質量得到大幅度改善。一些學者認為：具有高黏度指數的礦物油組分或合成烴的混合物完全有可能滿足高溫發動機的使用要求，早在上世紀四十年代，國外學者為確定潤滑油化學結構對其理化性質的影響，分析了烴類結構與黏度和黏度指數的相關性[3,4]，主要結論如下：（1）環結構的影響：對于分子量一定的烴，環的復雜性越大，黏度越高；減少相應的氫化芳香環數目，油品黏度增加，但不會對黏度指數造成明顯的影響；（2）直鏈與支鏈的影響：碳原子數目一定的情況下，直鏈比支鏈是更能有效的增加油品的黏度指數；支鏈對黏度的影響具有不確定性，不同性質、類型的支鏈，可以增加或減小油品的黏度；（3）側鏈長度的影響：相比于對應碳原子數相同的具有兩個或兩個以上側鏈的烴類，含長烷基側鏈烴類的黏度指數增加更明顯；油品黏度隨著側鏈數目的增加而增加；（4）側鏈上的碳碳雙鍵的影響：側鏈上碳碳雙鍵的存在會降低烴分子的黏度，而對黏度指數影響甚微甚至沒有影響；（5）分子內不同含量的烷基對芳香族或環烷基化合物的影響：給定的芳香烴或環烷烴的黏度指數隨著其烷基比例的增加而增加，分子碳鏈數目一定，油品黏度隨著主碳鏈的增長而增加。

之后，國內外相關學者針對烴類潤滑油組成與黏度及黏溫特性的關系進行了較為詳實的研究。王秀文、曹媛媛等[5,6]從潤滑油基礎油與黏溫性能的關系角度，闡明了烷烴是黏溫性最好的烴類，膠質、瀝青質等化合物雖然黏度高，但黏溫性差，指出了少環長側鏈環烷烴潤滑油的理想結構；胡松偉等[7]利用MS技術和13C NMR對由異構脫蠟工藝制備的潤滑油基礎油的烴類組成進行了分析，并對烴類組成對潤滑油性能的影響進行了探究，發現在多環環烷烴和鏈烷碳質量分數相差不大及C原子數相近條件下，異構烷烴與正構烷烴質量分數差值越大，油品的黏度指數越小，黏溫性越差；陳文藝等[8]采用n-d-m法對9種加氫潤滑油基礎油的結構族組成參數進行了計算，并以此得出結論：油品的鏈烷烴含量越少、環烷烴含量越多，則黏溫性越好；Kioupis課題組[9]為研究典型潤滑油結構對黏度等動態特性的影響，采用分子動力學模擬方法對三種結構不同的聚α-烯烴（圖1所示為三種聚α-烯烴的分子結構模擬及三維結構，分別是三種極端情況下的己烯三聚體的異構體，第一種是星形的C18烷烴，由沒有異構化的三聚己烯合成；第二種是高度支鏈烷烴，經高度異構化后聚合而成；第三種是線性的C18分子，模擬沒有支鏈烷烴的極端情況。）進行了相關得仿真，模擬結果表明，聚α-烯烴黏度值隨著分子支化程度的降低而降低，分子鏈長、分支廣泛的聚α-烯烴黏度值要高于分子鏈短而緊密的聚α-烯烴分子；體積大的取代基，由于空間位阻效應，阻礙了分子內的運動，宏觀表現出較低的黏度值。

Gatto等[10]為確定加氫基礎油的化學組成對物理性能的影響，用質譜技術分析了15種石蠟基和單、雙、多環環烷基加氫基礎油和PAO，研究發現，由于基礎油中多環環烷基的作用，某些環烷基結構與黏度指數等呈反比的線性關系，多環烷烴的含量降低，黏度增大；Sullivan等[11]為探究合成潤滑油化學組成與物理性質的關系，對用AlCl3聚合烯烴制備的PAO進行了系統的分析，從乙烯到十六烯的分析中發現，PAO的黏溫系數隨正構烯烴分子量的增加而減小，隨支鏈化程度的增加而增加；王會東等[12]利用MS和NMR等技術對6種加氫潤滑油基礎油和1種PAO理化性質和物質結構的相關性進行了分析，結果表明，基礎油黏度指數隨著其組成中環烷烴、支鏈甲基和次甲基含量的降低而增大，隨著鏈烷烴、正構烷烴和亞甲基含量的降低而降低，且烴的支化度越小，其黏度指數越大。

3 酯類潤滑油結構與黏度及黏溫特性的相關性

對于植物油、酯類合成油等酯類油的結構與黏度黏溫特性的相關性方面，相關文獻也進行了大量的研究。植物油主要為直鏈高級脂肪酸和甘油生成的酯，易生物降解，對環境污染小，但由于植物油大多存在甘油仲羥基的原因，導致其氧化安定性普遍較差[13]，為此，人們利用伯羥基醇與有機酸在催化劑作用下合成得到了酯類合成潤滑油，這樣既具有良好的潤滑性又保持了良好的氧化安定性。

總體來講，酯類潤滑油相對分子質量越大、主鏈越長且含有芳環，則其黏度越大，羰基在主鏈中的位置離鏈末越遠，黏度指數越高。Van der Waal G[14]通過對酯類潤滑油結構和性能的分析，不僅發現其運動黏度與主碳鏈長度及支鏈數目呈線性正相關關系，還發現酯類油的黏度指數與主碳鏈長度和支鏈數目分別符合線性增長和負增長關系；Bried等[15]以酯類潤滑油為研究對象，通過對分子結構和性能的試驗分析，得出以下結論：（1）碳鏈越長，油品黏度和黏度指數越大，油品黏溫特性進一步提高；（2）側鏈的引入會增加分子黏度，但會降低黏度曲線的變化率，具體數值取決于支鏈的類型和數量；（3）環狀基團的引入會導致黏度增大；Harrington[16]通過對植物油的研究，從植物油碳鏈長度-運動黏度曲線圖中發現，油品黏度隨著碳鏈的增長而增加，脂肪酸的不飽和度越大，其黏度越小，若分子中含有支鏈，則可能出現相反趨勢；Refaat[17]對脂肪酸酯化學結構及其物理性質的相關性進行了歸納綜述，發現酯的黏度隨所構成酸和醇的鏈長（碳原子數）的增加而增加；通過比較發現，黏度與酯分子的飽和度有關，一個雙鍵增加黏度，而兩個或三個雙鍵則會導致黏度下降；Erhan等[18]認為，把植物油與酯類油、聚α烯烴能混合，能降低90 %的植物油在40 ℃溫度下的運動黏度，通過流變學實驗結果發現，油品黏度和成分之間的半對數關系比其立體模型更準確。

相比于植物油而言，合成酯類油在各使用性能上均有較大的改善，其結構與黏度特性的相關性也有較多的學者研究。Adhvaryu等[19]利用分子建模對生物基合成油分析發現，由于分子間氫鍵的存在，分子中羥基的會提高合成油的黏度；Nutui等[20]通過實驗發現，新戊基多元醇酯的運動黏度與成酯一元羧酸主鏈上碳原子數呈近似線性變化，黏度隨酯分子量的增加而增加，支鏈酸酯的黏度高于直鏈酸酯的黏度，但支鏈酸酯具有較低的黏度指數；王貽全等[21]認為，在脂肪酸中引入支鏈會使多元醇酯的黏度指數下降，且支鏈越多、距離羧基越遠，則黏度指數越小；為了更精確地研究物質黏度與分子結構的關系，前人已經提出了許多不同的函數來表示黏度與分子構成的關系，這些幾乎都涉及了物質的分子質量或鏈長，其中最著名的黏度-分子結構的關系就是Dunstan提出的log=+，其中是黏度，為分子量，是一個對同系物恒定的常數，是一個特殊系列構成的特性因子，同時，Flory[22]通過調查發現，當時的科研學者們幾乎很少精確分析熔融聚合物的黏度與分子量的相關性，但在目前研究進展來看，用方程可以很精確地表示了其黏度與分子量的關系，為此，Flory以熔融線性聚酯為研究對象，采用基端滴定法測量物質的分子量，對平均分子量范圍在200至10 000以上的熔融線性聚酯黏度進行了測量，并發現黏度的對數ln是平均鏈長平方根精確的線性函數，黏度和重均鏈長之間的關系不并依賴于在聚合物中的各單體的類型，同時，熔融線性聚合物的黏溫系數（ln/）與該聚合物平均分子量無關，其大小并不是同類的單體物的倍數關系；Eychenne等[23]通過對新戊基多元醇酯摩擦學性能的分析，建立了酯在40和100 ℃時黏度和其結構的關系，列舉并證明了適合新戊基多元醇酯和線性脂肪酸酯黏度預算與分子量之間的函數。

4 結束語

文章從烴類油和酯類油兩個角度出發對油品結構組成與黏度及黏溫特性的相關性進行了綜述，并總結了經驗性規律。隨著潤滑油潤滑環境的日益惡劣，可對日后合理優化油品配方，提升潤滑部件與潤滑油的匹配性提供理論依據。

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Analysis on Correlation Between Structure Composition and Viscosity, Viscosity-Temperature Characteristics of Lubricating Oil

1，1，1，1，1，2

（1. Department of Aviation Oil and Material, Air Force Logistics College, Jiangsu Xuzhou 221000, China； 2. 95631 Air Force Troops,Sichuan Luzhou 646000, China）

According to the different classification and actual use of lubricating oil, combined with the research status at home and abroad, the correlation between the molecular structure and viscosity, viscosity-temperature characteristics of oil products was discussed from the aspects of chain structure of hydrocarbon and ester lubricants, and type, location and quantity of substituents and functional groups.

Lubricating oil;Composition;Viscosity;Viscosity-temperature;Correlation

TE 626.3

A

1671-0460（2017）08-1668-03

江蘇省自然科學基金項目（BK20161187）；江蘇省青年基金項目（BK20150166）。

2017-06-06

費逸偉（1961-），男，江蘇無錫人，教授，博士，研究方向：航空油料應用與軍用功能新材料技術。E-mail：yiweifei50@163.com。