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        超高黏度茂金屬PAO在75W-90車輛齒輪油中的應(yīng)用

        2019-03-21 02:40:20劉青才劉中文
        石油商技 2019年1期
        關(guān)鍵詞:齒輪油基礎(chǔ)油油品

        劉青才 劉中文

        上海納克潤滑技術(shù)有限公司

        國家標(biāo)準(zhǔn)GB 13895—2018《重負(fù)荷車輛齒輪油(GL-5)》于2018年7月13日正式發(fā)布,將于2019年2月1日正式實(shí)施,代替1992版標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過25年的發(fā)展,用戶對(duì)車輛齒輪油提出了更高的要求,如燃油經(jīng)濟(jì)性、更長的換油周期等。車輛齒輪油的使用需求和環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。

        目前,中國車輛齒輪油市場(chǎng)中,75W-90級(jí)別油品的市場(chǎng)份額不足5%,而歐美地區(qū)的75W-90齒輪油的市場(chǎng)份額達(dá)35%。汽車傳動(dòng)系用油對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的貢獻(xiàn)率在0.5%~2%,國外研究顯示,使用75W-90齒輪油在不同的路況下燃油經(jīng)濟(jì)性較80W-90齒輪油提升1.3%~4.55%[1]。隨著燃油經(jīng)濟(jì)性的要求不斷提高,75W-90齒輪油具有較大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

        與1992版本標(biāo)準(zhǔn)相比,新版國標(biāo)出現(xiàn)了幾個(gè)重要的變化,特別是在KRL剪切安定性(20 h)項(xiàng)目上,要求油品的剪切后100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度需要保持在同一黏度級(jí)別內(nèi),因此對(duì)齒輪油的剪切穩(wěn)定性提出了更高的要求。在新國標(biāo)實(shí)施后,潤滑油企業(yè)將需要采用剪切穩(wěn)定性好的車輛齒輪油配方以滿足國標(biāo)要求。茂金屬PAO具有好的剪切穩(wěn)定性,可用于車用齒輪油中,以滿足剪切穩(wěn)定性的要求。

        茂金屬PAO簡介

        茂金屬催化劑通常是以環(huán)戊二烯(或其同系物)為配體的IVB族過渡金屬(如Ti、Zr、Hf)有機(jī)配合物。茂金屬一詞源于英文“Metallocene”,該詞由字頭“Metal(金屬)lo(化)”和詞尾“cene(烯烴)”組合而成。與傳統(tǒng)的Ziegler-Natta催化劑相比,茂金屬催化劑體系具有催化活性高、結(jié)構(gòu)可控等特點(diǎn)。

        茂金屬催化體系的聚合方式,普遍都接受的茂金屬體系催化的聚合反應(yīng),進(jìn)行是在中心缺電子的陽離子單活性中心上重復(fù)的配位插入。茂金屬PAO的反應(yīng)機(jī)理見圖1。

        大量試驗(yàn)證明,在烯烴聚合反應(yīng)中主要發(fā)生的是1,2-插入,發(fā)生概率約為2,1-插入的100~1 000倍[2],產(chǎn)品形成特定的梳狀結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的梳狀結(jié)構(gòu)改善了聚合物的流變特性,從而具有更好的低溫性能和更高的黏度指數(shù)。與傳統(tǒng)的PAO相比,較少的側(cè)鏈?zhǔn)姑饘貾AO具有更高的剪切穩(wěn)定性和更窄的相對(duì)分子質(zhì)量分布。傳統(tǒng)PAO與茂金屬PAO分子結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖2。

        2010年,ExxonMobil率先推出使用茂金屬催化劑合成的新一代聚α烯烴產(chǎn)品茂金屬PAO,隨后其他公司也相繼開發(fā)了各自的茂金屬PAO產(chǎn)品。 目前,世界上主要生產(chǎn)茂金屬PAO的 是ExxonMobil、Ineos、CPChem等 3家公司。相較于其他傳統(tǒng)PAO,茂金屬PAO具有突出的性能優(yōu)勢(shì),在黏度指數(shù)、低溫流動(dòng)性、EHL油膜強(qiáng)度、剪切穩(wěn)定性、抗泡性等多方面具有好的性能表現(xiàn)[3],可協(xié)助配方工程師提升工業(yè)油和車用油的耐久性。國內(nèi)近年來大量開展此方面的研究工作,取得一些突破性的進(jìn)展[4]。上海納克基于自有專利技術(shù),生產(chǎn)出超高黏度茂金屬PAO-NacoFlow V600(以下簡稱NacoFlow V600),于2017年正式推向市場(chǎng)。全球高黏度茂金屬PAO產(chǎn)能分布見表1。

        表1 全球高黏度茂金屬PAO產(chǎn)能分布

        超高黏度茂金屬PAO的性能特點(diǎn)

        相較于其他傳統(tǒng)的高黏度基礎(chǔ)油,NacoFlow V600除了具有普通茂金屬PAO的性能優(yōu)勢(shì)外,還能為配方工程師提供更高的調(diào)合效率和性能。其典型數(shù)據(jù)見表2。

        黏溫性能和低溫性能

        NacoFlow V600與其他高黏度基礎(chǔ)油性能對(duì)比見表3。

        由表3可見,NacoFlow V600與同等黏度的聚異丁烯、Lucant HC600相比,在黏度指數(shù)和低溫性能方面具有更好的優(yōu)勢(shì);與傳統(tǒng)聚α烯烴cPAO200相比,雖然黏度提高很多,但低溫性能相當(dāng)。

        剪切穩(wěn)定性

        測(cè)定剪切安定性的方法很多,有超聲波剪切法、柴油噴嘴剪切法、KRL剪切法、FZG齒輪機(jī)剪切法。這些方法最終都是測(cè)定油品的黏度下降率。

        表2 NacoFlow V600典型數(shù)據(jù)

        圓錐滾子軸承試驗(yàn)(KRL Tapered Roller Bearing Test)是目前全球范圍內(nèi)比較流行的一種檢測(cè)法,普遍認(rèn)為它的要求最為嚴(yán)格,與現(xiàn)實(shí)使用中的潤滑油抗剪切工況聯(lián)系最為緊密。該試驗(yàn)是將油品用于軸承,使軸承在有負(fù)載壓力的條件下連續(xù)運(yùn)行20 h,記錄試驗(yàn)前后的潤滑油黏度,計(jì)算其黏度損失率。

        茂金屬PAO的剪切穩(wěn)定性非常出色,在最為苛刻的KRL剪切穩(wěn)定性測(cè)試中表現(xiàn)出非常小的剪切損失,試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

        為進(jìn)一步驗(yàn)證超高黏度茂金屬PAO NacoFlow V600的剪切穩(wěn)定性,我們選取了2款市售商業(yè)化PAMA型黏度指數(shù)改進(jìn)劑進(jìn)行對(duì)比,將它們以相同比例加入6cSt基礎(chǔ)油(APIⅢ類油)中,測(cè)定KRL剪切穩(wěn)定性,結(jié)果見表4。

        從表4可以看出,NacoFlow V600具有非常好的剪切穩(wěn)定性,遠(yuǎn)優(yōu)于相對(duì)分子質(zhì)量接近的PAMA型黏度指數(shù)改進(jìn)劑,試驗(yàn)前后100℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率不大于4%,永久剪切穩(wěn)定性指數(shù) PSSI不大于7。

        稠化性能

        NacoFlow V600具有高的黏度和黏度指數(shù),具有更高的稠化性能。NacoFlow V600與市售商業(yè)化PAMA型黏度指數(shù)改進(jìn)劑及傳統(tǒng)聚α烯烴cPAO200的稠化性能對(duì)比見圖4。

        表3 超高黏度茂金屬PAO-NacoFlow V600與其他高黏度基礎(chǔ)油性能對(duì)比

        超高黏度茂金屬PAO的應(yīng)用

        傳統(tǒng)的75W-90車輛齒輪油配方中,由于苛刻的低溫布氏黏度要求,使得車輛齒輪油配方需要采用剪切穩(wěn)定性好的黏度指數(shù)改進(jìn)劑或使用全合成基礎(chǔ)油。因成本的關(guān)系,一般采用PAMA型黏度指數(shù)改進(jìn)劑來稠化低黏度基礎(chǔ)油,以滿足油品的高低溫性能。而黏度指數(shù)改進(jìn)劑的剪切穩(wěn)定性與增稠能力是相矛盾的,剪切穩(wěn)定性好,相對(duì)分子質(zhì)量越小,則增稠能力小[5],而相對(duì)分子質(zhì)量越大,增稠能力越強(qiáng),但剪切性能越差。

        為保證車輛齒輪油的抗剪切性能滿足要求,采用PAMA型黏度指數(shù)改進(jìn)劑可將油品初始黏度調(diào)得較高,以確保剪切后的黏度能繼續(xù)保持在黏度要求范圍內(nèi),但這會(huì)使得滿足低溫布氏黏度要求較為困難,并帶來能耗的增加。另一方面,相對(duì)分子質(zhì)量較小的PAMA型黏度指數(shù)改進(jìn)劑的稠化性能較低,需要更高的加劑量才能滿足油品的黏度要求,造成配方的成本壓力。因此,剪切穩(wěn)定性更好、稠化性能更高的NacoFlow V600可以成為改進(jìn)車輛齒輪油剪切穩(wěn)定性的不錯(cuò)選擇。NacoFlow V600與市售商業(yè)化PAMA型黏度指數(shù)改進(jìn)劑在75W-90車輛齒輪油中的剪切穩(wěn)定性對(duì)比見表5。

        表4 NacoFlow V600與PAMA型黏度指數(shù)改進(jìn)劑剪切穩(wěn)定性對(duì)比

        由表5可以看出,在滿足油品低溫性能的前提下,NacoFLow V600的KRL剪切變化率僅為5%,遠(yuǎn)低于PAMA型黏度指數(shù)改進(jìn)劑的KRL剪切變化率,在較小的黏度下也能滿足剪切穩(wěn)定性的要求,符合油品低黏度化帶來燃油經(jīng)濟(jì)性提升的發(fā)展趨勢(shì)。

        表5 不同黏度指數(shù)改進(jìn)劑在75W-90車輛齒輪油中的剪切穩(wěn)定性對(duì)比

        結(jié)束語

        超高黏度茂金屬PAO的相對(duì)分子質(zhì)量分布非常窄,具有優(yōu)異的高低溫性能、高的黏度指數(shù)以及非常好的剪切穩(wěn)定性。其應(yīng)用于75W-90車輛齒輪油中,可完全替代傳統(tǒng)的PAMA型黏度指數(shù)改進(jìn)劑,產(chǎn)品的KRL剪切變化率小,能完全滿足新國標(biāo)對(duì)車輛齒輪油剪切性能的要求。

        茂金屬PAO比傳統(tǒng)PAO具有更多的性能優(yōu)勢(shì),是一類優(yōu)異的潤滑油基礎(chǔ)油,可滿足許多潤滑油的苛刻應(yīng)用,將是未來高級(jí)基礎(chǔ)油的發(fā)展方向。

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