潤滑油基礎油與添加劑對電動汽車傳動液導電性能的影響

杜 洋，陳云龍，馬 瑞，李維民，王 靜，王曉波

(1.中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室，蘭州 730000；2.青島理工大學；3.東華大學)

21世紀以來，石油資源的持續減少和汽車尾氣造成的環境問題嚴重制約著人類社會的可持續發展。鑒于此，各國紛紛出臺政策法規推進新能源汽車的發展[1]。最具代表性的新能源汽車是電動汽車，電動汽車的驅動系統主要采用驅動電機+單級/兩級減速器的方式[2-4]，沒有離合器和同步器，減速器直接與電機連接，傳動比較簡單，傳統的傳動液即可滿足其傳動系統用油需求。隨著電動汽車驅動系統不斷向高轉速、高功率密度、高電壓、集成冷卻的方向發展[5]，新一代高性能電動汽車多采用“三合一”的集成式驅動系統，即將電機、減速器、電機控制器耦合的驅動系統[6-8]。在這種集成式驅動系統中，油品需要長期與含銅的電氣元件和橡膠絕緣材料接觸，因而對油品的散熱性能、電氣性能、腐蝕性能、橡膠兼容性等提出了新的技術要求，傳統的變速箱油已不能滿足需求[9-11]。其中，對油品電氣性能的特殊要求成為新型電動汽車驅動系統用油的顯著特征之一。

油品的電氣性能參數主要包括擊穿電壓、電導率、介質損耗等，其中電導率是評價油品電氣性能的關鍵指標。一般認為，油品電導率過高，可能會導致漏電等安全問題；油品電導率過低，靜電荷會快速聚集產生靜電效應，可能會導致電機損壞；因此，油品電導率需要保持在一定的范圍[12]。Lubrizol公司研究人員發現，自動傳動液(ATF)的電導率與電荷載荷的數量密度及遷移率成正比，而電荷載荷的遷移率主要取決于其尺寸大小、攜帶電荷數量、溫度和流體黏度，因此傳動液的極性添加劑、氧化程度和黏度變化是影響其電導率的主要因素[13]。Afton Chemical公司研發人員發現，通過控制分散劑中(硼+磷)/氮元素的比例且平衡分散劑與清凈劑的添加量，可以得到電導率(22 ℃)低于1 700 pS/m的潤滑油[14]。張繼平等[11，15]調制了電動車傳動系統潤滑油并考察其氧化前后的絕緣性能，發現該傳動油氧化前后均具有較高的擊穿電壓。

為了系統研究潤滑油基礎油(簡稱基礎油)與添加劑對油品電導率的影響，本課題結合電動汽車驅動系統對傳動液電氣性能的需求，測定不同類型基礎油和添加劑調制油品的電導率，并分析其影響因素，希望對電動汽車驅動系統用油的研發提供指導。

1 實 驗

1.1 材 料

礦物型基礎油250N，韓國S-oil公司產品；基礎油PAO4，ExxonMobil公司產品；基礎油GTL4和GTL8，Shell公司產品；基礎油季戊四醇酯5750，法國NYCO公司產品。各基礎油的基本性能如表1所示。

潤滑油添加劑包括清凈劑、分散劑、抗磨劑、抗氧劑和金屬減活劑等5類添加劑，其分類、產品編號、結構、總堿值(TBN)和來源如表2所示。

表1 基礎油的基本理化性能

表2 添加劑的分類、產品編號、結構、TBN和來源

1.2 油品制備

將不同結構類型的6種清凈劑、7種分散劑、3種抗磨劑、2種抗氧劑、2種金屬減活劑，按照自動傳動液的典型組合配比[14]，以清凈劑質量分數1.0%、分散劑質量分數3.0%、抗磨劑質量分數1.0%、抗氧劑質量分數1.0%、金屬減活劑質量分數0.1%分別添加到PAO4基礎油中，配制得到基礎油和單一添加劑組成的測試油品各100 g。油品分別命名為：x添加劑編號，其中x分別為上述各種添加劑的典型添加質量分數，添加劑編號參見表2。例如：將1.0%T115A與99.0% PAO4配制的油品命名為1.0%T115A。

1.3 油品電氣性能測試方法

Afton Chemical公司的研究人員在研究潤滑油品介電性能時，采用了ASTM D4308液態烴類電導率測定標準方法，取得了較好的研究效果[14]。因此，本課題同樣采用該測試方法，使用美國Emcee Electronics公司生產的Emcee Model 1154精密電導率儀測定待測樣品的電導率。測量量程為0.01～200 000.00 pS/m，測定溫度范圍在25～150 ℃。測試試驗時，先將調制的油品放入測量槽的外腔中，升溫至150 ℃，測量樣品的電導率；然后，在自然冷卻狀態下，溫度每降低(5±0.2) ℃測量一個溫度點下的電導率值，并繪制電導率隨溫度的變化曲線圖。

2 結果與討論

2.1 基礎油的電導率

對于電動汽車傳動液，黏度對流體電荷載荷的遷移速率影響較大，電動汽車驅動系統一般選擇低黏度基礎油以提高散熱效率[16]。因此，試驗測定了不同結構低黏度基礎油的電導率，結果如圖1所示。從圖1可以看出：在整個測試溫度范圍內，烴類基礎油(礦物油、GTL)的電導率均低于100 pS/m；PAO4基礎油的電導率低于電導率儀的最低檢測限，而GTL8基礎油的電導率也非常低，僅在高溫時測得電導率約為2 pS/m。隨著溫度升高，酯類基礎油的電導率不斷增大，150 ℃時測得其電導率約為1 000 pS/m。這主要是因為酯類基礎油分子中的酯基官能團極性較強，且酯類基礎油含水量較烴類基礎油多，分子極性比烴類基礎油更強，因而電導率最高。基礎油由于精制工藝和精制程度不同，導致極性有所差異，基礎油的精煉程度越低，極性越強，電導率相對更高[17]。試驗測定的基礎油均是API Ⅲ類以上的基礎油，因此純度更高，幾乎沒有極性或呈弱極性，電導率極低，電導率值在一個數量級內變化較小。總體而言，基礎油的電導率較低，強極性基礎油的電導率大于無極性或弱極性基礎油。

圖1 不同類型基礎油的電導率隨溫度變化的曲線●—GTL8； ▲—GTL4； ◆—250 N

2.2 添加劑對油品電導率的影響

潤滑油添加劑主要以極性化合物為主，其導電性能較基礎油更強。由于不同種類添加的結構差異很大，因而添加劑的類型與加量是影響傳動液電導率的關鍵因素[14]。為考察不同類型添加劑對油品電導率的影響，分別以清凈劑、分散劑、抗磨劑、抗氧劑、金屬減活劑等功能添加劑為研究對象，考察其結構類型及加量對基礎油電導率的影響。

2.2.1清凈劑對油品電導率的影響

測定6種清凈劑與基礎油配制油品的電導率隨溫度變化的曲線，結果如圖2所示。從圖2可以看出：隨著溫度升高，各油品的電導率不斷增大；與基礎油相比，添加清凈劑油品的電導率顯著增大，特別是添加T115B或T115C后，其電導率在較高溫度下超出了儀器測量上限，其超出部分的電導率值均用儀器上限值200 000 pS/m表示；此外，高堿值硫化烷基酚鈣型清凈劑對油品電導率的影響顯著高于中堿值硫化烷基酚鈣型和低堿值磺酸鈣型清凈劑。

圖2 添加不同類型清凈劑油品的電導率隨溫度變化的曲線■—1.0%T115A； ●—1.0%T115B； ▲—1.0%T115C； ◆—1.0%BDC020；

產生以上測量結果的主要原因在于硫化烷基酚鈣型和磺酸鈣型清凈劑是典型的強極性離子型表面活性劑，組分中的有機酸官能團、堿性組分(堿性金屬鹽或有機堿+過堿度組分)等極性基團對油品的介電性能影響很大。清凈劑在基礎油中主要以游離的清凈劑單分子、清凈劑單分子膠束、以及清凈劑單分子與堿性碳酸鹽膠核[CaCO3/Ca(OH)2]形成的膠團形式存在，如圖3所示。在電場的作用下，這些游離清凈劑單分子、膠束、膠團吸附電荷形成帶電的載荷膠束和膠團，并定向運動，形成電泳導電，大幅增加了油品的電導率[18]。

圖3 清凈劑在油中的溶解存在狀態[18]

隨著溫度升高，添加高堿值清凈劑的油品電導率快速顯著增大。這主要是由于高堿值清凈劑中包含大量的堿性碳酸鹽膠核，使添加高堿值清凈劑的油品中形成的載荷膠團數量顯著多于添加中、低堿值清凈劑的油品，而且載荷膠團的形成和分解存在一個動態平衡；在電場作用下，隨著溫度不斷升高體系中膠體粒子運動加快，載荷膠團形成與分解的速率也明顯增大，原有的動態平衡被打破[19]，大的載荷膠團分解加劇，膠團中堿性碳酸鹽膠核被釋放出來，形成小的載荷膠束及碳酸鹽極性中心，且數量不斷增多，導致油品的電導率不斷增大。與之相比，低堿值清凈劑(如磺酸鈣)在油品中主要是以單個分子和正鹽膠團為主，沒有大量的載荷膠團存在，因此其電導率較低，且隨溫度的升高增長較緩。

為考察兩種高堿值硫化烷基酚鈣清凈劑對油品電導率的影響，按質量分數0.25%，0.50%，0.75%，1.00%分別將T115B和T115C添加到PAO4中，得到不同高堿值清凈劑添加量的油樣，測試其電導率，結果分別如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可以看出：不同溫度下，隨著高堿值清凈劑添加量的增加，油品的電導率均增大；相同添加量下，添加T115C油品的電導率高于添加T115的樣品，說明清凈劑堿值越高對油品電導率的影響越大，油品的電導率與堿性碳酸鹽膠核的數量成正相關。

圖4 不同T115B添加比例下油品電導率隨溫度變化的曲線■—0.25%T115B； ●—0.5%T115B； ▲—0.75%T115B；

圖5 不同T115C添加比例下油品電導率隨溫度變化的曲線■—0.25%T115C； ●—0.5%T115C； ▲—0.75%T115C；

2.2.2分散劑對油品電導率的影響

測定7種添加分散劑油品的電導率隨溫度的變化，結果如圖6所示。從圖6可以看出：隨著溫度升高，各油品的電導率不斷增大，且含不同分散劑油品的電導率呈現出3個不同的區間；其中，添加常規分散劑T151，T152，T154，T161的油品電導率較低，添加磷硼化分散劑T1356PB的油品電導率最高，添加硼化分散劑T154B、T161B的油品電導率介于中間，這主要與分散劑的分子極性和結構有關。添加分散劑T151，T152，T154，T161的油品電導率主要受分散劑分子極性與空間位阻的影響[20]。其中T151為單丁二酰亞胺，堿值較高(40～60 mgKOH/g)，因而T151分子具有較強極性和較小空間位阻，因此添加T151的油品表現出最高的電導率；T161為高分子分散劑，因烷基取代基鏈較長而空間位阻較大且堿值較低，因而添加T161油品的電導率最低；T152與T154均為雙丁二酰亞胺類分散劑，分子極性介于T151與T161之間，配制油品的電導率也介于兩者之間。

圖6 添加不同類型分散劑油品的電導率隨溫度變化的曲線■—3.0%T151； ●—3.0%T152； ▲—3.0%T154； ◆—3.0%T161；

添加硼化或磷硼化分散劑油品的電導率高于添加常規分散劑的油品，為了探究其原因，對部分分散劑的酸值進行了測試，結果如表3所示。從表3可以看出，與未硼化分散劑相比，硼化分散劑的酸值更高，磷硼化分散劑的酸值最高，達到了43.95 mgKOH/g。這主要是由于分散劑經硼化或磷硼化處理后，改變了分散劑原有的化學結構，分子內存在未完全反應的酸中心，使得分散劑呈現出一定的離子化趨勢，屬于部分離子化的分散劑[20]，從而使體系更容易產生載電荷膠束，增強油品的導電性。相比之下，磷硼化改性的聚異丁烯丁二酰亞胺因酸值更高，殘留的酸中心更多，因此其配制油品的電導率也更高。

表3 分散劑測定酸值

此外，分散劑與清凈劑分子化學結構相似，均由極性基團與非極性基團組成，但分散劑不含金屬且堿值較小，其分子極性比高堿值清凈劑弱。因此，分散劑對油品電導率的影響整體上小于高堿值清凈劑的影響。

2.2.3抗磨劑對油品電導率的影響

測定3種添加抗磨劑油品的電導率隨溫度的變化，結果如圖7所示。從圖7可以看出：隨著溫度升高，各油品的電導率不斷增大，150 ℃時添加T203油品的電導率最大，約為850 pS/m；3種抗磨劑對油品電導率的影響從大到小的順序為T203>AW316>T306，這與3種添加劑分子的極性有很強的相關性。T203含有金屬元素，分子呈強極性，直接影響油中載荷極性基團的數量，添加T203油品的電導率要高于添加其他兩類抗磨劑的油品；T306分子呈中性、極性較弱，因此添加T306油品的導電率最低。與清凈劑及分散劑相比，3種抗磨劑對油品電導率的影響明顯小得多，因此在全配方傳動液中，因清凈劑與分散劑的存在，抗磨劑對油品電導率的貢獻有限。

圖7 添加不同類型抗磨劑油品的電導率隨溫度變化的曲線■—1.0%AW316； ●—1.0%T203； ▲—1.0%T306

2.2.4抗氧劑對油品電導率的影響

測定2種添加抗氧劑油品的電導率隨溫度的變化，結果如圖8所示。從圖8可以看出：隨著溫度升高，各油品的電導率不斷增大；低溫下，兩種抗氧劑對油品電導率的影響相近；當溫度高于90 ℃后，胺型抗氧劑L57對油品電導率的影響明顯高于酚型抗氧劑L135，且油品電導率的增長非常快。總體而言，由于抗氧劑分子極性低，對油品電導率的影響很小。

圖8 添加不同類型抗氧劑油品的電導率隨溫度變化的曲線■—1.0%L135； ●—1.0%L57

2.2.5金屬減活劑對油品電導率的影響

測定2種金屬減活劑與基礎油配制油品的電導率隨溫度的變化，結果如圖9所示。由圖9可知：隨著溫度升高，各油品的電導率不斷增大；與噻二唑類金屬減活劑相比，苯三唑類金屬減活劑對油品電導率的影響更大；與抗氧劑相似，金屬減活劑對油品電導率的影響非常小，且隨溫度的升高無顯著增大。

圖9 添加不同類型金屬減活劑油品的電導率隨溫度變化的曲線■—0.1%I39； ●—0.1%V484

3 結 論

電動汽車驅動系統傳動液基礎油的電導率普遍較小；與烴類基礎油相比，酯類基礎油因存在其酯基極性官能團而分子極性較大，電導率較大。

潤滑油清凈劑和分散劑分子化學結構相似，均由極性基團與非極性基團組成，分子極性較強，因此對油品電導率的影響較大。清凈劑含有金屬鹽且堿值較大，分散劑不含金屬且堿值較小，因而清凈劑分子極性比分散劑更大，對油品電導率的影響更大。特別是高堿值清凈劑，分子中含有大量堿性碳酸鹽，在油中以大量載荷膠團的形式存在，會大幅提高油品的電導率，是影響油品電導率的關鍵因素之一。另外，硼化或磷硼化的分散劑對油品電導率的影響顯著高于常規分散劑；而高分子分散劑因其烴基鏈較長、分子極性較弱，對油品電導率的影響較小。抗磨劑、抗氧劑和金屬減活劑對油品電導率的影響顯著低于清凈劑與分散劑，不是影響油品電導率的主要因素。

此外，隨著溫度升高，各油品的電導率不斷增大，說明溫度也是油品電導率的主要影響因素之一。這主要是因為，隨著溫度升高，油品中大的載荷膠團的分子運動加劇，膠團平衡被破壞，形成更多小載荷膠束，使載荷基團的數量不斷增多，導致油品電導率增大。