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市场的新焦点:合成油和环烷基油

在过去的一个世纪,石蜡油因为低成本,可用性强的特性一直被用作润滑油的主要基础油。API类油,以及二十世纪七十年代、九十年代分别出现的APIⅡ类油、Ⅲ类油的特性规定帮助许多交通运输和工业应用设备确定了润滑油的属性规范。虽然这些规范不是正式的定义,但进一步划分了石蜡的等级范围,比如Ⅱ类+和Ⅲ类+油。


不过,组成成分、粘度指数和蜡状分子限制了润滑油的性能。在技术不断发展、强调能源效率优先的时代,石蜡基础油还会流行多久呢?


PAO第四类基础油(Polyalphaolefins)是一种具有侧链和梳状结构的碳氢化合物,在严格控制的条件下,由特定的原料反应合成。PAO化学性质明确,不含硫,具有不饱和碳-碳键还含有石蜡油中的蜡。这些化学成分在高温和遇水时具备稳定性,在低温下流动性好,使得它们的高成本和添加剂的有限溶解度可以忽略不计。PAOs是否会继续被限制在低容量、高技术要求的利基市场?


那么环烷烃矿物油呢?与石蜡不同,环烷基油从精制环烷原油中提取,环烷原油含有含有大量的饱和环状碳链结构,是环烷基油的主要成分。尽管环烷基油具有低温流动性和溶解添加剂的性能,但它的低粘度会限制润滑油配方。这种情况会持续下去,还是说有新的机会等着环烷基油?


5月,在田纳西州纳什维尔举行了摩擦学家和润滑工程师协会年度会议,会议介绍了PAOs、石蜡基油和环烷基油的配方以及测试的进展。这些发展对于润滑油生产者和终端用户来说意味着什么?


高性能低成本


南非比勒陀利亚大学的Sipho R.Masilela和Philip L.de Vaal对比了Ⅰ类油,Ⅲ类+油和PAO基础油。Ⅲ类+是行业里普遍接受的术语,指的是APIⅢ类基础油,具有特别高的粘度指数,通常为130或更高。


“最商业化的基础油是Ⅰ类溶剂精制的矿物油,”Masilela说。“Ⅰ类石蜡基础油最便宜,具备良好的挥发性、氧化安定性、低温润滑性和添加剂溶解性。”不过,他指出当油在较高温度下蒸发变浓稠时,油的低粘度指数会导致摩擦增加。跟Ⅰ类油相比,因为其高粘度指数PAO第Ⅳ类基础油在广泛温度范围内具备出色的润滑性,高热氧化安定性和低挥发性。但是,它对极性添加剂的溶解程度有限,和石蜡相比也非常昂贵。“Ⅲ类+基础油的物理特性介于Ⅲ类石蜡油和PAO之间,”他继续补充道。这些油具有长而复杂的分子结构,含有20到30个甚至更多的碳原子,带有少量的环状石蜡,饱和度超过90%。硫含量非常低(等于或低于重量的0.03%),取决于粘度等级,倾点在零下30摄氏度左右,粘度指数高,对极性添加剂有良好的溶解性并且能够提高氧化安定性。


能不能制出接近Ⅰ类油的价格同时具备PAO那样润滑性能的Ⅲ类+基础油呢?在南非国家研究基金会和沙索研究与技术公司共同资助的一项研究中,Masilela和de Vaal测试了几乎相同粘度的油(100℃时粘度在4厘司和5厘司之间)。但是,由于它们的化学组成和粘度指数不同,油对温度的响应差别很大,范围从103℃(Ⅰ类基础油),125℃(PAO)到131℃(Ⅲ类+基础油)不等。Masilela还指出,“压力像温度一样,会影响基础油的粘度。”在恒温下施加压力压缩基础油会使其粘度增加。这是因为分子之间的空间减小,产生了对进一步压缩的抵抗力,有助于增加摩擦,特别适用于弹性流体动力学和混合润滑油。Masilela解释说,为了选择最有效的低摩擦基础油,配方师需要知道关注温度下的流体压力和粘度特性。


Masilela和de Vaal使用SRV试验机在40到120℃之间的温度下测量了振动滑动条件下的摩擦系数。混合润滑是主导方式,其中油膜厚度介于全膜润滑和边界润滑之间,两种材料有明显的接触。“在这项研究中,可以从基础油配制出包括轴承,齿轮和机油等不同类型的润滑油,粘度等级通常为SAE 5W-30,SAE 10W-30和SAE 10W-40,”de Vaal表示,“这项研究的重点是在接触点进行滚珠轴承润滑。润滑球轴承的典型应用是在汽车起动电机和传动轴上。”

Masilela说:结果表明,与Ⅰ类基础油和PAO相比,Ⅲ类+基础油在保持较高的摩擦稳定性、温度稳定性和减摩性的同时,在所有实验温度下都表现出更强的抗剪切应力能力。随着温度的升高,它还表现出与PAO基础油相似的磨损机理。


“我们很惊讶,在这些苛刻的实验条件下,Ⅲ类+基础油与PAO在混合状态下竞争非常激烈,并且在100和120摄氏度时表现出更好的减摩效果,”Masilela说。“根据实验结果,Ⅲ类+基础油是PAO在混合润滑领域有力的竞争者。”


PAOs的倔强


Paul Norris是英国雅富顿(Afton)化学app下载千赢手机app下载的高级研发科学家,他在工业齿轮箱效率的演讲中分析比较了齿轮油。Norris说:“齿轮箱根据他们的类型、设计、制造商,以及操作条件和应用,能产生极大的生产效率。即使是能效方面微小的改进也会产生实质性的累积效应。”


Norris和他的同事使用微型牵引机(Mini-Traction Machine/MTM)和FZG齿轮点蚀测试(FZG gear pitting tests)来评估准双曲面齿轮润滑配方的实验设计。以APIⅠ类基础油和PAO基础油为基础,他们对比了不同聚合物增稠剂和各种添加剂的配方,所有的配方均在粘度35里司(100℃)下准备。“总的来说,不管是MTM还是FZG测试,我们都看到PAO在流体动力润滑状态下的摩擦力远低于Ⅰ类基础油,”Norris解释道。流体动力润滑是齿轮传动的典型形式。“我们认为这是由于合成油的压力粘度系数比较低的原因。”


“我们还注意到,在速度足够快的FZG测试中,基础油之间的差异消失了。这表明,随着转速的增加,搅拌损失将占主导地位。搅拌损失是齿轮在润滑油中运动时的能量损失,受油位、粘度和转速的影响。”关于摩擦改进剂和增稠剂对PAO配方的影响,Norris补充道:“和基础油的差异一样,增稠剂的选择也会因压力、粘度系数的不同而影响流体动力摩擦系数。这对矿物和合成基础油的影响是相同的。”


“对于工业齿轮油来说,OEM领域正在发展,有一些规范,比如对离合器测试高摩擦的要求,可能会对我们生产更高效的润滑油配方产生影响。”但是,“考虑到在流体动力润滑状态下可以获得更高的效率增益,而离合器摩擦被边界层状态中的加性效应控制,两者不必相互排斥。PAO仍然可以通过符合离合器测试要求的添加剂系统提供所需的效率,“Norris总结道。



环烷基油的新角色


Thomas Norrby是Nynas AB公司的技术经理,他介绍了基于环烷烃的齿轮油的新配方指南和实验结果。Norrby指出,工业齿轮油市场总量估计每年超过100万吨,约占全球润滑油市场总量的3%。在工业齿轮油中,应用最广泛的是ISO VG 220,其次是VG 150和VG 320。更重的VG 1000和1500级用于牵引线、牵引卡车和其他重型机械设备。


传统的工业齿轮油在150到480粘度等级范围内,通常由APIⅠ类石蜡基光亮油和SN 500/600石蜡基中性油混合而成。他表示,可以使用粘度指数改进剂或粘度调节剂如聚异丁烯来提高粘度,例如VG 680,1,000和1,500,它们高于光亮油的粘度,可以在40℃时达到500里司左右。ISO 12925-1和DIN 51517-3等工业齿轮油标准要求最低粘度指数为85或90。环烷烃在溶解能力和低温性能方面具有优势,但没有这些标准要求具备的粘度指数。


因此,Norrby将商业环烷烃与粘度改良剂、粘度调节剂和高粘度基础液混合,配制模型齿轮油,同时满足40摄氏度时的运动粘度以及ISO VG 150,220,320,460,680,1,000和1,500齿轮油的要求。


关键要解决的难题是同时满足粘度和全配方油的粘度指数指标。Norrby发现,一些粘度改良剂和粘度调节剂,其中包括两种烯烃共聚物和聚异丁烯,能更快地增加粘度,或在润滑油滑出粘度等级限制前不能充分提高粘度指数。


不过,他确实发现了五种粘度指数改良剂在不同的组合以及处理速率下,能有效生产出特定的粘度,它们分别是油溶性聚亚烷基二醇,聚甲基丙烯酸烷基酯,生物基复合酯,一种乙烯-丙烯共聚物和能效聚醚基础油料。“特别是对于较高粘度等级(680,1,000和1,500)的润滑油来说,这些新型流体候选物展示了用于工业润滑油高粘度基础液的新途径,”Norrby总结道。