利用温度扫描技术研究润滑油基础油的低温性能

张大华，李丽霞，刘翠香，周亚斌

（中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃兰州 730060）

利用温度扫描技术研究润滑油基础油的低温性能

张大华，李丽霞，刘翠香，周亚斌

（中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃兰州 730060）

以不同生产工艺的润滑油基础油作为研究对象，通过对比不同润滑油基础油的动力黏度－温度变化曲线，比较了不同类型润滑油基础油的低温性能，并对其低温性能与组成之间关系及不同类型基础油对降凝剂的感受性差异进行了研究，结果表明，对于同一粘度级别的润滑油基础油，加氢异构基础油低温性能相对较好，而溶剂精制类基础油则对降凝剂表现出更好的感受性。

温度扫描;低温性能;动力黏度;凝胶指数

0 引言

汽车发动机在低温启动时会产生大量的磨损，低温性能良好的内燃机油可以将这种磨损降低到最小，为此，国内外行业协会和研究机构制定了包括倾点（PP）、低温启动性能（CCS）、低温泵送性能（MRV）、扫描布氏黏度（SBV）在内的多种试验方法来对内燃机油的低温性能进行测试。

从测试条件来看，倾点采用的是一种快速降温的方式［1］，这与油品在实际使用过程中随着温度的逐步降低形成大量蜡结晶相反，同时较低的剪切速率也反映不出油品的实际应用工况。在CCS的检测过程中，由于采用快速降温以及高剪切速率（104～105s－1）［2］，因此该指标主要反映了低温下油品在发动机活塞环和气缸套部位的流变行为，但是其不足之处是排除了蜡结晶的影响。MRV和SBV与润滑油中的蜡结晶及凝胶密切相关，两种试验方法的降温速率都很慢［3－4］，可以形成充分的蜡结晶。从两种测试方法对应的具体工况来看，MRV测定的是发动机在启动瞬间，油品从油泵入口处进入油泵时的情形［5］，而SBV测定的是发动机在冷启动过程中，油底壳中润滑油流动进入筛网的情形［5］，另外，在降温速率上，MRV仅仅是在－20℃之前采用较慢的降温速率（0.33℃/h），此后的降温速率为2.5℃/h，因此，使用MRV来检测油品低温性能时，只有在－20℃之前才有可能观察到油品出现凝胶现象。而SBV一直采用1℃/h的降温速率，因此其测试条件非常接近于油品的使用工况，这种测试方式不但可以得到样品在特定温度时的动力黏度以及达到特定动力黏度时的温度，并且通过计算得到油品的凝胶指数［4，6－7］，同时由于采用在线连续监测方式，还可以得到油品在一定温度范围内动力黏度随温度的变化曲线，通过比较不同类型、不同处理方式以及添加不同添加剂油品的动力黏度随温度变化曲线的改变趋势，可以对不同油品的低温流动性能、对添加剂的感受性等性能进行直观的对比，对充分认识油品的低温性能，合理调配油品的使用起到指导性作用。

内燃机油低温性能测试方法对比见表1。

表1 内燃机油低温性能测试方法对比

1 试验部分

本文以各种不同加工工艺所生产的150BS基础油以及MVI400基础油为主要研究对象，分别考察了不同加工工艺基础油在温度扫描条件下动力黏度的变化特点以及降凝剂、黏度指数改进剂对其动力黏度的影响。

1.1 试验原材料

1.1.1 基础油

表2为实验所用基础油样品，其基本理化指标见表3。

表2 基础油样品

表3 基础油样品的理化性质分析结果

1.1.2 试剂

石油醚、乙醚、无水乙醇、甲苯、丁酮等，分析纯，天津试剂二厂。1.1.3添加剂

T803B，工业品，灰分:0.018%，降凝度:18，兰州路博润兰炼添加剂有限公司。

1.2 实验设备

凝胶指数测定仪，美国TANNAS SB+4型，配备TBS2000工作站。

2 结果与讨论

2.1 基础油的温度－动力黏度扫描曲线

凝胶指数测定仪在温度扫描方式下，利用布氏黏度计对油品黏度（动力黏度）随温度的变化过程进行测量，直观地反映当温度降低时油品黏度变化情况，是研究润滑油低温性能的较好方法。图1为几种不同类型的150BS基础油以及PAO的黏温曲线图。

图1 不同基础油的温度－动力黏度曲线

从图1可以看出，20℃时不同加工类型基础油的动力黏度几乎相同，随着试验温度的降低，各种类型基础油动力黏度指标均呈现上升趋势，其中合成油的黏度－温度曲线表现最为平缓，表明其动力黏度随温度降低缓慢上升，加氢基础油相对上升较快，而溶剂精制基础油的表现比较复杂，在一定的温度范围内，其黏温变化曲线介于合成油和加氢处理油之间，但在接近其倾点的某个温度点后，随温度的降低，溶剂精制基础油的黏度迅速上升，在黏温曲线上出现了拐点式的上升，表现出较差的黏温特性。

另外，结合表3中基础油的倾点数据可以看出，加氢基础油倾点相对较低（－15℃左右），但在相对较高的温度条件下，它虽然还没有完全失去流动性，其动力黏度已经很高，流动性已经较差。溶剂精制基础油则在接近其倾点附近才表现出黏度迅速上升，流动性变差。合成油表现得最为理想。究其原因，溶剂精制类基础油中正构烷烃含量高且异构化程度较弱，在温度降低到一定程度时，部分链状分子及异构化较低的分子以立体网状蜡结构析出，使油品很快失去流动性，而加氢基础油由于烷烃结构的异构化程度较高，在以蜡结构析出时，形成层状结构，不会使油品立刻失去流动性。由此说明，结构组成的差异是造成不同类基础油低温性能差异的主要原因。

不同工艺的克炼HVIH150BS加氢基础油黏度－温度曲线变化形式表现相似，新工艺产品的黏度－温度曲线的变化程度显得更为平缓，因此在同一温度时会具有更好的流动性。从组成上分析，可能是新工艺条件下产品的加氢深度更深、异构化程度更高造成的，对此用烃组成数据进行验证，数据见表4。

表4 不同工艺的克炼HVIH150BS加氢基础油烃组成%

从表4的数据可以看出，与旧加氢工艺产品相比，新工艺条件下HVIH150BS基础油加氢深度远高于旧工艺，芳烃含量降至1%以下，同时多环环烷烃含量也降低，因此其在黏度－温度曲线上的变化更为平缓，其低温性能更好。

2.2 降凝剂对基础油低温流动性的影响

选取不同类型的重质基础油，加入一定量的T803B降凝剂，然后再利用温度扫描布氏黏度计测定加入降凝剂前后基础油动力黏度随温度的变化情况，考察降凝剂对基础油低温性能的影响，测定结果见图2。

1.克炼HVIH150BS（2）;2.克炼HVIH150BS（2）+T803B;3.美孚HVIS150BS（1）;4.美孚HVIS150BS（1）+T803B;5.克炼HVIH150BS （8）;6.克炼HVIH150BS（8）+T803B;7.MVI400;8.MVI400+T803B

从图2的结果可以看出，不同基础油加入降凝剂后温度－动力黏度曲线产生不同的变化。精制类基础油加入降凝剂后，动力黏度随温度的变化曲线由原先的拐点式变化曲线转变为平缓式变化曲线，加氢类基础油根据加氢程度不同变化有所不同，加氢程度较深的基础油，温度－动力黏度扫描曲线几乎没有改变，加氢精度稍浅的基础油温度－动力黏度扫描曲线发生了变化，从曲线上可以看出，在相同温度下，其动力黏度明显下降，低温性能得到了大大的改善。综上所述，降凝剂的加入改变了基础油中高凝点的烃类在低温时的结晶形态，使其倾点得到了改善，同时低温性能发生了变化。不同类型的基础油对降凝剂的感受性不同，以精制类基础油的感受性最好，加氢油次之，并且加氢油的感受性还与其加氢深度有关，加氢深度越深，感受性越差。

2.3 黏度指数改进剂对基础油低温流动性的影响

一般而言，由于精制类基础油不但倾点较高，而且黏度指数较低，在调制高级别油品时，不但要加入一定量的降凝剂改善其低温流动性，同时也需要加入一定量的黏度指数改进剂来改善黏温性能。从黏度指数改进剂的作用原理来看，黏度指数改进剂主要是改进基础油的高温性能，对低温性能影响较小，为验证以上结果，以MVI400基础油为研究对象，在其中先后加入一定量的T803B降凝剂以及PMA类黏度指数改进剂，然后再利用温度扫描布氏黏度计测定加入降凝剂、黏度指数改进剂前后基础油动力黏度随温度的变化情况，考察黏度指数改进剂对基础油低温性能的影响，测定结果见图3。

图3 黏度指数改进剂对MVI400低温性能的影响

从图3的结果可以看出，在含有降凝剂的基础油中加入黏度指数改进剂后，油品的温度－动力黏度曲线并未产生明显的变化，说明基础油的低温性能并未发生显著变化，这与黏度指数改进剂的作用机理是相吻合的，由此看来在基础油中加入黏度指数改进剂不会对基础油的低温性能产生显著影响。

2.4 克炼HVIH150BS基础油中的絮状物

克炼HVIH150BS基础油具有较高的黏度和较好的黏温特性，在油品生产中具有广泛的应用。但实际使用过程中存在温度较低或放置后，基础油和由该类基础油调制的润滑油产品经常出现外观浑浊、不透明等现象，有时甚至出现絮状沉淀物，因而使得克炼HVIH150BS的应用受到限制，因此详细研究絮状物的组成和性质，对促进克炼HVIH150BS基础油的生产和合理利用，将起到一定的帮助。

选择克炼HVIH150BS（2）作为研究对象。将样品在低温下（－25℃）进行储存，待絮状物析出后，用溶剂将基础油进行稀释后过滤，蒸发溶剂分别得到滤出物和滤余油。

2.4.1 絮状物的基本理化性质

表5为滤出物和滤余油的基本理化性质。

表5 滤出物、滤余油理化性质分析结果

由表5的数据可以看出，分离后得到的滤出物浊点较高，在常温下为半固体状。同时从其他理化指标来看，滤出物的黏度指数比滤余油要高，并且滤余油的倾点与浊点均得到大幅度的降低，以上数据说明滤出物即为造成油品外观浑浊、甚至产生沉淀的组分。

2.4.2 结构组成分析

表6为滤出物和滤余油的烃组成分析结果。

表6 滤出物、滤余油烃组成分析结果%

从表6的数据可以看出，滤出物中的芳香烃、链烷烃含量都高于滤余油。在环烷烃的方面，滤出物中的环烷烃主要以四环以下形式存在，而滤余油中不但环烷烃含量较高，并且其中还含有较多的多环环烷烃。由此说明，滤出物是一些具有较长烷基链取代结构、或者异构化程度较低的烷烃分子，这些组分具有较高的倾点和浊点，当气温降低时会从基础油中析出而影响基础油的外观。

2.4.3 滤出物与滤余油的低温性能

图4为滤出物、滤余油以及原有样品的温度－动力黏度曲线。

图4 滤出物、滤余油以及原有样品温度－黏度曲线

从图4可以看出，滤出物的动力黏度－温度曲线变化趋势与精制类基础油的变化趋势非常类似，表现为拐点式的上升，而滤余油黏度的变化趋势与原样品的变化趋势类似，但低温性能已经得到大幅改善，获得较好的黏温性能。由此说明，克炼HVIH150BS基础油中出现的絮状物不但影响了基础油的外观，并且对其低温性能的影响也是明显的。

3 结论

利用温度扫描布氏黏度计能够对油品黏度（动力黏度）随温度的变化过程进行测量，直观地反映当温度发生变化时油品的黏度变化情况，通过分析油品的动力黏度－温度变化曲线，可以进一步了解油品的组成、对添加剂的感受性等性能，可以对油品的使用起到指导性作用，是一种理想的研究润滑油低温性能的手段。

［1］GB/T 3535－2006石油倾点测定法［S］.

［2］GB/T 6538－2010发动机油表观黏度测定法（冷启动模拟机法）［S］.

［3］GB/T 9171－1988（2004）发动机油边界泵送温度测定法［S］.

［4］SH/T 0732－2004润滑油低温低剪切速率下黏度与温度关系测定法（温度扫描法）［S］.

［5］余磊，陈海波，马淑芬，等.内燃机油低温性能测试方法及影响因素综述［J］.车用发动机，2009，184（5）:7－11.

［6］潘强余.汽车润滑油低温成胶理论及动力学［J］.石油化工，1995，24（6）:399－404.

［7］王延臻，劳永新，靳尉仁，等.胶凝指数法研究润滑油的低温泵送性［J］.石油学报（石油加工），1999，15（6）:47－51.

［8］王清华，冯新泸，杨官汉，等.内燃机油基础油的结构族组成与低温性能的关系［J］.石油炼制与化工，1999，30 （9）:62－63.

Study on Low Temperature Performances of Lubricant Base Oils by Temperature－Scanning Technology

ZHANG Da－hua，LILi－xia，LIU Cui－xiang，ZHOU Ya－bin
（PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R＆D Institute，Lanzhou 730060，China）

The low tem perature perform ances of lube base oils produced by different processing technologies w ere tested by the com parison of the dynam ic viscosity－tem perature curves.The relationship betw een the low tem perature performance and the chem icalcom position of base oil，and the base oil＇s sensitiveness to pour point depressantw ere studied in this paper.Research results show ed that，the low tem perature perform ance of hydroisom erized base oils is better am ong all the base oils w hich are in the sam e viscosity grade.And solvent－refined base oils arem ore sensitive to pour point depressant.

tem perature－scanning;low tem perature perform ance;dynam ic viscosity;gel index

TE622.5

A

1002-3119（2012）06-0039-05

2012－06－08。

张大华（1972－），男，硕士，工程师，2000年毕业于兰州化物所分析化学专业，现从事润滑油及添加剂结构组成分析以及质量检测工作，曾在国内各类刊物及学术会议发表各类论文多篇。