杜 洋，陳云龍，馬 瑞，李維民，王 靜，王曉波

(1.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2.青島理工大學(xué)；3.東華大學(xué))

21世紀(jì)以來(lái)，石油資源的持續(xù)減少和汽車尾氣造成的環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重制約著人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。鑒于此，各國(guó)紛紛出臺(tái)政策法規(guī)推進(jìn)新能源汽車的發(fā)展[1]。最具代表性的新能源汽車是電動(dòng)汽車，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)+單級(jí)/兩級(jí)減速器的方式[2-4]，沒(méi)有離合器和同步器，減速器直接與電機(jī)連接，傳動(dòng)比較簡(jiǎn)單，傳統(tǒng)的傳動(dòng)液即可滿足其傳動(dòng)系統(tǒng)用油需求。隨著電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不斷向高轉(zhuǎn)速、高功率密度、高電壓、集成冷卻的方向發(fā)展[5]，新一代高性能電動(dòng)汽車多采用“三合一”的集成式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即將電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器耦合的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[6-8]。在這種集成式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，油品需要長(zhǎng)期與含銅的電氣元件和橡膠絕緣材料接觸，因而對(duì)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(shù)要求，傳統(tǒng)的變速箱油已不能滿足需求[9-11]。其中，對(duì)油品電氣性能的特殊要求成為新型電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用油的顯著特征之一。

油品的電氣性能參數(shù)主要包括擊穿電壓、電導(dǎo)率、介質(zhì)損耗等，其中電導(dǎo)率是評(píng)價(jià)油品電氣性能的關(guān)鍵指標(biāo)。一般認(rèn)為，油品電導(dǎo)率過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致漏電等安全問(wèn)題；油品電導(dǎo)率過(guò)低，靜電荷會(huì)快速聚集產(chǎn)生靜電效應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)損壞；因此，油品電導(dǎo)率需要保持在一定的范圍[12]。Lubrizol公司研究人員發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)傳動(dòng)液(ATF)的電導(dǎo)率與電荷載荷的數(shù)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(shù)量、溫度和流體黏度，因此傳動(dòng)液的極性添加劑、氧化程度和黏度變化是影響其電導(dǎo)率的主要因素[13]。Afton Chemical公司研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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(dǎo)率(22 ℃)低于1 700 pS/m的潤(rùn)滑油[14]。張繼平等[11，15]調(diào)制了電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油并考察其氧化前后的絕緣性能，發(fā)現(xiàn)該傳動(dòng)油氧化前后均具有較高的擊穿電壓。

為了系統(tǒng)研究潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油(簡(jiǎn)稱基礎(chǔ)油)與添加劑對(duì)油品電導(dǎo)率的影響，本課題結(jié)合電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)液電氣性能的需求，測(cè)定不同類型基礎(chǔ)油和添加劑調(diào)制油品的電導(dǎo)率，并分析其影響因素，希望對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用油的研發(fā)提供指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

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

潤(rùn)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(chǎn)品編號(hào)、結(jié)構(gòu)、總堿值(TBN)和來(lái)源如表2所示。

表1 基礎(chǔ)油的基本理化性能

表2 添加劑的分類、產(chǎn)品編號(hào)、結(jié)構(gòu)、TBN和來(lái)源

1.2 油品制備

將不同結(jié)構(gòu)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(dòng)傳動(dòng)液的典型組合配比[14]，以清凈劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%、分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%、抗磨劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%、抗氧劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%、金屬減活劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%分別添加到PAO4基礎(chǔ)油中，配制得到基礎(chǔ)油和單一添加劑組成的測(cè)試油品各100 g。油品分別命名為：x添加劑編號(hào)，其中x分別為上述各種添加劑的典型添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)，添加劑編號(hào)參見(jiàn)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(cè)試方法

Afton Chemical公司的研究人員在研究潤(rùn)滑油品介電性能時(shí)，采用了ASTM D4308液態(tài)烴類電導(dǎo)率測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法，取得了較好的研究效果[14]。因此，本課題同樣采用該測(cè)試方法，使用美國(guó)Emcee Electronics公司生產(chǎn)的Emcee Model 1154精密電導(dǎo)率儀測(cè)定待測(cè)樣品的電導(dǎo)率。測(cè)量量程為0.01～200 000.00 pS/m，測(cè)定溫度范圍在25～150 ℃。測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，先將調(diào)制的油品放入測(cè)量槽的外腔中，升溫至150 ℃，測(cè)量樣品的電導(dǎo)率；然后，在自然冷卻狀態(tài)下，溫度每降低(5±0.2) ℃測(cè)量一個(gè)溫度點(diǎn)下的電導(dǎo)率值，并繪制電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)油的電導(dǎo)率

對(duì)于電動(dòng)汽車傳動(dòng)液，黏度對(duì)流體電荷載荷的遷移速率影響較大，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般選擇低黏度基礎(chǔ)油以提高散熱效率[16]。因此，試驗(yàn)測(cè)定了不同結(jié)構(gòu)低黏度基礎(chǔ)油的電導(dǎo)率，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出：在整個(gè)測(cè)試溫度范圍內(nèi)，烴類基礎(chǔ)油(礦物油、GTL)的電導(dǎo)率均低于100 pS/m；PAO4基礎(chǔ)油的電導(dǎo)率低于電導(dǎo)率儀的最低檢測(cè)限，而GTL8基礎(chǔ)油的電導(dǎo)率也非常低，僅在高溫時(shí)測(cè)得電導(dǎo)率約為2 pS/m。隨著溫度升高，酯類基礎(chǔ)油的電導(dǎo)率不斷增大，150 ℃時(shí)測(cè)得其電導(dǎo)率約為1 000 pS/m。這主要是因?yàn)轷ヮ惢A(chǔ)油分子中的酯基官能團(tuán)極性較強(qiáng)，且酯類基礎(chǔ)油含水量較烴類基礎(chǔ)油多，分子極性比烴類基礎(chǔ)油更強(qiáng)，因而電導(dǎo)率最高?；A(chǔ)油由于精制工藝和精制程度不同，導(dǎo)致極性有所差異，基礎(chǔ)油的精煉程度越低，極性越強(qiáng)，電導(dǎo)率相對(duì)更高[17]。試驗(yàn)測(cè)定的基礎(chǔ)油均是API Ⅲ類以上的基礎(chǔ)油，因此純度更高，幾乎沒(méi)有極性或呈弱極性，電導(dǎo)率極低，電導(dǎo)率值在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)變化較小?？傮w而言，基礎(chǔ)油的電導(dǎo)率較低，強(qiáng)極性基礎(chǔ)油的電導(dǎo)率大于無(wú)極性或弱極性基礎(chǔ)油。

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

2.2 添加劑對(duì)油品電導(dǎo)率的影響

潤(rùn)滑油添加劑主要以極性化合物為主，其導(dǎo)電性能較基礎(chǔ)油更強(qiáng)。由于不同種類添加的結(jié)構(gòu)差異很大，因而添加劑的類型與加量是影響傳動(dòng)液電導(dǎo)率的關(guān)鍵因素[14]。為考察不同類型添加劑對(duì)油品電導(dǎo)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(duì)象，考察其結(jié)構(gòu)類型及加量對(duì)基礎(chǔ)油電導(dǎo)率的影響。

2.2.1清凈劑對(duì)油品電導(dǎo)率的影響

測(cè)定6種清凈劑與基礎(chǔ)油配制油品的電導(dǎo)率隨溫度變化的曲線，結(jié)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(dǎo)率不斷增大；與基礎(chǔ)油相比，添加清凈劑油品的電導(dǎo)率顯著增大，特別是添加T115B或T115C后，其電導(dǎo)率在較高溫度下超出了儀器測(cè)量上限，其超出部分的電導(dǎo)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(duì)油品電導(dǎo)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(dǎo)率隨溫度變化的曲線■—1.0%T115A； ●—1.0%T115B； ▲—1.0%T115C； ◆—1.0%BDC020；

產(chǎn)生以上測(cè)量結(jié)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(qiáng)極性離子型表面活性劑，組分中的有機(jī)酸官能團(tuán)、堿性組分(堿性金屬鹽或有機(jī)堿+過(guò)堿度組分)等極性基團(tuán)對(duì)油品的介電性能影響很大。清凈劑在基礎(chǔ)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(tuán)形式存在，如圖3所示。在電場(chǎng)的作用下，這些游離清凈劑單分子、膠束、膠團(tuán)吸附電荷形成帶電的載荷膠束和膠團(tuán)，并定向運(yùn)動(dòng)，形成電泳導(dǎo)電，大幅增加了油品的電導(dǎo)率[18]。

圖3 清凈劑在油中的溶解存在狀態(tài)[18]

隨著溫度升高，添加高堿值清凈劑的油品電導(dǎo)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(tuán)數(shù)量顯著多于添加中、低堿值清凈劑的油品，而且載荷膠團(tuán)的形成和分解存在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡；在電場(chǎng)作用下，隨著溫度不斷升高體系中膠體粒子運(yùn)動(dòng)加快，載荷膠團(tuán)形成與分解的速率也明顯增大，原有的動(dòng)態(tài)平衡被打破[19]，大的載荷膠團(tuán)分解加劇，膠團(tuán)中堿性碳酸鹽膠核被釋放出來(lái)，形成小的載荷膠束及碳酸鹽極性中心，且數(shù)量不斷增多，導(dǎo)致油品的電導(dǎo)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(gè)分子和正鹽膠團(tuán)為主，沒(méi)有大量的載荷膠團(tuán)存在，因此其電導(dǎo)率較低，且隨溫度的升高增長(zhǎng)較緩。

為考察兩種高堿值硫化烷基酚鈣清凈劑對(duì)油品電導(dǎo)率的影響，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(cè)試其電導(dǎo)率，結(jié)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(dǎo)率均增大；相同添加量下，添加T115C油品的電導(dǎo)率高于添加T115的樣品，說(shuō)明清凈劑堿值越高對(duì)油品電導(dǎo)率的影響越大，油品的電導(dǎo)率與堿性碳酸鹽膠核的數(shù)量成正相關(guān)。

圖4 不同T115B添加比例下油品電導(dǎo)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(dǎo)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(duì)油品電導(dǎo)率的影響

測(cè)定7種添加分散劑油品的電導(dǎo)率隨溫度的變化，結(jié)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(dǎo)率不斷增大，且含不同分散劑油品的電導(dǎo)率呈現(xiàn)出3個(gè)不同的區(qū)間；其中，添加常規(guī)分散劑T151，T152，T154，T161的油品電導(dǎo)率較低，添加磷硼化分散劑T1356PB的油品電導(dǎo)率最高，添加硼化分散劑T154B、T161B的油品電導(dǎo)率介于中間，這主要與分散劑的分子極性和結(jié)構(gòu)有關(guān)。添加分散劑T151，T152，T154，T161的油品電導(dǎo)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(qiáng)極性和較小空間位阻，因此添加T151的油品表現(xiàn)出最高的電導(dǎo)率；T161為高分子分散劑，因烷基取代基鏈較長(zhǎng)而空間位阻較大且堿值較低，因而添加T161油品的電導(dǎo)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(dǎo)率也介于兩者之間。

圖6 添加不同類型分散劑油品的電導(dǎo)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(dǎo)率高于添加常規(guī)分散劑的油品，為了探究其原因，對(duì)部分分散劑的酸值進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)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(dá)到了43.95 mgKOH/g。這主要是由于分散劑經(jīng)硼化或磷硼化處理后，改變了分散劑原有的化學(xué)結(jié)構(gòu)，分子內(nèi)存在未完全反應(yīng)的酸中心，使得分散劑呈現(xiàn)出一定的離子化趨勢(shì)，屬于部分離子化的分散劑[20]，從而使體系更容易產(chǎn)生載電荷膠束，增強(qiáng)油品的導(dǎo)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(dǎo)率也更高。

表3 分散劑測(cè)定酸值

此外，分散劑與清凈劑分子化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，均由極性基團(tuán)與非極性基團(tuán)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(duì)油品電導(dǎo)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(duì)油品電導(dǎo)率的影響

測(cè)定3種添加抗磨劑油品的電導(dǎo)率隨溫度的變化，結(jié)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(dǎo)率不斷增大，150 ℃時(shí)添加T203油品的電導(dǎo)率最大，約為850 pS/m；3種抗磨劑對(duì)油品電導(dǎo)率的影響從大到小的順序?yàn)門203>AW316>T306，這與3種添加劑分子的極性有很強(qiáng)的相關(guān)性。T203含有金屬元素，分子呈強(qiáng)極性，直接影響油中載荷極性基團(tuán)的數(shù)量，添加T203油品的電導(dǎo)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(dǎo)電率最低。與清凈劑及分散劑相比，3種抗磨劑對(duì)油品電導(dǎo)率的影響明顯小得多，因此在全配方傳動(dòng)液中，因清凈劑與分散劑的存在，抗磨劑對(duì)油品電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)有限。

圖7 添加不同類型抗磨劑油品的電導(dǎo)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(duì)油品電導(dǎo)率的影響

測(cè)定2種添加抗氧劑油品的電導(dǎo)率隨溫度的變化，結(jié)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(dǎo)率不斷增大；低溫下，兩種抗氧劑對(duì)油品電導(dǎo)率的影響相近；當(dāng)溫度高于90 ℃后，胺型抗氧劑L57對(duì)油品電導(dǎo)率的影響明顯高于酚型抗氧劑L135，且油品電導(dǎo)率的增長(zhǎng)非?？臁？傮w而言，由于抗氧劑分子極性低，對(duì)油品電導(dǎo)率的影響很小。

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

2.2.5金屬減活劑對(duì)油品電導(dǎo)率的影響

測(cè)定2種金屬減活劑與基礎(chǔ)油配制油品的電導(dǎo)率隨溫度的變化，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：隨著溫度升高，各油品的電導(dǎo)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(duì)油品電導(dǎo)率的影響更大；與抗氧劑相似，金屬減活劑對(duì)油品電導(dǎo)率的影響非常小，且隨溫度的升高無(wú)顯著增大。

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

3 結(jié) 論

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)液基礎(chǔ)油的電導(dǎo)率普遍較??；與烴類基礎(chǔ)油相比，酯類基礎(chǔ)油因存在其酯基極性官能團(tuán)而分子極性較大，電導(dǎo)率較大。

潤(rùn)滑油清凈劑和分散劑分子化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，均由極性基團(tuán)與非極性基團(tuán)組成，分子極性較強(qiáng)，因此對(duì)油品電導(dǎo)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(duì)油品電導(dǎo)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(tuán)的形式存在，會(huì)大幅提高油品的電導(dǎo)率，是影響油品電導(dǎo)率的關(guān)鍵因素之一。另外，硼化或磷硼化的分散劑對(duì)油品電導(dǎo)率的影響顯著高于常規(guī)分散劑；而高分子分散劑因其烴基鏈較長(zhǎng)、分子極性較弱，對(duì)油品電導(dǎo)率的影響較小?？鼓⒖寡鮿┖徒饘贉p活劑對(duì)油品電導(dǎo)率的影響顯著低于清凈劑與分散劑，不是影響油品電導(dǎo)率的主要因素。

此外，隨著溫度升高，各油品的電導(dǎo)率不斷增大，說(shuō)明溫度也是油品電導(dǎo)率的主要影響因素之一。這主要是因?yàn)?，隨著溫度升高，油品中大的載荷膠團(tuán)的分子運(yùn)動(dòng)加劇，膠團(tuán)平衡被破壞，形成更多小載荷膠束，使載荷基團(tuán)的數(shù)量不斷增多，導(dǎo)致油品電導(dǎo)率增大。