潤滑油低溫流動性的研究

阮少軍 費逸偉 吳 楠 彭顯才 劉鴻銘

(空軍勤務學院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000)

在我國的華北、東北以及西北地區，特殊的地緣位置往往使得冬天最低氣溫在-40 ℃以下，機動車、飛機等發動機在這種極端條件下極易造成啟動困難。究其原因，大都是所添加的潤滑油在低溫條件下，粘度增高，發生了凝固，導致摩擦部件供油困難。

為了揭示和解決潤滑油在低溫條件下流動性變差的問題，本文主要對影響潤滑油低溫流動性的因素進行了概述，并提出了改善方法，為今后潤滑油能夠在低溫條件下更好地使用提供了理論依據。

1影響潤滑油低溫流動性的因素

潤滑油常被用在機動車、飛機等機械上以達到減少摩擦，保護機械元件的作用，因其在冷卻、防銹、清潔、密封和潤滑等方面有顯著的效果，所以常被人們譽為“機械運轉的血液”，而對于潤滑油低溫條件下的影響因素，可分別從微觀結構及理化性質二個方面來分析。

1.1 微觀結構對低溫流動性的影響

從潤滑油構成上分析，低溫條件下的流動性能與蠟含量有關，故可按蠟含量的多少把低溫條件下潤滑油失去流動性的原因歸結為結構凝固和粘溫凝固[1]。

對于含蠟較多的油品，隨著溫度降低，油中的正構烷烴等熔點較高的烴類逐漸析出，彼此間以板狀或針狀相互結合構成石蠟結晶網絡，析出的石蠟結晶會在油液中均勻分布，當溫度下降，隨著時間的推移，會使全部油液均不能流動，因此被稱為結構凝固而對蠟含量較少的油品，其含有環狀結構多，隨著溫度的降低，會使粘度變大，最終油液會因為粘滯而不能流動，故被稱為粘溫凝固。

上述凝固過程都可分三個步驟進行: 晶核形成；蠟晶生長；蠟晶顆粒鏈接[2]。總之，潤滑油失去流動性的主要原因是油品中的蠟在低溫下結晶、相互聯結為針狀或片狀析出，并構成了三維網狀形態，進而把油液吸附或溶劑化在里面，所以導致了整個潤滑油體系不能流動。

1.2 理化性質對低溫流動性的影響

當潤滑油具有良好的低溫流動性時，低溫條件下它才會在摩擦副表面形成液體層或表面膜，把固體表面的干摩擦變為潤滑油分子間的濕摩擦，從而達到降低摩擦、減少磨損、延長機械使用壽命的目的，而從理化性質上分析，影響其低溫流動性的主要因素有粘度、傾點和凝點。

1.2.1粘度

粘度，即流體的內摩擦力，是潤滑油油膜厚度的體現。作為影響潤滑油低溫流動性的重要因素，粘度不僅代表了流體流動的能力，而且直接反映出潤滑油油膜的承載性及密封性[3]。潤滑油粘度越大，承載性能及密封性能就越好，同時也會帶來更大的損耗。反之，雖然小粘度的油液流動性好，冷卻效果佳，但卻是以犧牲承載性能及密封性能為代價。此外，由于粘度隨著溫度升高而下降的性質，所以為保證機械的運轉正常，選擇粘度隨溫度變化較小的潤滑油顯得十分必要。

1.2.2凝點和傾點

潤滑油凝點是指在規定實驗條件下冷卻，將裝有油液的試管傾斜45°，一分鐘后，液面不發生移動的最高溫度。

凝點是影響各種潤滑油低溫流動性又一關鍵因素，在生產、運輸、儲存、使用方面都有重要作用。低溫條件下凝點高的潤滑油不能被使用，為了避免不必要的浪費，凝點低的油品不在高溫下使用。一般要求凝點要比使用溫度低5～7 ℃。主要原因是潤滑油在實際工況下，使用溫度比凝點高約5～15 ℃左右，就會失去流動性，詳見表1[4]。

潤滑油凝點與油品的化學組成密切相關。一般而言，輕質組分越多則凝點越低，重質組分越高則凝點越高。除此之外，油液中膠質等表面活性物質，通過阻礙蠟晶體網狀形狀的形成，也會使凝點降低。

除了凝點之外，還可以用傾點來表示潤滑油失去流動性時的溫度。傾點指的是在規定的實驗條件冷卻下，潤滑油能夠流動的最低溫度，測定過程中，先將裝有油液的試管預熱，然后以規定速度冷卻至預期溫度，當傾斜試管，油液不流動時，立即在水平位置上觀察，若5 s之內油液還流動，即傾點為此刻對應溫度。需要明確指出的是，測試傾點時，要盡量減少傾斜試管的時間和次數，以免破壞油品中形成的結構，由于油液中原來液態的石蠟在溫度下降至一定程度后，會產生固體結晶。因此傾點又被稱為含蠟傾點。

表1 潤滑油凝點和流動極限溫度Table 1 The solidifying point and the ultimatetemperature of lubricating oil

凝點和傾點之間沒有原則性的差別，僅僅是測試的方法略有不同，且在一般情況下，潤滑油的傾點比凝點高2～3 ℃[3]。國際上，傾點使用較為普遍，故我國內燃機潤滑油的低溫指標大多都采用傾點表示。

凝點及傾點均能影響油品的低溫流動性，低溫下使用潤滑油時，傾點或凝點過高，會導致油液不能流動，堵塞輸油管，進而失去潤滑效果。極端低溫條件下，因使用的滑油傾點或凝點過高，造成發動機啟動困難的情況時有發生。為了避免這種情況的發生，選用潤滑油時，其傾點或凝點要比使用溫度低10 ℃～20 ℃。

造成發動機啟動困難，并不只是源于潤滑油的凝固，當溫度降低至油品凝點或傾點時，粘度也會隨之增加，也可能是粘度的變大帶給零件間相對運動阻力太大所致。

總之，選用低溫潤滑油時，應全面考慮油品的粘度、凝點和傾點等因素。

2改善潤滑油低溫流動性的方法

從潤滑油低溫流動性的因素不難得出，通過生產中脫蠟或者改變油品的粘度、凝點和傾點即降凝改粘的方法，均可有效改善潤滑油的低溫流動性。

2.1 生產脫蠟

潤滑油可分為兩大類，礦物潤滑油和合成潤滑油。礦物潤滑油基礎油的原料中含有烷烴、環烷烴、芳烴、環烷芳烴和膠質、瀝青等非烴類化合物以及少量含氧、氮、硫的有機化合物組成[5]，而合成潤滑油則分為聚α烯烴和酯類潤滑油。在生產脫蠟的問題上，因礦物潤滑油本身成分復雜且含有蠟，故下面介紹的脫蠟方法皆針對于礦物潤滑油。

2.1.1物理溶劑脫蠟法

我國的石油多為含蠟石油，有些潤滑油中含蠟量超過40%[5]，為了保證油品在低溫條件下仍具有良好的流動性，必須采取脫蠟的工藝將易于凝固的蠟除去，在常用的脫蠟方法中，溶劑脫蠟尤為重要。其原理是利用溶劑對油和蠟的溶解能力不同，低溫條件下使用粘度小的溶劑稀釋油品，在降低油品粘度的同時又使蠟結成大晶粒而析出。

溶劑脫蠟法對溶劑的選擇無疑最為重要，所選溶劑需要兼顧較好的選擇性和溶解性，單一的脫蠟溶劑往往很難達到要求，其性質見表2[5]。因此工業上為了取長補短，一般會采用2～3種溶劑進行混合。常見的有丙酮-苯-甲苯、丙酮-甲苯、甲基乙基酮-甲苯等。從這些混合溶劑中不難發現，其都是采用極性溶劑和非極性溶劑相互混合，極性溶劑的作用是沉淀蠟，而非極性溶劑的作用則是稀釋油品。

表2 常見脫蠟溶劑的性質Table 2 Properties of common dewaxing solvents

2.1.2化學加氫脫蠟法

近些年，由于發動機性能的不斷提升和使用條件越來越苛刻，因此對氧化安定性好、粘度指數高以及揮發性低的優質潤滑油油品的需求劇增。傳統的生產工藝很難滿足這些需求，故加氫法生產優質潤滑油的技術便應運而生。加氫脫蠟作為加氫法中重要的一環，分為催化脫蠟、異構脫蠟及蠟異構化[5]。

催化脫蠟指的是原油中凝點較高的長鏈正構烷烴和帶有側鏈的異構烷烴在分子篩的孔道內發生裂化，產生低分子的烴，從油品中分離，進而降低油品的凝固點。其反應的實質是對傾點高的正構烷烴進行異構、拖氫和裂化反應，使其轉化為傾點低的烴。圖1為催化脫蠟典型的化學反應。從圖中可以看出，反應的加氫及脫氫發生在金屬活性中心(M)，而其異構化則產生于酸性中心(A)。

異構脫蠟是把高傾點長鏈的正構烷烴異構化，轉化為低傾點、高粘度的異構烷烴，其裂化副產物為噴氣燃料和低凝柴油。異構脫蠟的催化劑以異構活性為主，裂化的活性低，與催化脫蠟比，其副產品少，收率高，且粘度高。

蠟異構化則是指在蠟部分轉化條件下，制取超高粘度的潤滑油，滿足傾點的前提下，獲得最高的潤滑油收率。

2.2 改粘降凝

潤滑油要具有更好的低溫性能，除了生產脫蠟的方法之外，更為有效的方法就是改粘降凝，具體做法是在潤滑油中分別加入粘度指數改進劑和降凝劑。粘度指數改進劑主要用于改善油品的粘溫性、低溫啟動性，而降凝劑則用于降低潤滑油的凝點。

2.2.1改粘

改粘可通過加入粘度指數改進劑來實現。所用的粘度指數改進劑又叫增粘劑，為油溶性鏈狀高分子化合物，在烴類油中易溶解。低溫時，其分子收縮卷曲，和油品的摩擦較小，所以對粘度的影響不大；但高溫條件下，其分子溶脹，表面積和流體力學體積變大，和油品的摩擦明顯增大，導致油品的粘度增加，能夠彌補潤滑油因溫度上升而引起粘度下降的變化。粘度指數改進劑正是由于不同溫度及不同形態下對粘度影響不同，從而改善了油品的低溫性能。增粘劑分子的變化狀態見圖2，從(a)到(f)分別代表從低溫到高溫時分子的變化狀態。

圖1 催化脫蠟典型的化學反應Fig 1 typical chemical reaction of catalytic dewaxing

目前我國使用的粘度指數改進劑主要包括聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙烯-丙烯共聚物(OCP)、聚異丁烯(PIB)、氫化苯乙烯-異戊二烯共聚物(HSD)[6]。

需要注意的是，粘度指數改進劑作為高分子，很容易在高溫或者高剪切力情況下，斷裂為小分子，導致粘度變低，因此長時間使用含有此添加劑的油品，需要注意及時更換油品。

圖2 粘度指數改進劑分子的收縮和溶脹Fig 2 The shrinkage and swellingof viscosity index improver

2.2.2降凝

加入降凝劑可明顯達到降凝的目的，降凝劑(PPD)又被稱為低溫流動改進劑，是油溶性的聚合物，只要極少的加入便可以改變油品的流變性及界面狀態，從而達到降低凝點的目的[7]。

當沒有降凝劑時，低溫條件下潤滑油中的石蠟會形成針狀或片狀的蠟晶，蠟晶間堆積產生網狀結構，而網狀結構能吸收油液，故導致潤滑油的流動性變差[8]。降凝劑加入后，其側鏈烷基與石蠟結晶產生共晶作用，使之不能形成較大的晶體，且本身的骨架使得蠟晶不能堆積，影響了網狀結構的形成，因此提高了油品的流動性。

除此之外，降凝劑中還存在著極性基團，其能夠吸附油品中的極性物質，這些極性物質定向排列在蠟晶表面形成溶劑化層，溶劑化層的存在阻斷了蠟晶間的連接，降低了體系的表面能，使得蠟晶高度分散。這里需要特別指出的是，降凝劑只在含蠟較少的油品中才能起到降凝作用，無蠟或者含蠟多均無效果。

目前，使用最廣泛的降凝劑有烷基萘、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚α烯烴等。

烷基萘又叫巴拉弗羅(Paraflow)，是用氯化石蠟和萘在三氯化鋁為催化劑時縮合而成，1931年由Davis[9]等發明。其分子量在10 000左右，對中、重質潤滑油有降凝效果，但因顏色較深，故不宜用在淺色的油品中。

聚甲基丙烯酸酯是目前使用較廣泛的降凝劑，利用偶氮二異丁腈或氫化苯甲酰為引發劑，在甲苯溶劑中，甲基丙烯酸酯單體自由基聚合反應獲得，因其存在梳狀結構，故有很好的改粘降凝效果。

聚α烯烴降凝劑為我國自行研發的，是在齊格勒催化劑下，用蠟裂解烯烴聚合而成，使用于輕、中、重質潤滑油，降凝效果很好，一般用量在0.2%～1.0%。

需要明確的是，并不是只要存在降凝劑，油品的降凝效果就好，同一種降凝劑往往對不同的油品表現出完全不同的降凝效果，主要是潤滑油的組成、石蠟的含量均會對降凝效果產生非常大的影響。為了讓降凝劑發揮最大的效用，需要綜合考慮各方面的因素。

3結 語

作為潤滑油重要的基本性質之一，低溫流動性能不僅影響著摩擦表面的潤滑效果，還影響極端溫度條件下發動機的啟動[10]，低溫條件下流動性能較差的油品，不僅會增加機械附件間的摩擦和損耗，而且不利于整個潤滑體系的清潔和散熱。為了有效地避免此類情況的發生，在了解潤滑油低溫流動性影響因素的基礎上，學習并掌握具體的改善措施可以對解決實際問題提供行之有效的理論支撐，具有十分明顯的現實意義。

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[4] 鄭發正，謝鳳。潤滑油性質與應用[M].北京：中國石化出版社，2006,30-35.

[5] 康明艷，盧錦華。潤滑油生產與應用[M].北京：化學工業出版社，2011,30-53.

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[7] 鄭萬剛，汪樹軍，劉紅研。α-甲基丙烯酸十四醇酯-丙烯酸胺共聚物降凝劑的制備及其對潤滑油的降凝效果[J].石油學報(石油加工)，2014,30(3)：462.

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