润滑油品质分析

陈博阳

(西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 710065 )

1 汽车润滑油

润滑油是几乎所有车辆中使用的最重要的液体之一。润滑油对汽车发动机的正常运转提供了可靠的保障，如冷却，减少摩擦磨损等。适当的润滑，使发动机保持良好的运行状态，减少额外的能量损耗。同时响应了节能减排和改善燃油经济性的要求，提高了对环境的保护。润滑油主要由矿物质油或合成基础润滑油、烃类石蜡、环烷烃、芳烃和多种化学添加剂组成，基础油的含量一般在80～90%，添加剂的含量一般在10～20%之间[1]。基础油的主要功能是润滑，添加剂可以增强此功能，并提供新的功能。无论什么组分的润滑油，其寿命是有限的，无法长期在发动机中使用。主要是因为在使用过程中，润滑油会受到污染并氧化降解，各项性能均有所下降。

目前，润滑油的检测分析已成为汽车发动机的故障检测和预警中的有效手段。它包含与润滑油有关运动部件老化和磨损的信息。发动机长时间运行的部件会发生持续磨损，润滑油的使用会最大程度的保护和减少其磨损。

2 润滑油的检测

检查和分析润滑油的品质及与所用燃料的相容性，监测润滑油的污染程度，以及时了解发动机的状态。如今，润滑油的分析技术快速发展，其检测可从以下两方面进行[2]：1） 润滑油中金属磨屑可对润滑油质量和发动机的磨损进行估计，其中的金属元素，可以通过各种光谱方法进行检测；2） 检测润滑油的理化性质，油在使用过程中杂质的加入会改变其性质，如黏度、酸度和氧化降解等。

2.1 金属元素的分析

光谱技术是目前最广泛使用的磨损颗粒检测技术。通过光谱分析，可以检测和量化多种金属元素，如铁、银、铝、铬和铜等常见金属元素。许多用于碎片和金属元素检测的光谱仪如原子光谱和激光诱导击穿光谱等，都可以对这些金属元素进行分析。

目前，使用光谱技术测油中元素的研究非常多。原子光谱法和激光诱导击穿光谱，都可用于微量元素的定性和定量分析，检出限较低、灵敏度高、干扰较少。

2.2 润滑油的粘度

润滑油作用在发动机中相互接触的界面上，油的粘度体现出油在发动机中的流动能力。粘度通常受温度、化学性质和油中其他成分的影响。通常，高粘度润滑油会降低效率，而低粘度的润滑油会降低发动机中的润滑效果。燃料燃烧产生的烟灰也会造成润滑油的污染，导致润滑油降解，使得润滑油粘度增加。润滑油的粘度会随温度的变化而变化，该变化程度由粘度指数进行衡量。粘度指数表示一切流体粘度随温度变化的程度。粘度指数越高，表示流体粘度受温度的影响越小，粘度对温度越不敏感。粘度指数的正常范围为0～100[3]。含有粘度指数改进剂的油可以达到高达170。根据粘度指数不同，将润滑油分为三级：35～80 为中粘度指数润滑油；80～110 为高粘度指数润滑油；110 以上为特高级粘度指数润滑油。高粘度指数的油可以抵抗高温下的过度稀释。低粘度指数的油在高温下会变稀变薄，润滑效果大大降低。粘度指数改进剂可视为高性能多级油的关键。它们通常是油溶性聚合物。添加的聚合物分子可能与基础油相互作用，影响其最终粘度。聚合类化合物是常用的添加剂，主要有三种[4]：烯烃共聚物、氢化二烯共聚物和丙烯酸基共聚物。新材料纳米颗粒添加到油中也会对其粘度产生实质性的影响。

2.3 润滑油的氧化降解

发动机在运转过程中，热现象和机械磨损产生的不溶性残余物和金属杂质的污染，导致油的氧化，润滑油会逐渐降解。当发动机油开始氧化时，形成烷基，然后在氧气下转化为过氧自由基。过氧自由基进一步与油反应形成氢过氧化物和烷基。随着这种连锁反应的继续，形成高浓度的氢过氧化物，加速氧化。导致润滑油产生分子链的降解现象。润滑油降解的同时，也会伴随粘度的变化。为了分析由于劣化过中润滑油的老化现象，对润滑油的氧化降解程度需进行分析。润滑油的氧化过程中产生氧化物的同时会产生其它化合物，如醇、酮、醛和羚酸。目前已经有多种不同的方法进行检测：色谱、红外光谱、核磁共振和原子吸收光谱。增强油的抗氧化能力，减弱或延缓油的氧化速度，抗氧化剂的使用显得尤为重要。抗氧化剂含量可以作为润滑剂的品质分析指标，抗氧化剂的含量保持在一定的范围内，对润滑油的性能就能起到积极的作用。抗氧化剂浓度的降低速度，也可作为润滑油的降解的一项评价指标。通过检测抗氧化剂的浓度随时间的浓度变化，估计润滑油的剩余使用寿命。根据抗氧化剂不同的结构和抗氧化机制，抗氧化剂可分为两类：氢过氧化物分解剂和自由基清除剂。氢过氧化物分解剂通过形成氧化和分解产物起作用；自由基清除剂提供氢原子终止烷氧基和烷基过氧自由基起作用，从而中断自氧化过程的自由基链。

2.4 润滑油的酸度

润滑油在使用的过程中，由于受到污染，使其发生氧化，会产生一些酸性化合物如羚酸，导致油中弱有机酸的积累。现在已经采用许多物理和电学性质来检测油的污染和氧化程度，化学特性用于评估由氧化导致的油降解。通常，油的酸碱度由酸值和碱值量化。润滑油中可用强无机酸和弱有机酸进行度量。在确定氧化和油酸性污染方面，是一项非常重要的指标。新润滑油由于存在高碱性清净剂，油略微倾向于碱性，在使用过程中，会变得越来越偏向酸性。在发动机中，酸性环境会导致腐蚀，润滑剂氧化，粘度增加和发动机磨损。这些对润滑剂的使用会产生不利影响，这是选择合适润滑剂的重要因素。润滑油酸度是用于确定换油时间的关键指标。在传统的发动机润滑剂中，高碱性清净剂用于中和酸性污染物。测定酸值的方法一般有两大类：一是颜色指示剂法，根据指示剂的颜色确定滴定的终点；另一个是电位滴定法，根据电位变化确定滴定终点主要用于深色油品的酸值测定。

3 润滑油中的添加剂

各种添加剂在油中提供不同的功能：保持油粘度的温度敏感性，通过形成表面膜防止磨损，并通过使表面更光滑来减少摩擦。现代发动机油中的添加剂也具有清洁、抑制腐蚀、抗氧化、中和酸、消除污染物以及改善密封等功能。润滑油的添加剂种类繁多，不同的添加剂对润滑油的性能影响不尽相同。市场上所销售的润滑油一般都是各种添加剂的复合品，所不同的就是单一添加剂的成分以及复合添加剂内部几种单一添加剂的比例。添加剂根据其性质，可以分为化学惰性和化学活性类型。几乎所有的润滑油都含有添加剂以提高其性能。这些添加剂的功能是保护金属表面、抗氧化、减少沉积物形成、防止腐蚀和磨损。扩大润滑油的使用范围，改善流动特性、改善润滑剂稳定性并延长寿命。

目前，大多数的润滑油其性能以达到极限，开发新材料，研究新配方显得日益重要。纳米润滑材料的出现，为润滑油添加剂添加了新的成员。有很多研究表明纳米粒子添加剂具有优于传统添加剂的摩擦学性能。纳米材料较小的尺寸，使其能够进入摩擦接触界面。在文献中，已有研究将纳米颗粒应用到润滑剂中。在润滑油添加剂的历史中，纳米粒子是一类相对较新的添加剂。纳米添加剂通常有三种成分[5]：润滑剂/基础油溶剂；充当抗磨的添加剂或摩擦改进剂的纳米颗粒；存在于润滑油和颗粒之间的界面区域的表面活性剂。纳米粒子作为添加剂可以减少摩擦和磨损的机理，被认为主要有：尺寸效应、胶体效应、保护膜和第三体效应。

4 结语

本文针对润滑油在使用过程中，随时间各项理化性质的改变，做了综合论述，润滑油中金属含量、粘度、氧化降解、酸度、指纹图谱等理化性质的检测，从不同方向反映了润滑油品质的变化。在使用润滑油时，可以根据当时的条件，就其某项或多项性质进行分析，以便及时更换。目前，检测润滑油的技术已经很多，各种光谱的应用、物理化学方法都可对其中一项甚至多项性质进行检测，这些性质都需要专业的仪器进行检测，具有较高的准确度。润滑油基础油的自身性质限制了其性能。润滑油中添加剂的使用，使其功能更加全面，更加强大。材料科学的发展势必会带来添加剂的新发展，使添加剂在抗氧化、抗腐蚀等方面性能有所提升，延长润滑油的使用寿命，让润滑油为发动机长时间的安全运转提供更可靠的保障。