冯 弦，韩 伟，杜宗罡，兰海平，吴 华，赵利华

(西安航天动力试验技术研究所，西安 710100)

近年来，随着我国汽车保有量持续增加以及发动机技术的不断更新升级，车用机油的需求量也保持着稳增趋势。在日益严峻的环保压力下，车用润滑油行业也开始向质量等级更高，节能型更好的全合成类润滑油方向发展[1-2]。目前，合成类润滑油作为高端润滑油产品仅占据国内润滑油市场的15%，其中PAO油约占其中一半以上的市场份额，另外还包括有机酯、多元醇等类型的合成润滑油。国际润滑剂标准与审查委员会推出的GF-5汽油机油规格对基础油和添加剂提出了更高的要求，对于基础油来说，传统的Ⅰ类、Ⅱ类基础油将很难满足高等级润滑油的调合需求，因此具有更高黏度指数的Ⅲ类基础油以及Ⅲ+基础油逐渐成为高等级润滑油主要的基础油来源[3-4]。

随着煤制油逐渐进入快速发展期，不仅在车用汽油、柴油等常规油品领域内表现出显著优势，同样在润滑油基础油等特种油品中也开始崭露头角。煤基基础油主要有以下优势：①基础油组成较为单一，主要为异构烷烃类混合物；②高的黏度指数，费-托合成基础油黏度指数在130以上，高于传统的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ类矿物油，很接近PAO类合成油，且具有较好的低温性能；③更高的清洁环保性，煤基基础油不含芳烃、几乎不含硫，饱和烃质量分数超过99%。因此，煤基基础油完全可以作为优质的润滑油基础油组分[5]。基于此，本课题对煤基基础油制备SN级汽油机油的可行性进行研究，在确定两种煤基基础油复合比例的前提下，考察添加剂的添加量对润滑油产品主要性能的影响，以期为煤基润滑油配方研制提供部分理论参考。

1 实 验

1.1 原料及试剂

煤基基础油A和B，购于国内某企业；聚α-烯烃、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、3种SN级汽油机油复合剂(简称复合剂1、复合剂2、复合剂3)、乙丙共聚物(OCP)、氢化苯乙烯类双烯共聚物(HSD)，均由国内某公司提供；矿物油基础油、PAO6(聚α-烯烃类合成油)、两种品牌汽油机油(简称品牌1、品牌2)，均由国内某润滑油生产厂商提供。

1.2 分析测试方法

采用大连智能仪器仪表有限公司生产的型号为DZY-005F低温运动黏度测定器对润滑油进行黏度测定，控温范围为-70～100 ℃。采用上海新诺仪器设备有限公司生产的BSY-175型石油倾点测定仪对润滑油进行倾点测定，倾点来表征润滑油的低温性能。采用大连智能仪器仪表有限公司生产的全自动表观黏度测定仪(CCS)对润滑油进行表观黏度测定，测定范围为1 500～27 000 mPa·s，测定温度为-30 ℃。采用辽宁赛亚斯科技有限公司生产的高温高剪切动力黏度测定仪SYS-0703对润滑油进行高温高剪切动力黏度测定，温度为150 ℃，剪切速率为1×106s-1。

1.3 煤基SN级5W-30汽油机油的制备

将煤基基础油A和B按照一定质量比调合后作为复合基础油，然后依次加入一定量的降凝剂、增黏剂、复合剂、抗泡剂，混合均匀后将样品置于50 ℃水浴锅中，搅拌30～60 min，经过滤得到润滑油成品，即煤基SN级5W-30汽油机油。

2 结果与讨论

2.1 不同类型基础油对比

将两种煤基基础油与传统矿物油和PAO6的主要性质进行对比，结果如表1所示。

表1 煤基基础油、传统矿物油和PAO类油的主要性质

由表1可知：与传统加氢方式所得矿物基础油相比，煤基基础油A和B的密度、运动黏度、倾点和低温动力黏度更低，从而保证了调配所得润滑油产品具有优良的低温性能；此外，传统矿物基础油由于生产工艺的限制而含有少量的硫和芳烃，而煤基基础油均不含硫和芳烃，且具有较低的蒸发损失；PAO6具有最优的黏度特性，在保证高黏度的同时兼具优良的低温性能。综合对比3类基础油可以看出，煤基基础油在API分类中介于Ⅲ类和Ⅳ类基础油之间，与PAO6相差不大，但得益于其生产工艺和原料的优越性，煤基基础油具有明显的价格优势，因此可以作为调配高黏度等级润滑油的理想原料。两种煤基基础油的主要性质对比可以看出，煤基基础油A倾点为-42 ℃，优于煤基基础油B，并且具有较低的黏度。在后续基础油复合过程中，为了保证润滑油产品具有良好的低温性和黏度性能，应充分协调好两者之间的质量配比，二者混合复配作为复合基础油，通过理论计算初步确定煤基基础油A和B的质量比为65∶35，其他添加剂添加量以与复合基础油的质量比计。

2.2 添加剂的影响

在润滑油生产过程中，为了弥补基础油性能不足，一般需要添加不同种类的添加剂来满足润滑油对多种性能的需求，目前该方法已成为提高润滑油质量、增加润滑油品种的主要途径之一[6]。结合煤基基础油性质特点，选用市售的降凝剂、复合剂、增黏剂等添加剂进行研究。

2.2.1 降凝剂的影响一般来说，对于同碳数的烃类物质来说，正构烷烃的凝点要大于异构烷烃和环烷烃。对于煤基基础油来说，其化学组成主要为烃类物质，且不含硫氮等杂原子以及芳烃类物质，正构烷烃占比将成为影响基础油低温性能的主要因素。为选择与煤基基础油适配性更好的降凝剂种类以及合适的添加量范围，考察聚α-烯烃和PMA作为降凝剂对复合基础油倾点的影响，结果见图1。

图1 降凝剂添加量对复合基础油倾点的影响■—PMA； ●—聚α-烯烃

由图1可以看出：两种降凝剂对煤基基础油均具有一定的降凝效果，且聚α-烯烃效果更为显著，随着聚α-烯烃添加量的增加，复合基础油的倾点持续下降，在添加量为0.4%时，倾点为-50 ℃，表明聚α-烯烃对煤基基础油具有良好的适配性；PMA在添加量为0.4%时达到最优降凝效果，使复合基础油倾点由-41 ℃降至-47 ℃。煤基基础油本身具有较低的倾点，主要是由于异构化程度高，且异构烷烃碳数分布范围广，仅含有少量的正构烷烃。此外，由于降凝剂的加入，降凝剂中的长链烷基与基础油中少量直链烷烃形成共晶作用，改变了原有的针状或片状晶型结构，进而避免了在现有晶核的基础上吸附堆积而进一步生长成为较为稳定的网状结构，保证了基础油具有较好的低温流动性[7-8]。

降凝剂都是高分子聚合物，其本身具有较高的黏度，添加到基础油中必将会对其存在一定的增黏作用。因此，在润滑油的调合过程中，有必要对降凝剂的增黏效应进行测定，以控制合适的添加量。以运动黏度(100 ℃)作为降凝剂增黏效应的评价指标，两种降凝剂添加量对复合基础油运动黏度的影响见图2。从图2可以看出，随着降凝剂添加量的增加，复合基础油的运动黏度逐渐升高，但PMA增黏效果优于聚α-烯烃。结合图1和图2可以看出：当降凝剂添加量小于0.3%时，降凝效应高于增黏效应；当降凝剂添加量大于0.3%时，降凝剂对基础油的增黏效果大幅增加，表现出增黏效应大于降凝效应；聚α-烯烃添加量高于0.4%时，复合基础油黏度变化幅度有所减小，但倾点仍具有明显下降趋势。因此，为了获得更优良的低温性能，选取聚α-烯烃作为主要降凝剂，添加量为0.5%。

图2 降凝剂添加量对复合基础油运动黏度的影响■—PMA； ●—聚α-烯烃

2.2.2 复合剂的影响复合剂作为多种功能添加剂的组合，其配方研究较为复杂。因此，采用市售的3种SN级汽油机油复合剂，在降凝剂添加量不变的前提下，考察复合剂添加量对复合基础油倾点和运动黏度的影响，结果见图3。由图3(a)可以看出，3种复合剂对复合基础油倾点的影响较小，均在2 ℃以内，但复合剂3具有较优的低温性能。复合剂对倾点的影响主要通过改变分子间的流动性来实现，作为大分子类聚合物，与煤基基础油混合后导致油中分子间距离减小，分子间摩擦力增加，进而导致油品的低温流动性降低。由图3(b)可以看出：随着复合剂添加量的增加，复合基础油的运动黏度不断提高；复合剂3在保证复合基础油具有良好低温性能的同时高温黏度也大幅提高，性能优于复合剂1和复合剂2。因此，在后续润滑油产品调配过程中选择复合剂3，添加量为9%。

图3 复合剂添加量对复合基础油倾点及运动黏度的影响■—复合剂1； ●—复合剂2； ▲—复合剂3

2.2.3 增黏剂的影响黏度作为润滑油性能的关键指标之一，用来评价润滑油等级以及作为更换润滑油的基础信号，对于SN级5W-30类汽油机油来说，其运动黏度(100 ℃)应保持在9.3～12.5 mm2s范围内，仅通过采用添加复合剂的方法并不能使其达到合格的黏度指标，因此需要添加增黏剂来提高复合基础油的运动黏度。选取OCP和HSD作为增黏剂，其添加量对复合基础油倾点和运动黏度的影响见图4。

图4 增黏剂添加量对复合基础油倾点及运动黏度的影响■—HSD； ●—OCP

由图4可以看出：随着增黏剂添加量的增加，复合基础油的运动黏度不断升高；OCP和HSD均满足倾点不大于-35 ℃的要求，但HSD具有相对较优的低温性能，能够在提高油品黏度的同时不会较大幅度地提高油品倾点。从增黏机理来说，HSD类增黏剂属于油溶性链状高分子化合物，这类大分子化合物之间通过相互聚集形成大小不一的胶束，随着温度的增加，这些胶束在复合基础油中相互缠绕从而提高了油品黏度；OCP类增黏剂的增黏能力与HSD类似，但增黏效果略低于HSD，原因可能为两种增黏剂虽然均为高分子类聚合物，但两者聚合度不同，平均相对分子质量存在一定的差距[9-10]。综合考虑增黏能力和低温性能，选取HSD作为增黏剂，添加量为9%。

2.3 煤基SN级5W-30汽油机油理化性能

采用优化的添加剂配方制备了煤基SN级5W-30汽油机油，与两种常用的同级别汽油机油品牌1和品牌2进行主要理化性能的对比，结果见表2。由表2可以看出：所制备的煤基SN级5W-30汽油机油在各项关键理化性能指标上均满足标准要求，且表现出优异的低温性能；与品牌1和品牌2相比，煤基SN级5W-30汽油机油具有更低的低温动力黏度，表明该类润滑油具有更好的低温启动性能；其高温高剪切黏度与品牌2接近，略高于品牌1。作为衡量润滑油黏度保持能力和燃油经济性的关键参数，相对较高的高温高剪切黏度能够在保证一定燃油经济性的前提下增强润滑油的抗机械磨损能力，进而能够有效延长发动机使用寿命[11-12]。因此，煤基SN级5W-30汽油机油在各项关键理化性能指标上与市售同级别润滑油相当或部分性能更优，为后续进行润滑油的台架试验，进一步探究其摩擦学性能提供了数据支持。

表2 煤基SN级5W-30汽油机油与两种品牌油的主要理化性质对比

3 结 论

与传统矿物基础油和PAO6相比，煤基基础油具有较高的黏度指数，且其组成以异构烷烃为主，不含芳烃，分子大小均一，低温性能优良，是调配高等级润滑油的理想原料。通过考察不同添加剂的添加量对复合基础油倾点和运动黏度的影响，得到降凝剂、复合剂、增黏剂的最佳添加量分别为0.5%，9%，9%。将在此条件下制备的煤基SN级5W-30汽油机油与市售两品牌SN级润滑油主要理化性能进行对比，结果表明煤基SN级汽油机油的各项指标均满足标准要求，同时具有优异的低温启动性和抗机械磨损能力等特点，成为新一代煤基润滑油产品。在当今能源结构背景下，煤基润滑油产品的出现将直接降低润滑油行业对石油资源的依赖，并间接地解决石油基润滑油基础油的生产瓶颈，同时也为润滑油的发展提供新的研究方向，为市场提供新的选择。