润滑油基础油组成对低温性能的影响

张美琼，王燕，张静，马蕊燕，王凯明，张霞玲，何军

(中石油克拉玛依石化有限责任公司炼油化工研究院，新疆 克拉玛依 834000)

0 引言

润滑油主要是由基础油和添加剂两部分组成，其中基础油约占90%以上，是润滑油的主要成分，对润滑油的性能起着重要作用。基础油因原油属性和生产工艺的不同而产生的组成变化会导致其性质发生变化，同时这些变化也会带来油品相关性能的变化。基础油的组成复杂，但从族组成看，主要由饱和烃(链烷烃和环烷烃)、芳香烃和极性化合物等组成[1]。润滑油基础油的组成与其性能之间有着密切的关系，组成不同，润滑油性能将不同。本文重点定性考察基础油组成对油品低温性能的影响，为掌握基础油低温性能的变化规律提供帮助，同时对润滑油的产品质量控制也具有指导意义。

1 试验用油样

克拉玛依某石蜡基馏分油经过高压加氢工艺处理后得到基础油A，某环烷基馏分油经过中压加氢工艺处理后得到基础油B。基础油A和B黏度等级相同，但因原油属性和生产工艺不同，两者在组成上有很大差异，导致它们的性质有很大差别。

将基础油A和B按不同比例调合，并对A、B以及各调合油进行组成和低温性质分析，考察组成对油品低温性质的影响，分析结果如表1所示。

表1 基础油A和基础油B调合油的性质

从表1可以看出，基础油A、B以及各调合油的40 ℃黏度等级相同，可以消除油品黏度对性质的影响。对表1中的性质数据进行分析和定性关联，结果如下文所示。

2 试验结果及分析

2.1 基础油组成对黏度指数的影响

黏度指数表示油品黏温性能的好坏，能较好地反映基础油组成变化以及精制程度。

CP值表示链烷烃上的碳原子占总碳原子数的百分数[2]，是间接表征油品链烷烃含量高低的一种方法。分析表1中的数据，发现CP值对黏度指数的影响关系如图1所示。

图1 CP值对黏度指数的影响关系

从图1可以看出，随CP值的升高，黏度指数呈近正比例的增大。

在各烃类中，黏度指数由高到低排列为正构烷烃>异构烷烃>环烷烃>芳香烃，链烷烃包含正构烷烃和异构烷烃，链烷烃的黏度指数随着支链的增多而变低，环状烃(包括环烷烃和芳香烃)分子中的环数增多时，黏度指数显著变低，甚至变为负值[3]。

可见链烷烃是对黏度指数贡献最大的烃类，随CP值的升高，使得黏度指数呈图1所示的近正比例增大的趋势。

2.2 基础油组成对低温性能的影响

2.2.1 浊点

浊点是油品在标准状态下冷却至开始出现浑浊的温度，是表征油品低温性能的一项指标。基础油A、B调合油的浊点与饱和烃含量的关系如图2所示。

图2 浊点与饱和烃含量的关系

从图2可以看出，随饱和烃含量的增大，基础油A、B调合油的浊点呈近正比例的升高，说明饱和烃含量对浊点的贡献大。

各烃类中，浊点由高到低排列为正构烷烃>异构烷烃>环烷烃>芳香烃，环状烃(包括环烷烃和芳香烃)上的长侧链也会使浊点升高。正构烷烃、异构烷烃、环烷烃统称饱和烃，它们的含量高，浊点就高，它们的含量低，浊点就低[4]。

2.2.2 倾点

倾点是指油样在标准条件下冷却时，能够继续流动的最低温度。倾点是表征润滑油产品低温流动性的常规技术指标，倾点低，则油品流动性好，对于油品运输、装卸以及使用都是有利的[5]。

石蜡基油A和环烷基油B调合油样的倾点跟调合比例的关系如图3所示。

图3 倾点与调合比例的关系

从图3可以看出：从A∶B=6∶4开始，增大B的比例，至A∶B=1∶9，调合油的倾点均分别低于A、B两者的倾点；当A或B含量太低时，倾点降低效果均不明显，即当石蜡基油和环烷基油调合且两组分含量均不是很低时，可以使调合油倾点低于两单组分的倾点。

油品的凝固方式分为黏温凝固和构造凝固。黏温凝固是在温度不断降低的情况下，油品黏度逐渐增大，流动性变差，直至整体不能流动。构造凝固是油品中的蜡在低温条件下结晶析出，形成针状或片状结晶并相互联结，构成三维空间网状结构，将油通过吸附包于其中，致使整个油品失去流动性。

环烷基基础油的蜡含量很低，其凝固方式主要是黏温凝固，而石蜡基基础油的凝固方式主要是构造凝固。

当石蜡基油和环烷基油混合时，环烷基油就如同“溶剂”一般，能够溶解石蜡基油析出的蜡，使析蜡点降低；环烷基油中的环烷烃还会干扰蜡晶成核，使析蜡点进一步降低；且即使温度足够低，使蜡结晶析出来，跟纯石蜡基油相比，两基属油品混合时单位体积的蜡晶数目较低、距离较远，降低了两个蜡晶碰撞的几率。所以环烷基基础油加到石蜡基基础油中后，在“晶核形成”、“蜡晶生长”、“蜡晶颗粒连接”3个方面起到了阻碍构造凝固的作用，降低了倾点。同时，当两基属油品混合时，石蜡基基础油就如同黏度指数改进剂或者低温稀释剂加入到环烷基基础油中，提高了油品的黏度指数。当温度降低到原来环烷基基础油的凝固温度时，体系还没有达到凝固所需的表观黏度，仍然具有流动性，从而阻碍了黏温凝固。以上两个因素共同作用，既阻碍了构造凝固，也阻碍了黏温凝固，最终导致倾点降低现象的产生[6]。

正是由于环烷基油和石蜡基油在低温下的凝固方式不同，以及两者调合时凝固方式的相互干扰，导致基础油A、B调合油的倾点跟调合比例的关系呈现图3所示的情况。在实验室研制产品和工业化生产时，常常利用石蜡基油和环烷基油调合可以降低倾点这一规律来改善油品的低温性能。

2.2.3 低温动力黏度

低温动力黏度(简称CCS)是油品在低温、高剪切速率条件下测得的内摩擦力大小的量度，能反映油品低温性能的好坏，作为内燃机油的重要性能指标，能预测发动机在低温条件下能否顺利启动。

分析表1数据可知，对低温动力黏度影响最为密切的物理性质主要有密度和黏度指数。

基础油的密度主要反映了基础油的馏程和平均分子量的变化情况，而低温动力黏度又与基础油的组分变化密切相关，所以密度是低温动力黏度的一个重要函数。A、B调合油的低温动力黏度与密度的关系如图4所示。

图4 低温动力黏度与密度的关系

从图4可以看出，低温动力黏度与密度成正相关关系，即低温动力黏度随基础油密度的增大而增大。基础油组分的馏程越高，重组分含量越高，平均分子量越大，密度就越大，低温动力黏度也越大。

基础油的低温动力黏度与其组成密切相关，而黏度指数又能较好地反映基础油组成变化以及精制程度的情况，所以黏度指数也是影响基础油低温动力黏度的一个重要因素。基础油A、B调合油的低温动力黏度与黏度指数的关系如图5所示。

图5 低温动力黏度与黏度指数的关系

从图5可以看出，基础油A、B调合油的低温动力黏度与黏度指数成反相关关系，相同黏度的基础油，随着黏度指数的增大，基础油的低温动力黏度降低，这也说明黏度指数的变化能够较好地反映出基础油低温动力黏度随其组成的变化情况：基础油中多环烷烃和多环芳烃等非理想组分含量越低，基础油的黏度指数就越高，其低温动力黏度就越小[3]。

2.2.4 两相分离温度

将装有试验油和制冷剂的试管放在水浴中升温，使试验油和制冷剂成为均一、透明的溶液，然后在冷浴中冷却试管，降温过程中溶液分离成两相或整个溶液乳浊时的温度为两相分离温度。两相分离温度用来表征油品与制冷剂的相溶性，是油品(特别是冷冻机油)的低温性能指标之一。

基础油A、B调合油的两相分离温度与芳香烃含量的关系如图6所示。

图6 两相分离温度与芳香烃含量的关系

从图6可以看出，随着芳香烃含量的升高，两相分离温度降低，即油样溶解制冷剂的能力变好，当芳香烃含量≤11.7%时，两相分离温度>38 ℃，说明油样溶解制冷剂的能力较差。

在油品的各种烃类组成中，芳香烃的溶解能力比其他烃类好，当测量两相分离温度时，芳香烃含量越高，油品溶解制冷剂的能力越强，从而使得两相分离温度降低，即随着芳香烃含量的升高，两相分离温度降低。

3 结论

(1)各烃类中，浊点由高到低排列为正构烷烃>异构烷烃>环烷烃>芳香烃，饱和烃(包含正构烷烃、异构烷烃和环烷烃)含量对浊点的贡献大，随饱和烃含量的增大，浊点呈近正比例的升高。

(2)环烷基油和石蜡基油在低温下的凝固方式不同，两者调合时凝固方式相互干扰，当两者调合且两组分含量均不是很低时，可以使调合油倾点低于两单组分的倾点，在实验室研制产品和工业化生产时，常常利用这一规律来改善油品的低温性能。

(3)基础油组分的馏程越高，重组分含量越高，平均分子量越大，密度就越大，低温动力黏度也越大，且低温动力黏度与密度成正相关关系；基础油中多环烷烃和多环芳烃等非理想组分含量越低，基础油的黏度指数就越高，其低温动力黏度就越小，且低温动力黏度与黏度指数成反相关关系。

(4)随着芳香烃含量的升高，油样的两相分离温度降低，即油样溶解制冷剂的能力变好。