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    潤滑油粘度調節劑作用機理及應用

    2022年03月18日粘度調節劑(VM,Viscosity Modifier)作為聚合物添加劑的多級液體,用以解決潤滑油在使用中的粘度問題。

    在潤滑油使用過程中,隨著工作溫度升高,其粘度會出現衰變、變稀的情況。這是由于潤滑油在實際工況中通常會經歷一系列的溫度變化,特別是溫度的升高導致的。如果潤滑油的粘度在高溫下過低,則流體可能無法提供足夠的載荷支持,進而發生表面接觸和摩擦磨損;相反,若為了保證潤滑油膜在高溫下具有足夠的厚度,而使用高粘度的潤滑油,那么由于粘性摩擦,其低溫下的潤滑效率會很低,不易達到機械的潤滑要求。

    粘度調節劑(VM,Viscosity Modifier),作為聚合物添加劑的多級液體,用以解決潤滑油在使用中的粘度問題。添加 VM 的目的是使得低粘度的潤滑油在高溫下增稠到較好的使用粘度,而在低溫下不會發生明顯的變化。明確和研究粘度調節劑的作用機理及其多功能添加性,對改善潤滑油的使用性能具有一定的指導意義。

    1 粘度調節劑的概念及作用

    1.1 粘度調節劑的概念

    一般來說,粘度調節劑(VM)包括兩類:增稠劑和粘度指數改進劑。粘度指數(VI,Viscosity Index)是評價潤滑油粘溫性能的重要指標,粘度指數越高,則油品粘度受溫度影響變化越小。粘度指數改進劑是基于不同溫度下呈現不同的形態(高溫溶脹,低溫蜷曲)來影響油液粘度,以達到改善油品粘溫性的目的。而增稠劑會增加潤滑油的粘度,但不一定增加粘度指數。評價 VM 對潤滑油粘度的影響通常是在標準參考溫度下,即 40℃和 100℃。雖然所有的 VM 都用于改善潤滑油的粘溫關系,但是不同類型的 VM 應用于不同的使用環境,并通過各自的機理實現其相應的功能。常見的 VM 聚合物類型主要包括:聚烷基甲基丙烯酸酯(PAMA)、烯烴共聚物(OCP)、聚異丁烯(PIB)和氫化苯乙烯 - 二烯(HSD)等等,其分子量通常大于10 4 g/mol。這些聚合物相對于基礎油都會增加粘度,但是根據其不同的組成,在相同骨架長度下,會對粘度隨溫度的變化速率產生不同的影響。

    1.2 粘度調節劑的作用

    VM 的關鍵特征主要為:增稠效率、粘溫關系和抗剪切安定性。目前的 VM 聚合物很難在滿足所有條件的同時提供最佳性能,因此在給定的使用環境中,VM 的選用取決于該條件下起最關鍵作用的特征屬性。

    增稠效率描述了在給定的潤滑油配方中必須使用的聚合物量,并將其量化為達到理想粘度所需的聚合物處理速率。聚合物較基礎油來說相對昂貴,所以應當在盡可能少地使用聚合物的前提下,最大限度地提高增稠效率。VM 的第二個重要作用是改變潤滑油的粘溫關系。該類研究較多,已有多種方法可以量化其變化關系,以及與 VM 聚合物屬性相關聯的理論。

    最后,需要考慮 VM 的剪切安定性。剪切安定性是衡量潤滑油在高剪切速率下對暫時性或永久性粘度損失的抵抗程度。研究表明,VM 具有一定的減少摩擦或磨損的作用,即具有一定的抗剪切安定性。

    2 粘度調節劑的作用機理

    在目前該領域的研究中,多種研究理論闡述了VM 聚合物在高溫下提高潤滑油粘度的原理。其中,最常被引用的機理是鏈團膨脹理論。它描述了由于聚合物鏈團的膨脹,而引起粘度隨溫度的升高而增加。這種機理是酯類的特征,如 PAMA。而其他聚合物,如 HSB,則通過聚合物聚集導致膠束的形成來增加粘度。此外,聚合物可以通過二次機理影響潤滑油的粘度,包括結的形成和它們對相鄰溶劑分子的影響。因此,明確這些機理對研究性能更佳的新型VM 具有一定的價值。

    3 粘度調節劑的多功能添加性

    雖然 VM 主要用于提高潤滑油的高溫粘度,但研究也證明了其作為摩擦改性劑,傾點抑制劑和分散劑所展現出的有效性。能夠實現其中一個或多個附加功能的 VM 聚合物稱為多功能粘度調節劑。

    3.1 摩擦改進劑

    VM 最經常被研究的次要作用是其減少摩擦或磨損的能力。早期研究發現,作為摩擦改進劑時,邊界潤滑中 VM 的有效作用比預期的更大。在摩擦和磨損的情況下,VM 溶液與粘度的增加無關。這證明了該行為是由于在極性表面聚合物的物理吸附形成了邊界膜,該薄膜由密度大、黏性強的聚合物層組成(其厚度與聚合物的特性鏈團尺寸相關),而接觸入口處的粘性聚合物層能夠使邊界潤滑膜變厚,從而減少摩擦。

    對包括 OCP、PIB 和 PAMA 在內的多種 VM 化學反應的研究中,已經觀察到了邊界潤滑中對摩擦行為的改進。這些研究表明,分子結構、功能特性和分子量是決定 VM 邊界層有效性的關鍵因素。塊體結構和功能化對摩擦的影響如圖1所示。官能團必須存在,使聚合物在極地金屬表面吸附,塊結構優于官能團統計分布在聚合物,和中等到高分子量聚合物將形成最厚的邊界膜。然而,低分子量聚合物也被證明有利于邊界潤滑。也有研究表明 VM 可以影響傳統添加劑如二烷基二硫磷鋅(ZDDP)所形成的邊界膜的厚度。然而,雖然 VM 具有其他添加劑的一定功能,但也可能對某些分散劑或緩蝕劑的性能產生不利影響,這可能是這些添加劑爭奪表面吸附位的結果。目前正在進行的研究主要集中在新型 VM 的研究上,這些 VM 可以補充或潛在地替代潤滑油配方中的傳統摩擦改進劑。

    3.2 傾點抑制劑

    VM 的另一個次要功能是用作傾點抑制劑。傾點是油液在規定條件下冷卻時的最低溫度,傾點抑制劑(PPD)通過干擾蠟晶體的生長來降低溫度。聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯是一些常用的 PPD 化學物質。PAMA 類 VM 通過合并特定的單體,也可以起到降傾點的作用,因此它們既增加了 VI,又降低了降傾點。這是通過合成含有長烷基群單體(≥C 14 ) 的PAMA 類 VM 來實現的。長烷基鏈將與蠟共結晶,避免石蠟晶粒的結合,從而保持油液的流動性。多功能PAMA 類 VM 與傳統的聚甲基丙烯酸酯 PPD 不同,因為 PPD 通常包含長側鏈的短脊骨,而 VM 則包括長側鏈的長脊骨(相對于 PPD)。需要注意的是,盡管這些 PAMA 類 VM 具有 PPD 活性,但通常會在潤滑油配方中添加二次 PPD,以期更有效地達到使用要求。

    3.3 分散劑

    VM 也可以充當分散劑。分散劑用于分散或懸會引起粘度增加、磨料磨損和過濾器堵塞等問題。傳統分散劑具有兩性基團(極性基團和基團),頭部的極性基團與極性污染物結合在一起,使它們懸浮在油中;而尾部的非極性基團則形成屏障,將小群污染物從大團聚體中分離出來。VM 分散劑是通過合并極性官能團,如胺,醇和酰胺等,并使其聚集在 VM 聚合物的主干上。這使得聚合物可以同時作為粘度調節劑和分散劑。最后,研究表明分散劑 VM 可進一步功能化,提供抗氧化和抗磨損性能,從而使其成為真正的多功能添加劑。

    4 展望

    VM 的功能與其聚合物本身的性質直接相關,特別是其分子量大小、化學組分和結構等,這些特性也決定了 VM 聚合物改善潤滑油粘度的作用機理。VM 的作用還包括增稠效率、剪切安定性以及其他潛在優勢。因此,了解聚合物特性對多個 VM 功能的相關性影響是非常重要的。只有在更加深入地理解和進一步研究其基本機理的基礎上,才能夠指導新型 VM 的研究發展方向,以滿足未來復雜苛刻的實際工況要求。

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