超高黏度茂金属PAO在发动机油中的应用研究

张 可 鄂红军 陈钊锋

中国石化润滑油有限公司北京研究院

本文对国内某公司生产的超高黏度茂金属PAO进行了性能考察，并与一款市面上常用的HSD型黏指剂进行了比较；同时将超高黏度茂金属PAO应用于SN 10W-30汽油机油中。试验结果表明，超高黏度茂金属PAO可以有效地提升油品的剪切稳定性能，具有在发动机油领域中应用的可行性。

聚α烯烃（Poly Alpha Olefin，英文缩写为PAO）是最常用的合成基础油之一，由于具有良好的黏温性能、低温流动性以及热稳定性能，被广泛应用于高档和专用润滑油的配制。作为全世界PAO生产的主要企业之一，埃克森美孚公司于2010年率先推出了使用单活性中心的茂金属催化剂合成工艺生产的新一代高黏度PAO，并将这种新的PAO基础油称为茂金属聚α烯烃（mPAO），从而与传统的PAO区别开来。与传统PAO相比，茂金属PAO拥有更高的黏度指数以及更好的剪切稳定性能和低温性能，可以为润滑油成品提供更为出色的性能表现。近些年来，国内的PAO生产企业通过自主创新已逐步完善了PAO合成技术的研发并推出了相关产品，例如上海纳克公司于2017年推出了采用茂金属催化剂合成的超高黏度茂金属PAO。刘青才、刘中文等采用上海纳克公司生产的NacoFlow V600（100 ℃运动黏度600 mm2/s左右的超高黏度茂金属PAO）成功应用于75W-90车辆齿轮油中，并完全替代了原配方中的PMA型黏指剂；通过试验分析与对比发现，采用超高黏度PAO的油品比采用原PMA型黏指剂的油品具有更为出色的剪切稳定性能[1]。

本文对国内某公司生产的超高黏度茂金属PAO1000（100℃运动黏度 1 000 mm2/s左右）进行了性能考察，并与一款市面上常用的HSD型黏指剂进行了对比；同时将超高黏度茂金属PAO1000应用于SN 10W-30汽油机油中，探究了超高黏度茂金属PAO在发动机油领域中应用的可行性。

试验部分

试验原料

本文试验采用了国内某公司生产的超高黏度茂金属PAO1000（以下称为mPAO1000），产品的典型数据见表1；同时选取了一款市面上常用的HSD型黏指剂（以下称为黏指剂A）作为考察mPAO1000性能特点的参照物。

超高黏度茂金属PAO性能特点研究

增稠性能

在API III类基础油中分别加入质量分数为5.0%、10.0%、15.0%的mPAO1000和黏指剂A，采用GB/T 265分别对纯API III 类基础油和上述混合油液进行100℃运动黏度的分析测试。

低温性能

在API III类基础油中分别加入质量分数为5.0%、10.0%、15.0%的mPAO1000和黏指剂A，采用GB/T 6538分别对纯API III类基础油和上述混合油液进行低温动力黏度（-30 ℃）的分析测试。

剪切稳定性能

在API III类基础油中分别加入质量分数为10.0%的mPAO1000和黏指剂A，采用SH/T 0103对纯API III 类基础油和上述混合油液进行柴油喷嘴（30循环）后的100 ℃运动黏度的分析测试。

超高黏度茂金属PAO的应用研究

将mPAO1000应用于SN 10W-30汽油机油中，并完全替代原配方中的黏指剂A，然后对两种成品油进行运动黏度、倾点等项目的理化分析。

结果与讨论

超高黏度茂金属PAO性能特点

增稠性能

增稠性能是评价黏指剂的重要指标之一，增稠性能的好坏直接决定了多级发动机油中黏指剂的加剂量。黏指剂的增稠性能较差说明其加剂量较大，一方面会增加配方的成本，另一方面过多的黏指剂会导致发动机油在工作过程中产生严重的积炭，导致发动机油整体的清净性能变差。本小节分别对mPAO1000和黏指剂A的增稠性能进行了考察，试验结果见表2和图1。

表1 mPAO1000的典型数据

表2 mPAO1000和黏指剂A在API III类基础油中的增稠性能

图1 mPAO1000和黏指剂A在API III类基础油中增稠性能的对比

从表2和图1中可见，当在同一种基础油中分别加入相同质量分数的mPAO1000和黏指剂A时，mPAO1000对油品的增稠效果要更为明显；且随着加剂量的增大，mPAO1000与黏指剂A对油品增稠效果的差距也随之增大。综上所述，与黏指剂A相比，mPAO1000的增稠性能要更好。

低温性能

发动机油的低温性能主要包括低温动力性能、低温泵送性能和倾点等方面。其中，发动机油的低温动力性能主要模拟了发动机气缸套与活塞部位冷启动时的工况，因此油品的低温动力黏度可以作为预测发动机在低温条件下能否顺利启动的重要指标。对mPAO1000和黏指剂A的低温动力性能进行了考察，试验结果见表3和图2。

从表3和图2中可见，油品的低温动力黏度（-30 ℃）随着mPAO1000加剂量的增加而呈直线急剧上升；而当黏指剂A的加剂量在5.0%～15.0%时，油品的低温黏度保持较为稳定，且远远低于100 ℃运动黏度相同且含有mPAO1000油品的低温动力黏度。这说明，与黏指剂A相比，使用mPAO1000的发动机油在低温动力性能上会具有一定的局限性。

剪切稳定性能

剪切稳定性能同样是评价黏指剂的重要指标之一，主要是因为在发动机工作过程中，发动机油中的黏指剂等大分子化合物会受到发动机零部件间的高速剪切作用而导致其结构发生不可逆的损坏，最终会降低油品的黏度以及油品对发动机的润滑保护作用。对mPAO1000和黏指剂A的剪切稳定性能进行了分析与对比，试验结果见表4。

从表4中可见，与黏指剂A相比， mPAO1000的剪切稳定性能要更好。其主要原因是，与大相对分子质量（从几万到几百万）的传统黏指剂相比，超高黏度茂金属PAO的相对分子质量（几万左右）较低，且具有规整的梳状分子结构，因此在受到高速剪切作用时，其分子的主链不易断裂，从而提升了油品的剪切稳定性。

图2 mPAO1000和黏指剂A在API III类基础油中低温性能的对比

表3 mPAO1000和黏指剂A在API III类基础油中低温性能

超高黏度茂金属PAO的应用

将mPAO1000应 用 于SN 10W-30汽油机油中，并完全替代了原配方中的黏指剂A。通过对油品理化性质的分析与比较，考察了超高黏度茂金属PAO在SN 10W-30汽油机油中的实际应用性能，详细考察结果见表5。

从表5中数据可见，在与原配方油品100 ℃运动黏度基本相同的情况下，使用mPAO1000配制的SN 10W-30汽油机油的基本理化性能完全可以满足API SN规范的指标要求。此外，从油品的高温高剪切黏度和柴油喷嘴剪切损失两个分析项目来看，使用mPAO1000的油品的性能表现均明显优于使用黏指剂A的油品，说明mPAO1000可以有效提升发动机油的剪切稳定性能。

结论

超高黏度茂金属PAO的相对分子质量分布较窄且具有规整的梳状结构，因此具有良好的剪切稳定性能。其应用于SN 10W-30汽油机油中，可以完全替代传统的HSD型黏指剂，同时可以有效提升油品的剪切稳定性能，使油品在高温和高剪切的工作环境下对发动机提供更好和更持久的润滑保护。综合来看，超高黏度茂金属PAO具有在发动机油领域中应用的可行性与相关的应用前景。

表4 mPAO1000和黏指剂A在III类基础油中的剪切稳定性能

表5 mPAO1000在SN10W-30中的应用考察