三种常见黏度指数改进剂的性能评价

王庆瑞 孟祥云 徐敏 王丽双 崔晓莹 叶锋

1 浙江丹弗中绿科技股份有限公司润滑技术中心

2 天津南大蓖麻工程科技有限公司

选择市场上常见的3种黏度指数改进剂VII A（HSD）、VII B（OCP）、VII C（PMA），对其在基础油PAO6中的稠化能力、剪切稳定性、低温动力黏度和高温高剪切黏度进行了评价，为合理选择黏度指数改进剂提供依据。

混合动力车辆上的发动机在较低油温、低转速、高负载条件下更频繁地工作运行，要求发动机油具有较高的黏度指数，以确保在低温下降低黏度以减少摩擦，从而提高燃油经济性，同时保持足够的高温黏度以保护发动机。黏度指数改进剂（VII）作为发动机油中用量较大的重要添加剂，可以显著提高油品的黏度指数，改善油品的黏温性能，提高燃油经济性，减少磨损[1]。

VII通常是油溶性高分子聚合物，种类较多，在多级发动机油中常用的3种VII是氢化苯乙烯异戊二烯共聚物（HSD）、乙烯丙烯共聚物（OCP）及聚甲基丙烯酸酯共聚物（PMA）。HSD具有较好的剪切稳定性和低温稠化能力，价格适中，适用于对低温要求较高的中高端发动机油。OCP稠化能力强、剪切稳定性好、原料丰富、价格低等优点，较适用于中低端内燃机油[2]。PMA可以很好地提高油品的黏度指数，但其价位较高，适用于对节能要求较高的高端发动机油[3]。

车辆电气化、发动机技术的革新、燃油经济性的苛刻要求及对长换油期的追求，使得人们对发动机油的性能要求也越来越高，同时对VII提出了更高的要求，具体体现在稠化能力、剪切性能、低温动力黏度及高温高剪切黏度等4个方面。虽然有人对以上性能进行了部分研究，但仍须加强对VII关键性数据的考察，例如，剪切稳定性指数（SSI）随循环剪切次数的变化；油品的低温动力黏度、高温高剪切黏度（HTHS）分别与100 ℃运动黏度的对应关系[4～6]。因PAO6具有高低温性能优异、成分较矿物油简单、对VII性能测试数据不利影响小的优点，本文以其为基础油，考察了市场上常见的3种VII（HSD、OCP、PMA各一种）的稠化能力、剪切稳定性、低温动力黏度和高温高剪切黏度，为选择合适的VII提供参考依据。

试验部分

原料及试剂

试验基础油采用某品牌PAO6，为聚α烯烃全合成基础油，100 ℃运动黏度为5.826 mm2/s。

3种常见VII分别为VII A（SV261）、VII B（T615）、VII C（VISCOPLEX 3-510），主要理化指标见表1。

表1 3种常见VII的主要理化指标

试验方法

本次试验采用的主要试验方法：

◇GB/T 265 《石油产品运动黏度测定法和动力黏度计算法》；

◇GB/T 6538 《发动机油表观黏度测定法（冷启动模拟机法）》；

◇SH/T 0103 《含聚合物油剪切安定性的测定 柴油喷嘴法》；

◇SH/T 0703 《润滑油在高温高剪切速率条件下表观黏度测定法（多重毛细管黏度计法）》。

结果与讨论

稠化能力

稠化能力是指加入VII后，油品黏度提升大小的度量。稠化能力越大，要达到相同黏度，VII的加入量就会越小。VII的类型、相对分子质量大小及分布都会对油品的稠化能力产生影响。一般相对分子质量越大，内摩擦力越大，稠化能力越强；相对分子质量分布越宽，稠化能力越弱，反之亦然[7]。

VII稠化能力的度量VA可按式（1）计算[8]：

式中：

V0-基础油100 ℃运动黏度，mm2/s；

V-含VII油品的100 ℃运动黏度，mm2/s；

C-VII的加剂量，%（质量分数）。

将3种VII分别以10%（质量分数）的加剂量（内加法）加入PAO6基础油中，测定试样的100 ℃运动黏度并计算VII的稠化能力，结果见图1。

从 图1可 以 看 出，VII A、VII B、VII C的VA值 分 别 为11.73、13.74、11.18，而VII B、VII A、VII C自身100 ℃运动黏度值分别为2 048 mm2/s、1 600 mm2/s、1 250 mm2/s，黏度依次减小，与其稠化能力趋势相符。其中，VII B的稠化能力最强，从化学结构上分析，可能与其碳原子基本在主链上有关[9]。

图1 3种VII的稠化能力对比

剪切稳定性

剪切稳定性作为VII的一项重要使用性能，对多级发动机油使用过程中的黏度保持至关重要。剪切稳定性差的VII在使用过程中黏度易于下降，对车辆磨损、机油消耗等使用性能影响很大[5]。VII的相对分子质量大小、相对分子质量分布及聚合物结构都影响剪切稳定性。一般来讲，同一类型VII的相对分子质量越大，剪切稳定性就越差[10]。剪切稳定性可采用剪切稳定性指数SSI来衡量，按式（2）计算：V0-基础油的100 ℃运动黏度，mm2/s；

VU-剪切前试样的100 ℃运动黏度，mm2/s；

VS-剪切后试样的100 ℃运动黏度，mm2/s。

将3种VII分别以10%（质量分数）的加剂量（内加法）加入PAO6基础油中调成试样，按SH/T 0103要求进行30次、60次、90次、120次的循环剪切，对剪切前和剪切后试样的100 ℃运动黏度进行测试，计算出SSI，结果见图2。

从图2可以看出，3种VII的SSI均随着循环剪切次数的增加而逐步增长，这是因为VII受到剪切，分子链断裂导致黏度下降。VII A的SSI与循环剪切次数呈线性关系，这可能与其星状聚合物分子结构有关，每次剪切后分子链断链情况基本一致。VII B和VII C的SSI随着循环剪切次数的增加上升趋势逐渐变缓，这可能与其长链状分子结构有关，长链更易断裂，每次剪切后分子链断链程度减缓。

图2 试样在不同循环剪切次数下的SSI

低温动力黏度

低温动力黏度是多级发动机油低温性能的一项重要测试指标。VII的低温增稠能力越低，低温动力黏度越小，则油品的低温启动性能越好。良好的低温启动性可使发动机油快速到达润滑部件，确保发动机正常启动[7]。不同分子结构的VII对发动机油的低温动力黏度影响不同。

将3种VII分别加入到PAO6基础油中，将试样100 ℃运动黏度调整 到6.9 mm2/s、9.3 mm2/s、12.5 mm2/s、16.3 mm2/s（误 差 范 围 为±0.1 mm2/s），具体加剂量见表2；然后测定试样－35 ℃低温动力黏度。试样在不同运动黏度值下的低温动力黏度曲线及线性回归方程见图3。

表2 3种常见VII的具体加剂量

从图3可以看出，随着100 ℃运动黏度的增加，试样－35 ℃低温动力黏度也在增加。试样100 ℃运动黏度相同时，其低温动力黏度大小为：VII A＜VII B＜VII C，说明VII A对试样-35 ℃低温动力黏度影响最小，可能是因为其在低温时能够形成胶束，且线团较小[10]。线性回归方程的R2均大于0.98，说明-35 ℃低温动力黏度与100 ℃运动黏度的线性关系非常好。

图3 试样在不同运动黏度值下的低温动力黏度曲线及线性回归方程

高温高剪切黏度（HTHS）

发动机工作时，尤其是涡轮增压器轴承部位，机油须承受高达140～160 ℃的温度和106/s高速率的剪切。若HTHS偏小，润滑油油膜强度低，将引起轴承故障。此外，有研究表明，HTHS与燃油经济性具有很好的相关性[11]。在发动机油配方研究时，一般以100 ℃运动黏度为首要目标值调整油样配比，进而评价包括HTHS在内的其他理化指标，如低温动力黏度、剪切安定性、倾点、闪点等。

测定了按照表2方案调配的100 ℃运动黏度为6.9 mm2/s、9.3 mm2/s、12.5 mm2/s、16.3 mm2/s的试样的HTHS。试样在不同运动黏度值下的HTHS曲线及线性回归方程见图4。

图4 试样在不同运动黏度值下的HTHS曲线及线性回归方程

从图4可以看出，随着100 ℃运动黏度的增加，试样的HTHS也在增加。试样100 ℃运动黏度相同时，其HTHS的大小为：VII C＞VII B＞VII A。线性回归方程的R2均大于0.98，说明HTHS与100 ℃运动黏度的线性关系非常好。

结论

☆在PAO6基础油中，本文所述3种VII的稠化能力与其自身100 ℃运动黏度值大小趋势一致。

☆通过对以PAO6为基础油调配的试样进行循环剪切，分析结果表明，VII A的SSI与循环剪切次数呈线性关系，VII B和VII C的SSI随着循环剪切次数的增加上升趋势逐渐变缓。

☆以PAO6为基础油调配的试样，其低温动力黏度与100 ℃运动黏度呈线性关系；100 ℃运动黏度相同时，VII A的低温动力黏度最小，VII C的低温动力黏度最大。

☆以PAO6为基础油调配的试样，其高温高剪切黏度与100 ℃运动黏度呈线性关系；100 ℃运动黏度相同时，VII C的高温高剪切黏度最大，VII A的高温高剪切黏度最小。