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汽车发动机油的添加剂配方
2015-01-08 09:29:12  lubesngreases  Lube Report  浏览次数:

摘要:在机油的发展过程中,添加剂的配方也不断突破。

润滑油的成分是基础油和添加剂,油品公司从炼油厂购买基础油,然后加入一些添加剂,制成最终的成品润滑油。为了满足各种机械在不同使用条件下的润滑要求,现在的润滑油里通常含有多种添加剂。有的油里仅含有防锈剂,但是大多数润滑油都含有多种添加剂,例如汽车发动机的润滑油(机油)。
总的来说,添加剂在润滑油里起三种作用:保护基础油、改善基础油的性能、对摩擦面起到保护作用。不同的添加剂起到不同的作用,有的添加剂则具有多种功能,这些添加剂综合使用,既要改善润滑油的总体性能,也要保持化学平衡,因此不是多多益善,不同添加剂的用量都有个适当值。
在机油的发展过程中,添加剂的配方也不断突破。例如,上个世纪50年代,Pennzoil Z-7是比较经典的机油配方,Z-7是缩写,代表机油里的7种添加剂配方:1)降凝剂;2)抗氧化剂;3)抗磨剂;4)防锈防腐蚀剂;5)清净/分散剂;6)减磨剂;7)抗泡剂。
当机油技术发展到今天,上面的7种添加剂也还在使用,但是现在的机油添加剂成分更复杂,另外,同种添加剂的产品技术也实现了更新换代。由于发动机的运转工况更苛刻、环保部门也对汽车提出了节油要求,因此现在的机油在节能和抗氧化性能方面比旧配方更好。为了帮助我们了解现在的机油配方,我们来看看ILSAC GF-5机油的添加剂典型配方,ILSAC GF-5是目前最新的机油质量规格。
1.黏度指数改进剂(Viscosity Index Improvers
黏度指数改进剂的作用就是提高机油的黏度指数。黏度指数越高的润滑油,在温度变化中黏度可以保持相对稳定,黏度指数越低,则油的黏度比较容易受到温度影响。
黏度指数改进剂是油溶性的链状高分子聚合物,这类聚合物在油里的溶解度对温度变化比较敏感,在低温时,聚合物在油里的溶解度较小,分子链较小。温度升高时,溶解度增大,分子链舒展开来,使油内部的分子摩擦增大,变得粘稠,油的黏度增加——如果没有黏度指数改进剂,正常情况下温度增加,油液的黏度就会降低。而加入了粘度指数改进剂后,低温下机油黏度不增加,可以保持良好流动性。高温下粘度指数改进剂起到增黏的作用,保持机油粘度的稳定,因此有些人又把黏度指数改进剂称为增黏剂。
剪切稳定性是黏度指数改进剂的一项重要指标,由于黏度指数改进剂在发动机运转中会受到机械碾压和剪切,尤其在高剪切率的情况下,黏度指数改进剂的分子链可能被剪断,影响增黏的效果,导致机油的黏度暂时或者永久降低。
为了满足机油的节能要求,一些最新的机油使用低黏度基础油来生产机油,例如SAE 0W-20,未来还可能有更低黏度的机油,这就对黏度指数改进剂提出了新的要求。
2.降凝剂(Pour Point Depressants
倾点(pour point),是指在一定条件下润滑油在低温冷却下能够流动的最低温度,如果您的车子在寒冷地区使用,那么就要求机油的倾点要低。现在使用的润滑油大多数是矿物油,在低温下会产生白色的石蜡结晶,机油里的石蜡析出后结块,使机油流动受阻,影响机油的低温性能。降凝剂是一种具有长链分子结构的添加剂,有效地细化石蜡晶体,起到降低倾点的作用。
API I类基础油采用溶剂脱蜡,温度一般最低能达到-20℃,API II类和API III类油采用加氢裂化技术进行催化脱蜡。虽然都是矿物油,但是脱蜡技术的差异导致这些基础油在使用降凝剂时也有区别。
采用溶剂脱蜡的基础油残留的石蜡结构比较多样,因此使用的降凝剂要能适应不同的石蜡结构。而加氢催化脱蜡的基础油,残留的石蜡结构比较有特点,根据工艺的差别、黏度不同,残留的石蜡结构比较有规律。因此,这类基础油要选择残留的石蜡结构来选择适合的降凝剂。由于残留的石蜡结构和残留量不同,低粘度油和高粘度油在选用降凝剂时有明显差别,降凝剂厂家一般也了解哪种降凝剂适合于哪种基础油。
3.分散剂(Dispersants
有些地方把机油的添加剂配方称为DI型配方(DI packages),其中的DI指的就是分散剂,因为从数量上看,分散剂是机油里用量很大的一种添加剂,占添加剂总用量的比例最多可达50%左右。分散剂的作用是防止机油里的杂质积聚成团,防止杂质引起油泥、积碳、漆膜和机油氧化问题。
4.清净剂(Detergents
机油配方中第二大添加剂就是清净剂,清净剂是在金属表面起作用,在金属表面形成一层保护膜,防止金属表面形成积碳或者沉淀物。清净剂最早是在第二次世界大战中使用,后来推广到汽车发动机机油。
从化学成分上来说,清净剂大多属于烷基磺酸盐、烷基酚盐、烷基水杨酸盐,通过与某种金属氧化物进行碱化制成清净剂,例如氧化镁、氧化钙,这种方法制备出的是低碱值的清净剂。还有一种方法是先与过量的金属氧化物进行中和反应,然后用二氧化碳反应处理然后制备出超高碱值的清净剂。
低碱值的清净剂一般是烷基磺酸盐,这类清净剂形成类似皂类的结构,能有效地防止发动机金属部件表面积累沉淀物和积碳,防止污染物在活塞表面和环形槽中的沉积。
高碱值的清净剂除了有防止沉积物和积碳形成,还能中和燃烧过程中产生的酸性物质。如果使用的燃油含硫量高,那么这一点很重要,因为燃油里含有的硫在燃烧过程中会形成氧化硫气体,如果接触水分,会形成硫酸,对金属有腐蚀作用,机油里的碱性物质能对这些有害的酸进行中和。
选择哪种类型的清净分散剂,取决于机油厂家想达到的配方效果。有时候需要把低碱值清净剂和高碱值清净剂结合起来使用,可以获得更好的发动机检测结果和实际使用效果。
5.抗磨剂(Anti-Wear Agents
抗磨剂也是机油添加剂里的一种主要添加剂,在润滑油的发展历程上,ZDDP(二烷基二硫代磷酸锌)是一种重要的抗磨剂,也用作机油里的抗磨剂。ZDDP是一种兼具抗磨、抗氧化、防腐蚀作用的有灰型多效添加剂。
1944年,优尼科公司的 Herbert Freuler首次取得了ZDDP的专利,后来的60多年里ZDDP都获得了广泛使用。这种添加剂里含有硫、磷化合物,会与金属表面起反应,生成一层薄膜,具有抗磨、防止金属烧结的作用。
ZDDP本身具有抗氧化和防金属腐蚀作用,当ZDDP可以和无灰型抗氧化剂一起使用,能产生相互促进的效果,起到良好的抗氧化作用。ZDDP能适用于许多金属,铜、铅、铝金属都能适用。
ZDDP也有缺点,里面含有的硫磷化合物成分如果进入尾气系统,会尾气净化系统的三元催化器造成危害,在三元催化器上生成一层玻璃状薄膜。基于这个原因,现在开始使用其它抗磨剂,例如含钼的抗磨剂。另外一种方法是使用磷化物挥发度较低的抗磨剂。
另一种抗磨剂是二烷基二硫代氨基甲酸盐,这类抗磨剂不含磷,具有良好的抗磨、抗氧化和防金属腐蚀作用,锌、钼、锑可以用于制备这类抗磨化合物。
6.抗氧化剂(Antioxidants
氧化是润滑油变质的主要原因,润滑油的抗氧化性能主要和基础油质量有关,另外还和抗氧化剂有关。抗氧化剂通常是苯酚和苯胺的衍生物。
抗氧化剂的作用机理是:干扰润滑油的氧化过程,润滑油的氧化过程会产生自由基。自由基化学性质很活泼,具有强氧化性,可损害基础油的分子结构。抗氧化剂能干扰自由基的形成,对基础油起到保护作用,延缓基础油的老化过程。前面提到ZDDP也具有抗氧化作用,ZDDP的抗氧化机理又有所不同,ZDDP是通过分解氧化过程中的过氧化物来达到抗氧化作用。
7.摩擦改进剂(Friction Modifier
摩擦改进剂的使用主要和机油的节能性能有关,虽然摩擦改进剂的用量不大,但也对机油的性能起到重要作用。摩擦改进剂是一些表面活性剂,可以降低金属摩擦面之间的摩擦系数,起到降低摩擦阻力,提高发动机的运转效率。
8.抗泡剂(Antifoam Agents
抗泡剂在机油里的用量虽然不多,含量通常只有百万分之几的量级,但是所起的作用很关键。抗泡剂能够改变机油的界面张力,如果机油里进入了气泡,那么气泡更容易从油里排出。润滑油的抗泡性非常重要,机油里的气泡有这些危害:加速润滑油氧化、有气泡的部位润滑油在金属表面就不能形成完整的润滑油膜,引起金属之间的干摩擦。
机油抗泡剂的发展已经有70多年的历史,作为一种添加剂,抗泡剂肯定还会在未来的机油里继续存在下去,当然技术会继续发展,性能更好的抗泡剂会继续出现。
目前常见的机油添加剂:
下面的表格给出了常见添加剂的种类,以及目前用在机油里的各类添加剂的常见品种:
添加剂
主要的种类
分散剂
· 烷基琥珀酰亚胺(alkyl succinimides)
· 烷基琥珀酸盐(alkyl succinates)
· 烷基苯酚胺(alkyl phenol amines)
清净剂
· 烷基磺酸盐(alkyl metallic sulfonates)
· 烷基酚盐(alkyl metallic phenates)
· 烷基水杨酸盐(alkyl metallic salicylates)
抗磨剂(AW)
· 金属有机二硫代磷酸盐(metallic organo dithiophosphates)
· 有机硫化物(sulfurized organics)
抗氧化剂
· 烷基酚(alkyl phenols)
· 烷基胺(alkyl amines)
· 金属有机二硫代磷酸盐(metallic organo dithiophosphates)
防锈防腐蚀剂
· 金属有机二硫代磷酸盐(metallic organo dithiophosphates)
· 烷基磺酸盐(alkyl metallic sulfonates)
抗泡剂/消泡剂
· 硅油(silicones)
· 聚丙烯酸酯(polymer acrylates)
摩擦改进剂
· 有机硫化物(sulfurized organics)
· 特定金属的硫化和多硫化有机共聚物盐(specific metallic salts of sulfurized and polysulfurized organics)
降凝剂
· 聚甲基丙烯酸酯(poly methacrylates)
· 萘的衍生物(naphthalene derivatives)
黏度指数改进剂
· 聚甲基丙烯酸酯(poly methacrylates)
· 乙烯-丙烯共聚物(ethylene-propylene copolymers)
极压剂(EP)
· 含硫油性剂(sulfurized fats and oils)
· 有机磷化合物(organo-phosphorous compounds)
注:本文原载于2011年11月的Lubes’n’Greases11期17卷,原标题为《润滑油的成分》“Building Blocks for Lubes.”
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