聊城瑞捷化學新材料有限公司

前  言

    20世紀30年代末，德國首先利用石蠟裂解所得的α-烯烴生產聚烯烴潤滑油，50年代酯類油已被用做航空渦輪發(fā)動機油，在之后的相當長一段時間內，合成潤滑油的發(fā)展比較緩慢。后來由于發(fā)動機的發(fā)展和進步，其操作條件對潤滑油提出了更高的要求，以Mobil 1^#問世為標志，合成發(fā)動機油獲得了相當大的發(fā)展，至90年代末，合成轎車機油已占該種油品總量的2.2%，尤其在歐洲，合成轎車機油的比例已達8%；與此同時，114億L的工業(yè)潤滑油需求中合成油也占了341ML（3%）。隨著更嚴格的OEM規(guī)格，延長設備壽命，延長換油期等需求的增長，合成潤滑油正以4%～5%的年增長率迅速增加。

    在全所需合成潤滑油之基礎油中，聚α-烯烴（PAO）和酯類油就占了約60%～70%。雖然越來越多的Ⅱ類及Ⅲ類礦物基礎油的生產和應用在某些油品中部分取代了PAO，但由于PAO優(yōu)異的高、低溫性能及低揮發(fā)性等特點，可以說PAO在許多油品中目前仍是無可取代的。

1   PAO

1.1 PAO的生產及結構

    目前國外各公司的PAO基本上都是由乙烯齊聚生成的C⁼₁₀α-葵烯經催化齊聚并經加氫飽和生產的。由于其原料α-葵烯的純度高，催化劑活性及選擇性高，工藝條件控制嚴格，故PAO產品的性能遠比用不同油含量的蠟經裂解、分餾再聚合所得到的聚烯烴的質量好得多。主要表現(xiàn)在其粘度指數(shù)、低溫性能及熱氧化安定性等方面有顯著不同。

    PAO可分為低粘度PAO（100℃粘度為2～10mm²/s）和高粘度PAO（100℃粘度為40～100mm²/s）兩大類，由ExxonMobil Chemical公司、Chevron/Philiphs公司、BP/Amoco等少數(shù)公司生產。ExxonMobil Chemical公司是能生產低粘度和高粘度兩大類PAO的公司。ExxonMobil Chemical公司還提出一種新型超高粘度的PAO SuperSyn^TM，其100℃粘度可達150～3000mm²/s，粘度指數(shù)高至220～388。與傳統(tǒng)的PAO相比，SuperSyn^TM具有更規(guī)整的結構。2種PAO的結構見圖1（常規(guī)PAO，平均側鏈長6～7個碳；SuperSyn^TM系列PAO，平均側鏈長8個碳）（圖略）。

    PAO的規(guī)整結構賦予了它許多有別于礦物油的卓越性質。圖2是PAO與相同粘度的Ⅲ類基礎油的對比圖（圖略）。

1.2 PAO的卓越性能

1.2.1 粘度指數(shù)高及優(yōu)異的低溫性能

    低粘度PAO與相同粘度Ⅲ類基礎油的性質對比見表1。

表1 PAO與相同粘度Ⅲ類基礎油的性質對比

    表1數(shù)據(jù)說明，除粘度指數(shù)大于Ⅲ類基礎油外，PAO的突出特點是傾點低，低溫流動性大大優(yōu)于Ⅲ類基礎油。在0W發(fā)動機油、75W齒輪油、ATF、低溫液壓油及其它對低溫粘度要求高的油品中，PAO的地位是無可取代的。

    在高粘度油品領域中，目前尚無合適的Ⅱ及Ⅲ類基礎油；而聚異丁烯（PIB），無論是粘度指數(shù)，還是傾點及閃點，都大大遜于PAO，見表2。

表2 高粘度PAO與PIB的對比

    新型的PAO及SuperSyn在粘度指數(shù)和傾點等方面的優(yōu)越性更加突出，見圖3及圖4（圖略）。

1.2.2 極好的熱氧化安定性

    眾所周知，PAO的穩(wěn)定性好，雖然其本身的氧化安定性并不特別高，但它對抗氧劑的感受性特別好，加入少量抗氧劑，特別是胺類抗氧劑時，PAO表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗氧化安定性。表3為PAO與礦物油氧化安定性對比數(shù)據(jù)，表4為PAO與礦物油熱安定性對比數(shù)據(jù)。

表3 PAO與礦物油氧化安定性對比（2%抗氧劑）

注：試驗條件：163℃，72h。

表4 PAO與礦物油熱安定性對比（成漆板試驗^1））

注：1）試驗條件：鋁板310℃，濺油6min，烘烤1.5min；

    2）評分：10=清潔。

1.2.3 低的揮發(fā)性

    PAO比相同粘度礦物油的揮發(fā)性低。蒸發(fā)度對比數(shù)據(jù)見圖5（圖略）。

    除上述優(yōu)于礦物油的突出特性外，PAO還具有水解安定性好，配伍性好，潤滑性較好等優(yōu)點。

2   酯類油

    酯類油是另一類廣泛應用的合成潤滑油的基礎油，是由各種醇和酸反應所生成的具有預定分子結構的有機酯，其粘度指數(shù)高，不含普通礦物油中所含有的不穩(wěn)定雜質。其大的特點是酯分子中的多重酯鍵（-COOR）賦予了酯分子以極性，因而賦予酯類油許多無可比擬的性能和應用特點。

    多數(shù)酯類油的粘度指數(shù)都很高，具有很好的低溫性能，可在極寬的溫度范圍內使用。

2.1 好的熱氧化安定性

    由于一般在多元醇酯的醇基之β碳原子上沒有氫原子，因而多元醇酯比雙酯熱穩(wěn)定性更好，其氧化安定性也比雙酯高。酯類油的氧化安定性主要受酯中酸化學結構的影響，其安定性順序為：長鏈酸＜短鏈酸、輕度分支的酸＜直鏈酸、高度分支的酸。各種酯類油的氧化安定性及其與礦物油的對比評價結果見表5。

表5 各種酯類油的氧化安定性及其與礦物油的對比

注：* 成漆板試驗條件：275℃，22h，通空氣；目測評分：＞2為失敗，0.5～2.0通過，＜0.5為優(yōu)；樣品均含1%胺型抗氧劑。

2.2 的潤滑性能

    酯的極性使其在金屬表面形成一個穩(wěn)定的膜，因而能在條件下提高油品的潤滑性，見表6。PAO中加入酯類油能顯著減少摩擦系數(shù)。

表6 PAO中加入酯類油對HFRR試驗結果的影響^*

注：* HFRR試驗：高頻往復臺架試驗。

2.3 對極性物質的溶解性

    酯的極性有助于增加添加劑和油中初級氧化產物及油泥的溶解度，防止油泥的生成。

2.4 可生物降解性

    酯鍵為微生物攻擊酯分子提供了活化點，因而酯是可生物降解的，因而酯類油可用于“對環(huán)境友好潤滑油”的配方，不同酯類油的可生物降解性見表7。

表7 不同酯類油的可生物降解性

2.5 低的揮發(fā)性

    在相同粘度時酯的蒸汽壓低，閃點高，因而所生產成潤滑劑的蒸發(fā)度低，酯的蒸汽壓隨其結構不同而不同，見圖6（圖略）。

    用于合成潤滑劑的酯類油通?？煞譃?類：單酯、雙酯、芳香酯（二甲酸酯和偏三酸酯）、多元醇酯及復合酯。其中雙酯是由二元酸與各種醇生產的，雙酯曾被用做早期的噴氣發(fā)動機油，目前多用于高性能潤滑脂和發(fā)動機油，亦可用于各種各樣的工業(yè)用油。芳香酯是由二甲酸及偏三酸與各種醇生產的，其特點是可作為低成本的高粘度調合組分使用。主要用于調制對粘度指數(shù)要求不高而要求必須清潔操作的空氣壓縮機油。多元醇酯是由多元醇，例如三羥甲基丙烷或，與各種各樣的單元酸反應生成的。多元醇酯是高性能酯類油，具有更好的熱氧化安定性，有可能使?jié)櫥瑒┑氖褂脺囟确秶鷶U大50～100℃。此外，酯鍵被適當屏蔽的多元醇酯的水解安定性比雙酯好得多。多元醇酯主要用于現(xiàn)代航空燃氣發(fā)動機油。其它應用包括：空氣壓縮機油、齒輪油、儀器用油、工業(yè)用油和發(fā)動機油的調合組分，多元醇酯還越來越多地被用做環(huán)保型潤滑油和潤滑脂，如二沖程油、可生物降解液壓油和冷凍機油等。復合多元醇酯是由單及二元酸與多元醇反應生成的，其分子量高，且具有鉸鏈聚合結構，是可生物降解的酯。

3   PAO和酯類油的應用及合成工業(yè)用油的特點

    由于PAO和酯類油具有上述顯著的性能特點，故廣泛應用于對油品要求很高的現(xiàn)代汽車用油和工業(yè)用油，尤其那些礦物油不能滿足其性能要求的油品。

3.1 合成內燃機油的特點和應用

    合成半合成內燃機油所用的主要基礎油是PAO，為了強化其性能，增加添加劑及油泥的溶解度，有時也加入一些酯類油。主要是0W/XX和5W/XX油。合成內燃機油的特點是：低溫性能很好，可在嚴寒區(qū)應用；高溫性能很好，可滿足現(xiàn)代車輛要求；粘溫性能好，可少用粘度指數(shù)改進劑，以減少亮紅燈機會；啟動性好，減少啟動磨損；潤滑性好，減少摩擦磨損，并延長車輛使用壽命；蒸發(fā)損失小，減少油耗，利于環(huán)保等。

3.2 合成車輛齒輪油的特點和應用

    合成車輛齒輪油多為低粘度和大跨度的油品，例如75W/90、75W/80、80W/140甚至75W/140等。主要成分是PAO，有時也加入一些酯類油。合成齒輪油的優(yōu)勢在于：低溫性能好，節(jié)能，溫升?。豢蓽p少齒輪的磨損，延長齒輪壽命；可延長換油期，減少潤滑油的油耗；同時由于PAO的粘度指數(shù)高，可大大減少增粘劑的用量，增加了油品的剪切安定性，易于滿足98版SAE J 306齒輪油粘度分類對剪切安定性的要求。

3.3 合成工業(yè)用油的特點和應用

    合成工業(yè)用油近年來發(fā)展很快，主要是由于設備性能的提高，礦物油已不能滿足設備性能的要求。同時合成油還能滿足設備的效率，降低操作成本，延長換油期，降低潤滑油油耗和環(huán)保等各方面的要求。

3.4 合成空氣壓縮機油的特點和應用

    合成空氣壓縮機油又可分為以酯類油為主和以PAO為主的兩類，均可用于旋轉式和往復式空氣壓縮機。其共同特點是：低溫流動性和高溫穩(wěn)定性都很好；揮發(fā)度低，閃點高，使用安全，減少或消除沉積物的形成。因而換油期長，滑片式可從500h提高到4000h，螺桿式/往復式可從1000h提高到8000h；能耗小，美國一統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，21臺往復式空氣壓縮機平均降低能耗7.4%；11臺螺桿式空氣壓縮機平均降低能耗8.3%；承載能力高，可為同粘度礦物油的2倍；降低油耗至少30%；并能減少維修，增加運轉時間，提高開工率等。另外，酯基壓縮機油具有可生物降解性，而PAO基壓縮機油的耐水解安定性好。

3.5 合成工業(yè)齒輪油的特點和應用

    主要用于礦物油性能滿足不了要求的場合，例如：負荷極高，非正常操作環(huán)境，要求高、低溫操作的場合。其使用特點是：提高熱功率極限，礦物油只可用至≤93℃，合成油可用于130℃；降低能耗，提高效率，例如，某VG 220合成齒輪油，其操作溫升比礦物油低8℃，能耗低5.3%；低溫啟動性好，大大減少磨損；改善齒輪潤滑狀態(tài)，尤其是高溫下抗磨損性能，延長設備使用壽命；延長換油期，使用壽命數(shù)倍于礦物油等。

3.6 合成液壓油的特點和應用

    合成液壓油適用于苛刻條件下，尤其是高溫高氧化，長時間工作的齒輪泵、活塞泵或葉片泵，例如：煉鋼廠、熱軋廠、煤礦、熱處理等場合使用的高溫高壓液壓油，使用溫度一般在-20～150℃；還適用于需要低溫啟動性能好的寒區(qū)/高寒區(qū)用油。其使用溫度范圍寬；剪切安定性好；沉積物少，油耗小，換油期長；分水性、抗泡性、空氣釋放性及抗乳化性均十分良好。

3.7 合成抗燃液壓油及可生物降解液壓油的特點和應用

    某些多元醇酯由于其揮發(fā)性小，閃點高，潤滑性好，故可用做抗燃液壓油，許多酯類油還可用做可生物降解液壓油的基礎油。

3.8 合成高溫鏈條油的特點和應用

    合成高溫鏈條油適用于高溫下的傳動裝置，例如紡織、汽車制造、陶瓷、玻璃、塑料成膜、玻璃纖維及食品加工等工業(yè)，使用溫度高達260℃。例如，某紡織印染廠的熱定型機傳動鏈條，操作溫度大于215℃，使用合成油后，結焦少，能耗降低30%～80%，開工周期從3個月延長到9個月，大大縮短了停工檢修時間和檢修工作量（從15天、20個勞動力減少到6天、15個勞動力），并延長了摩擦件的使用壽命。

3.9 合成氣輪機油的特點和應用

    合成氣輪機油主要用于航空燃氣輪機，也可用于民用燃氣輪機及蒸汽輪機，合成燃氣輪機油的特點是優(yōu)異的防銹性和極好的低溫流動性及高溫抗氧性。合成蒸汽輪機油的特點是，優(yōu)異的抗氧化安定性和化學安定性，破乳化性及好的防銹性等。

3.10 合成潤滑酯的特點和應用

    PAO和酯類油均可用于合成潤滑脂，主要是在苛刻的使用條件下保護機器部件，尤其適用于低溫及高溫潤滑脂，使用溫度范圍一般在-37～200℃；合成潤滑酯的熱氧化安定性好，可用于食品加工機械，酯類油基的潤滑酯還有生物降解性。

4   小結

    為滿足現(xiàn)代工業(yè)及車用潤滑劑苛刻的性能要求。以PAO和酯類油為主體的合成潤滑油得到了很大的發(fā)展。PAO與酯類油可單獨使用，也可相互復合。由于PAO和酯類油的粘度范圍寬，各種性能優(yōu)越，使其靈活性很大，可調配出不同粘度級別和不同質量水平的油品。由于其優(yōu)良的性能使以合成油為基礎油的油品具備換油期長、設備使用壽命長、節(jié)能等優(yōu)點。

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