[国内外加氢异构化基础油性质差异研究] 加氢基础油

　　摘要：润滑油基础油中烃类结构极其复杂，对各项主要性能的影响往往是多重性的。文章对国内外加氢异构化基础油的主要理化性质进行了分析，考察了其粘度指数、蒸发损失、氧化安定性、倾点等性能的差异。并基于色谱模拟蒸馏和质谱化学族组成对其内在性质进行了实验研究，发现该国外加氢油在内在质量上的优势体现在：馏程窄且轻重组分分布均匀，化学族组成中链烷烃含量高。并进一步对上述理化性质和内在质量的关联性给予分析。此外还对其在内燃机油、工业用油中的性能差异进行了评价。��
　　关键词：粘度指数；蒸发损失；模拟蒸馏；化学族组成
　　中图分类号：TE624.43，TE626.3 文献标识码：A��
　　
　　0 前言�
　　
　　现代润滑油的许多使用特性是由不同配方的添加剂赋予的，而基本的、共同的一些性能则是由基础油提供的，诸如粘温性能、挥发性、热安定性、氧化安定性、色度、流动性以及对添加剂的感受性等。这些基本性能是与基础油的烃类组成相关联的。润滑油基础油中的烷烃、环烷烃和芳烃，它们在密度、凝点、粘度、粘度指数、沸点（同粘度下）、挥发性等方面表现着不同的倾向，提供着不同的贡献［1-2］。�
　　基础油组成和性能的基础理论研究已日益受到重视，但相关研究工作仍然不够充分。关于基础油组成与氧化安定性、添加剂感受性的研究工作多集中在加氢异构和溶剂精制基础油之间的对比［3-4］。目前基于模拟蒸馏和化学族组成对不同加氢异构基础油内在质量差异的研究报道尚不多见。随着Ⅱ、Ⅲ类基础油的使用逐渐广泛，研究国内外加氢基础油的性质差异显得尤为重要。�
　　在研制内燃机油配方时发现，国外加氢基础油在平衡高低温粘度、蒸发损失、剪切稳定性、高温高剪切粘度等方面较国内加氢基础油更具优势。这种性质上的优势必然能够反应在内在质量的差异上。研究国内外加氢基础油的性质差异，对配方研制中基础油的选择和平衡以及基础油生产工艺上的控制和改进都具有重大意义。�
　　
　　1 实验原料和方法�
　　
　　1.1 实验原料�
　　由于国内外加氢基础油的牌号分级存在差异，试验原料选择国内2#和5#加氢基础油各两批、国外4#和6#加氢基础油各两批，共8个样品。�
　　1.2 馏程与组成分析方法�
　　基础油模拟蒸馏分析方法采用ASTM D2887，仪器为GC6890（配有7683B自动进样器），使用Agilent DB-2887毛细柱。�
　　化学族组成测定利用四极杆GC/MS等效采用ASTM D2786和D3239测定基础油的烃类组成。仪器为Agilent 6890GC/5973MS,操作条件：进样量0.1 μL，分流比150∶1，色谱柱30 m×0.25 mm空毛细管柱，电离方式EI，电离电压70 eV。�
　　
　　2 实验结果与讨论�
　　
　　2.1 加氢基础油主要理化分析结果与讨论�
　　主要理化项目分析结果如表1所示。�
　　2.1.1 粘度指数�
　　
　　从表1可见，该国外加氢基础油的粘度指数在125～136之间，而国内的粘度指数在101～130之间。可见国外基础油在粘温性能上比国内基础油更具优势。�
　　内燃机油配方研制中可以通过在基础油中加入粘度指数改进剂（OCP等）来平衡高、低温粘度。但是粘度指数改进剂在改善油品粘温性能的同时，增加了油品的低温动力粘度，使低温性能变差。同时相关实验表明，它对油品的其他性能也造成一定的影响，如高温清净性变差等。在满足油品高低温流[CM（81.4mm]变性的要求下，应尽量减少OCP的用量，既可降低成本，又可提高油品综合性能。而且粘度指数改进剂用量的减少有利于调制的多级油具有较好的抗机械剪切性能［5］。�
　　2.1.2 蒸发损失�
　　从表1可见，国外6#基础油的蒸发损失为�9.55%、7.64%，国内5#的蒸发损失为12.33%、�10.17%。国外6#基础油的蒸发损失相对较小，但是国外6#基础油的粘度也略大，所以对它们的挥发性不能简单地下结论。�
　　2.1.3 氧化安定性�
　　从表1可见，对加入0.8%的T501的油样进行氧化安定性测试（150 ℃），国内外加氢基础油的氧化安定性都比较优秀，均在250 min以上，甚至可以达到411 min。�
　　2.1.4 倾点�
　　从表1可见，国内加氢基础油的倾点在-21～-34 ℃之间，国外加氢基础油的倾点在-11～-23 ℃之间。因此，国内加氢基础油与国外加氢基础油相比具有更低的倾点。�
　　2.2 加氢基础油模拟蒸馏分析结果与讨论�
　　就分离工程而言，所谓润滑油料的窄馏分分割，是为获取沸点范围较窄的馏分润滑油料，对分馏精确度要求较高的分离过程。石油混合物分馏精确度是由所得馏分的组分纯度、馏程宽窄度以及被分离馏分对潜含量的拔出率来表征的。�
　　节能型内燃机油要求在使用过程的高温环境下不易挥发变稠，因此对所用基础油的挥发损失有一定要求。当一定粘度的轻润滑油料的馏程在某一范围内，方能获得挥发合格的基础油。�
　　应用气相色谱法ASTM D2887测定基础油的模拟馏程。对应的色谱图，从馏出时间可以直观地反应出基础油馏分的轻重；从起始、终了时间可以直观地反应馏程的宽窄；从谱图的对称性可以直观地反应馏分中轻重组分的分配。�
　　由图1可见，国外4#基础油与国内5#基础油相比组分相对要轻；馏程相对要窄；图形相对要对称。国外加氢基础油馏分轻重组分的分布比国内加氢基础油的更均匀。�
　　对相同粘度等级的基础油来说，馏程相对窄的蒸发损失要小；轻重组分分布均匀的蒸发损失要小。�
　　国外加氢基础油的馏程特点是，馏程范围更窄以及轻重组分分布均匀。这样的馏程特点有助于蒸发损失的降低。�
　　
　　2.3 加氢基础油化学族组成的分析结果与讨论�
　　润滑油加氢处理的主要作用是用来改善润滑油基础油的粘温性能。即采用化学转化过程，在催化剂及氢的作用下，通过选择性加氢裂化反应，将非理想组分转化为理想组分，以提高基础油的粘度指数。期望发生的反应包括：稠环芳烃加氢生成稠环环烷烃的反应；稠环环烷烃部分加氢开环，生成带长侧链的单环环烷烃或单环芳烃的反应；正构烷烃或分支程度低的异构烷烃临氢异构化成为分支程度高的异构烷烃的反应［6］。�
　　将所选加氢异构化基础油的族组成分析结果列于表2。由表2可见，国内外加氢基础油都不含有芳烃（相对链烷烃和环烷烃的含量可忽略不计），仅由链烷烃和环烷烃构成。国外加氢基础油的链烷烃含量比国内的高，环烷烃含量比国内的低。相同碳数烷烃的粘度指数比环烷烃的要高，粘温性能好。所以，组成特点决定了国外加氢基础油的粘度指数比国内的基础油的粘度指数要高，粘温性能要好。�
　　而在环烷烃的环数分布上可见，一环环烷烃含量所选国内外加氢基础油相仿，但从二环到六环环烷烃的含量，国外加氢基础油的都相对国内的小。也就是说它的环烷烃大部分是由一环和二环环烷烃构成，稠环环烷烃的含量很低。可见，该国外加氢基础油的稠环环烷烃在加氢工艺中很好地加氢开环。也即该国外加氢基础油的组成主要有：半数以上的链烷烃以及带烷基侧链的单环环烷烃和二环环烷烃构成。
　　因此，该国外加氢基础油在化学族组成上的特点表现在：链烷烃含量相对更高，环烷烃含量相对更低，且大部分环烷烃组分集中在单环和二环环烷烃。�
　　因为烃类本身性质差异具有这样的一般规律：相同碳数下的粘度指数，烷烃>具有烷烃侧链的单环烷烃>具有烷烃侧链的双环烷烃；同等粘度下的蒸发损失，环烷烃>烷烃；相同碳数下的倾点，正构烷烃>异构烷烃>环烷烃。可见，基础油中的烃类对各项主要性能的影响往往是多重的，甚至是相互矛盾的。所以该国外基础油的组成特点在有助于得到较高的粘度指数和较小的蒸发损失的同时，在倾点的指标上有所牺牲。�
　　2.4 国内5#加氢基础油切割所得4#样品和国外4#加氢基础油的性质比较�
　　利用小型减压蒸馏装置从国内5#加氢基础油中切割出4#基础油样品,以进一步在相近粘度下研究族组成、馏程等内在质量对基础油的蒸发损失、低温动力粘度等性质的影响。国内4#样品和国外4#加氢基础油的性质分析对比列于表3。�
　　2.4.1 蒸发损失�
　　从表3可见，切割4#样品和国外4#基础油的蒸发损失分别为21.07%和17.95%；环烷烃含量分别为49.1%和37.7%。族组成上环烷烃含量高，同等粘度下环烷烃比链烷烃更易挥发，这与相同粘度下切割4#样品蒸发损失更大是吻合的。�
　　2.4.2 低温动力粘度�
　　0W/30、5W/30级别的内燃机油对基础油的低温性能提出了很高的要求，一般调制SAE 0W/30油要求基础油的-30 ℃低温动力粘度≯1500 mPa•s；调制SAE 5W/30油要求基础油的-25 ℃低温动力粘度≯1500 mPa•s。�
　　由表3可见，国内5#基础油-30 ℃低温动力粘度为3460 mPa•s,无法满足调制SAE 0W/30油的要求。而切割4#样品和国外4#基础油-30 ℃低温动力粘度分别为1370 mPa•s和1270 mPa•s，均满足调制SAE 0W/30油的要求,国外4#基础油的低温动力粘度略小。�
　　
　　研究中发现，该国外基础油的倾点较高，但是低温动力粘度却相对略小。分析认为基础油轻重组分均匀，馏程和分子量分布相对窄，则低温下蜡晶形成的空间网状结构易于破碎，有助于低温动力粘度的降低；而分布不均匀，相同粘度下必然导致馏程增宽，分子量分布增宽，大分子烷烃的存在使得蜡晶形成的空间网状结构更牢固，对低温动力粘度的降低不利。��
　　
　　3 所选国内外加氢基础油在内燃机油和工业用油中应用性能评价�
　　
　　3.1 加氢基础油在内燃机油中部分应用性能评价�
　　选择同一复合剂，[JP2]选用国内5#加氢基础油、国外4#加氢基础油调制SAE 5W/40等级内燃机油，对100 ℃运动粘度和-30 ℃低温动力粘度的评价如表4。�
　　SAE 5W/40等级内燃机油对-30 ℃的低温动力粘度�CCS�的要求是≯6600 mPa•s，可见上述配比只有该国外加氢基础油能调制合格的SAE 5W/40等级内燃机油。该国外4#加氢基础油比国内5#加氢基础油在平衡高低温粘度上更具优势。�
　　3.2 加氢基础油在工业用油中部分应用性能评价�
　　工业用油添加剂加量小，且有些性能靠添加剂是不能解决的，即使能够暂时解决也不同程度地影响其使用性能，如：抗乳化度、抗泡和空气释放值等性能，因此工业用油在某种程度上更依赖基础油的性质。选择同一复合剂，利用国内5#和国外6#加氢基础油调制粘度等级32的液压油，进行实验室模拟评价。调油方案见表5，模拟评价结果见表6。�
　　由表6可见，所选国内外加氢基础油在利用RHY 5014调制32粘度等级的液压油时，均能很好地满足各项技术要求，国外加氢基础油的表现稍好。��
　　
　　4 结论�
　　
　　（1）就粘度指数而言，所选国外加氢基础油比国内加氢基础油表现得好；就氧化安定性而言，该国外加氢基础油和国内加氢基础油都表现优异；就倾点而言，国内加氢基础油比国外加氢基础油表现得好。�
　　（2）从模拟馏程上看，该国外加氢基础油的馏程更窄，轻重组分的分布更均匀。这样的馏程特点有助于蒸发损失的降低。�
　　
　　（3）从化学族组成上看，该国内外加氢基础油均由链烷烃和环烷烃两部分构成。比较而言，国外基础油的链烷烃含量高；环烷烃含量低，且大部分组分集中在一环、二环环烷烃。国外基础油的组成特点有助于得到较高的粘度指数和较小的蒸发损失，但同时在倾点指标上有所牺牲。�
　　（4）切割的4#基础油和国外4#加氢基础油均满足调制SAE 0W/30油的要求,国外4#加氢基础油的低温动力粘度略小。在调制SAE 5W/40等级内燃机油时，该国外4#加氢基础油比国内5#加氢基础油在平衡高低温粘度上更具优势。所选国内外加氢基础油在利用RHY 5014调制32粘度等级的液压油时，均能很好地满足各项技术要求，国外加氢基础油的表现稍好。�
　　建议通过改进生产工艺适当生产100 ℃粘度在4 mm2/s上下的国内4#基础油以生产5W和0W的多级油；在综合平衡燃料油、基础油及副产物收率的前提下，尽可能适度引入加氢裂化工序，降低加氢基础油中环烷烃含量，增加链烷烃含量。
　　
　　参考文献：�
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　　［4］ 夏青虹，武志强.基础油组成对油品清净的研究［J］.润滑与密封，2005(2):50-54.�
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