添加剂的添加方式及添加量对燃气发动机润滑油性能的影响

母晶秋，韩凤兰，王亚光

（北方民族大学 材料科学与工程学院，宁夏 银川 750021）

润滑油被誉为“维持机械正常运转的血液”，是现代工业重要的支撑材料之一［1-2］。润滑油中约70%～90%（w）是基础油，其余为添加剂，添加剂对润滑油的理化性能有着重要的影响［3-4］。添加剂种类繁多，添加工艺更是复杂。在添加过程中，并不是将各种添加剂简单地混合在一起，因为各添加剂的浓度较高，添加剂自身的理化特性会大大影响复合剂的应用效果［5］，而且在添加剂调和工艺中存在两种效应：协同效应及抑制效应［6］。协同效应指不低于两种的同类型或不同类型的添加剂复合在一起使用时，各方面效果明显优于单剂独自使用的效果；抑制效应指一些添加剂由于酸碱性质、化学活性等不同而产生有害反应，造成添加剂的效果减弱甚至失效。充分利用添加剂之间的协同作用，是研制经济高效的润滑油的关键，也是加速润滑油升级换代的有效方法之一［7-8］。

添加剂之间的协同、抑制效应一直是人们研究的重点。马雁声等［9］探究了润滑油极压抗磨添加剂的复合效应及其与固体润滑剂的协同作用。乔玉林等［10］对极压抗磨减摩添加剂的协同效应进行了研究。胡丹等［11］考察了单乙醇胺与碱性添加剂复配前后对环丁砜热稳定性的影响，结果表明，当单乙醇胺与碱性添加剂复配后，复合添加剂抑制环丁砜受热分解的效果优于单独添加单乙醇胺的效果。

与以上研究不同，本工作未针对某单一种类添加剂，而是研究了多种添加剂的添加方式及添加量对燃气发动机润滑油性能的影响，探索了最优添加方案，为燃气发动机润滑油的性能优化提供了参考。

1 实验部分

1.1 试剂

150BS光亮油、400SN基础油：深圳中润通化工有限公司；250N加氢精制基础油：韩国双龙有限公司；黏度指数改进剂T613（乙丙共聚物）、降凝剂T803B（聚甲基丙烯酸脂）、清净剂T106A（超高碱值合成磺酸钙）和T115B（硫化烷基酚钙）、抗氧抗磨剂T203（双辛基硫代磷酸锌盐）、分散剂T154B（硼化聚异丁烯双丁二酰亚胺）、防锈剂T702（磺酸钠）和T705（碱性二壬基萘磺酸钡）：锦州百特化工有限公司。

采用150BS、400SN、250N基础油以及黏度指数改进剂T613、降凝剂T803B共同调和本实验所用基础油。两种不同的基础油配方：250N，150BS，400SN按质量比数8∶1∶1配置，再添加0.25%（w）T803B+5.5%（w）T613调节基本理化性能得基础油A1；250N，150BS，400SN按照质量比6∶3∶1配置，再添加0.25%（w）T803B+5.5%（w）T613调节基本理化性能得基础油A2。两种调和基础油的性能指标如表1所示。

表1 调和基础油A1和A2的性能指标Table 1 Performance indexes of basic oils A1 and A2

实验所用添加剂种类、添加量及功能如表2所示。

表2 添加剂的种类、添加量及功能Table 2 Types，adding amounts and functions of the additives

1.2 调和顺序

润滑油的性能受添加剂调和工艺中诸多因素的影响，如添加方式、搅拌时间、搅拌温度等。本实验添加剂的添加方式分为以下3种：

1）清净剂之间、分散剂之间有协同效应，因此，在设置添加方式时，依据添加剂之间已知的协同效应，先将单剂进行分组调和。将添加剂分为两组：T106A +T115B+T154B（Ⅰ组）和T702+T705+T203（Ⅱ组）。将Ⅰ组和Ⅱ组添加剂分别混合，搅拌均匀，依照Ⅰ、Ⅱ的顺序加入到基础油250N中，在55 ℃下搅拌30 min，得到复合剂1#。将8%（w）的复合剂1#加入到基础油A1和A2中，得成品润滑油B1-1和 B2-1。

2） 将 添 加 剂 按 T106A，T115B，T154B，T702，T705，T203的顺序依次加入到基础油250N中，在55 ℃下搅拌30 min，得到复合剂2#。将8%（w）的复合剂2#加入到基础油A1和A2中，得成品润滑油C1-1和C2-1。

3）添加剂种类越多，调和过程中的添加方式越多。为探究抗氧抗磨剂T203与清净剂T106A和T115B之间的协同抑制作用，并与复合剂1#进行对比，将添加剂分为不同于复合剂1#的两组：T106A+T115B+T203（Ⅰ组）和T702+T705+T154B（Ⅱ组），按照复合剂1#的制备方法制得复合剂3#。将8%（w）的复合剂3#加入到基础油A1和A2中，得成品润滑油D1-1和D2-1。

2 结果与讨论

2.1 添加方式对燃气发动机润滑油性能的影响

检测B1-1，B2-1，C1-1，C2-1，D1-1，D2-1六种成品润滑油的理化性能（100 ℃运动黏度、黏度指数、倾点、闪点、摩擦系数、磨斑直径），考察添加剂的添加方式对燃气发动机润滑油性能的影响，检测结果见表3。

表3 添加剂的添加方式对燃气发动机润滑油性能的影响Table 3 Influence of adding ways of additives on lubricating oil performance of gas engine

由表3可知，添加复合剂2#和3#的成品润滑油较添加复合剂1#的成品润滑油的倾点低，低温流动性较好，且以A1和A2为基础油配制的润滑油均有此规律。添加三种复合剂的成品润滑油的闪点相差不大，添加复合剂3#的成品润滑油闪点略高。以A1和A2为基础油，添加复合剂2#的成品润滑油运动黏度过高，已超出燃气发动机油质量标准，添加复合剂1#与3#的成品润滑油运动黏度相差不大；添加复合剂3#的成品润滑油黏度指数均较高，即成品润滑油的黏度随温度变化的程度较小，具有较好的黏温性。表3中六种成品润滑油的摩擦系数相差不大，磨斑直径大小顺序为：B1-1＞C1-1＞D1-1，B2-1＞C2-1＞D2-1，即添加复合剂3#的成品润滑油的抗磨性能最优，其次为添加复合剂2#的成品润滑油，最差的是添加复合剂1#的成品润滑油，说明复合剂3#中抗氧抗磨剂T203与清净剂T106A、T115B起到了很好的协同作用。

总体来看，添加复合剂3#的成品润滑油的性能最优，其次是添加复合剂1#的成品润滑油，最后是添加复合剂2#的成品润滑油。究其原因，可能是因为复合剂3#中抗氧抗磨剂T203为双辛基硫代磷酸锌盐、清净剂T115B为硫化烷基酚钙，两种硫盐单剂复合后起到了明显的增效互补作用。T106A为超高碱值合成磺酸钙，与双辛基硫代磷酸锌盐以任何比例混合均无沉淀生成，可混合使用。且就抗磨性而言，由于不同种类的添加剂作用的起始温度不同，当较低温度下起作用的添加剂与摩擦表面反应生成边界润滑膜时，所放出的热量能够有效降低在较高温度下才起作用的添加剂的反应活化能，使其更容易与摩擦表面反应生成边界润滑膜，从而起到增效作用。清净剂T106A为超高碱值合成磺酸钙，分散剂T154B为硼化聚异丁烯双丁二酰亚胺，在非极性溶剂中表面活性剂胶束是以反相胶束形式存在的，胶束的形成过程是一个连续的聚集过程。在某特定浓度下，非极性溶剂中胶束的聚集数有一连续分布，磺酸钙分子胶束聚集数分布较窄，当增加单分子浓度时，体系中胶束数量增大，胶束聚集数维持不变，表现出典型的胶体行为，有一临界胶束浓度。在复合剂1#中，虽然清净剂T106A、T115B与分散剂T154B也起到了一定的协同作用但效果不是很明显，可能是因为润滑油清净剂中游离的表面活性剂、表面活性剂胶束及载荷胶团存在动平衡。在复合剂2#中，由于各种添加剂酸碱性质、化学活性均不同，因此一起加入时会引起抑制作用，造成成品润滑油的黏度过大，性能不理想。

2.2 添加量对燃气发动机润滑油性能的影响

由添加剂的添加方式对燃气发动机润滑油性能的影响结果可知，以A1为基础油调和的成品润滑油的性能普遍优于以A2为基础油调和的成品润滑油，因此研究添加剂的添加量对燃气发动机润滑油性能的影响时选取A1为基础油。添加剂的添加方式选用第3种，即复合剂3#。将复合剂3#按不同添加量加入到基础油A1中，得到5种成品润滑油，对其进行相关理化性能检测，考察复合剂的添加量对燃气发动机润滑油性能的影响，结果见表4。

表4 复合剂的添加量对燃气发动机润滑油性能的影响Table 4 Influence of adding amounts of compound additives on lubricating oil performance of gas engine

从表4可看出，随添加量的增加，成品润滑油的倾点呈现先降低后升高的趋势，由-24 ℃降至-27 ℃后又升至-24 ℃；闪点及黏度指数均呈现先上升后下降的趋势，闪点由240 ℃升至248 ℃后又降至242 ℃，黏度指数由143升至150后又降至138；五种成品油的运动黏度、磨斑直径与摩擦系数均相差不大。综合考虑添加量对成品润滑油性能的影响、燃气内燃机润滑油使用标准及经济效应，选出复合剂最优添加量为10%（w）。

T154B为硼化聚异丁烯双丁二酰亚胺、T203为双辛基硫代磷酸锌盐，胺盐T154B与T203复合使用时，相对于一定量的T203，胺的加入量存在一个临界值，在低于和高于这个值时，T203的添加作用分别得到加强和明显的减弱，本实验中T203的添加作用在添加量为10%（w）时最优。

3 结论

1）添加剂的添加方式对燃气发动机润滑油的性能有一定的影响。添加复合剂3#的成品润滑油的性能最优，即添加剂的最优添加方式为先添加T106A+T115B+T203，再添加T702+T705+T154B。

2）调和燃气发动机润滑油时，基础油的最优配方为250N，150BS，400SN按质量比8∶1∶1配置基础油，再添加0.25%（w）T803B+5.5%（w）T613调节基础油性能，复合剂的最优添加量为10%（w）。

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