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低分子聚丁烯性能及在润滑油中的应用

通过研究发现,低分子聚丁烯可以改善润滑油的润滑性能,减少积碳形成,降低设备能耗,延长使用寿命。

前言

全球范围内28%的光亮油用于生产齿轮油,13%用于制造重负荷柴油机油,12%用于乘用车机 油,11%用于工艺油,9%用于润滑脂,8%用于船用油,7%用于液压油,12%用于其它领域。II类及III类基础油的持续发展使得I类基础油的竞争力 持续减弱。北美和欧洲的I类油产能持续缩减导致光亮油供应越来越紧张。预计到2015年全球的光亮油供给会减少10%,全球光亮油的缺口将达到150— 200万吨。1995到2005年间,全球光亮油年供应能力共损失了408800吨。目前全球每年的光亮油需求为330万吨,供给每年减少10%意味着 20年后年供给能力将损失740950吨。预计光亮油供应短缺会严重影响车辆和工业齿轮油,单级机油和船用油市场。性价比最合适的光亮油的替代产品便是低 分子聚丁烯。

一. 低分子聚丁烯的性能

通过研究发现,低分子聚丁烯可以改善润滑油的润滑性能,减少积碳形成,降低设备能耗,延长使用寿命。

一) 低分子聚丁烯的煎切安定性

应用比较广泛的低分子聚丁烯一般是指分子量为600—2400的低分子聚丁烯。按LPB30%+ 500SN 70%对大林公司不同分子量的低分子聚丁烯进行超声波煎切试验,其粘度变化见表1。

表1、几种低分子聚丁烯的超声波煎切结果
品种 PB950 PB1300 PB2400 150BS(CPCSHELL)
40℃粘度变化 % 0.85 0.91 1.2 0.8


从表1来看,低分子聚丁烯的煎切稳定性良好。在实际使用过程中,采用PB1300和PB2400稠 化的460号合成烃工业齿轮油在矿山中速磨煤机磨辊轴上运行一年,其粘度变化不明显。采用PB1300调配的80W/90GL-5齿轮油,能够完全通过台 架实验,而采用PB2400稠化的车辆齿轮油在运行一年后,其粘度有明显的变化。因此在工业齿轮油中能够使用的PB2400,在车用齿轮油中应用时应该谨 慎,至少应该控制用量。

二) 低分子聚丁烯的氧化安定性

分别将PB950,PB1300,PB2400与500SN(CPCSHELL)调和到与150BS(CPCSHELL)粘度(40℃)相当的水平,然后进行动态氧化(铜催化)试验对比,结果显示,低分子聚丁烯的加入对基础油的抗氧化性能没有不利影响。

表2、低分子聚丁烯氧化安定性试验结果
实验序号 1 2 3
A   时间/小时
    吸氧量/mL
0.50
5
1.00
50
1.50
120
B   时间/小时
    吸氧量/mL
0.50
0
1.00
15
1.50
60
C   时间/小时
    吸氧量/mL
0.50
0
1.00
20
1.50
70
D   时间/小时
    吸氧量/mL
0.50
0
1.00
25
1.50
80
E   时间/小时
    吸氧量/mL
0.50
0
1.00
20
1.50
50
 
A :500SN    B:500SN+PB950    C: 500SN+PB1300   D: 500SN+PB2400 E:150BS
 
三) 低分子聚丁烯的氧化清净性与积碳趋势
 
采用成焦板试验评价低分子聚丁烯的清净性,考察PB950,PB1300,PB2400的清净性结果见表3。
 
表3、低分子聚丁烯成焦板试验
品种
PB950
PB1300
PB2400
积碳量/mg
30
38
58
 
从以上结果看出,随着分子量的增加,低分子聚丁烯的清净性变差。低分子聚丁烯在高温下分解问自由基单体,在二冲程发动机润滑过程中可充分燃烧,排烟低,积碳轻,漆膜疏松。不采用低分子聚丁烯的二冲程油在这方面的性能较差。
 
在中性油,光亮油和合成油中,低分子聚丁烯可以减少积碳的效果是一致的。在二冲程润滑油中一般采用PB950,在空压机油及高温油品中采用PB1300。齿轮油中采用PB1300及PB2400。
 
四) 低分子聚丁烯的磨擦性能
 
将PB1300以一定的比例加入到500SN(CPCSHELL)中,测试其磨迹直径,结果见表4。
 
表4、低分子聚丁烯的磨迹实验结果
PB1300含量 %wt 
5
10
15
20
 D294N30min/mm
 0.6
 0.45
 0.4
 0.38
 
从以上结果可以看出,随着低分子聚丁烯含量的增加磨迹直径减少。采用28%PB1300时,100℃粘度为32cSt,这时D294N30min(室温)为0.35mm,粘度相当的150BS的D294N30min(室温)为0.38mm 。磨擦系数随着低分子聚丁烯的含量增加也是下降趋势。基础油中加入低分子聚丁烯可以改善摩擦性能,起到光亮油的作用。
 
对PB950,PB1300,PB2400以20%的量加入到500SN(CPCSHELL)中测试其磨迹直径,结果如表5。
 
表5 、不同分子量低分子聚丁烯磨迹实验结果
分子量
950
1300
2400
 D294N30min/mm
 0.41
 0.38
 0.35
 
从以上结果可见,随着低分子聚丁烯的分子量的增大,磨迹下降,这是由于油品粘度差异而导致油膜厚度不同造成的。
 
二. 低分子聚丁烯在润滑油中的应用
 
一)在四冲程发动机油中的应用
 
在较早的四冲程内燃机油配方中,低分子聚丁烯被考虑用作增粘剂。但因为它的低温性能较差,这主要局限在单级油及对低温性能要求不高的多级油(如15W/40,20W/50等)中。随着III类基础油的发展,高粘度基础油(如150BS)的供应将越来越紧张,作为150BS最经济实用的替代品,聚丁烯将被重新评估其在内燃机油中的作用。从经济性及性能考虑,一般推荐如下:
  • 单级油:较低粘度基础油+PB2400;
  • 20W/50:较低粘度基础油+PB2400;
  • 15W/40:较低粘度基础油+OCP+PB2400;
这里,PB2400不仅是粘度指数改进剂,还能够有效增加产品的油膜强度。在15W/40的油品配方中,采用PB2400可以减少OCP的用量,改善油品的煎切稳定性。对于低温性能要求更苛刻的10W多级油品,不推荐采用低分子聚丁烯。
 
二)在二冲程发动机油中的应用
 
二冲程发动机润滑方式独特,需要广泛采用低分子聚丁烯配方,以保护环境及机车本身。一般在配方中采用分子量950左右的低分子聚丁烯。
 
三)在工业齿轮油中的应用
 
综合性价比来看,一般推荐采用PB2400用于工业齿轮油中。采用500SN添加不同比例的PB2400,可以调配ISO 150到ISO 1000各个粘度级别的工业齿轮油,可以避免采用昂贵的150BS基础油,从而降低整个配方的成本。
 
四)在车用齿轮油中的应用
 
由于车用齿轮油比工业齿轮油具有更苛刻的煎切稳定性的要求,推荐用PB1300完全替代150BS光亮油,从而满足油品对煎切稳定性的要求。但是,如果要采用PB2400,建议适当比例的150BS,降低PB2400的用量(最好控制在5%以内),以满足煎切稳定性的要求。
 
五)在高温链条油中的应用
 
采用PB1300和酯类油,烷基二苯醚,PAO油品调整到适宜的粘度,并加入TCP,DW7007等添加剂可以调配出不同类型的高温链条油。
 
六)在空压机油中的应用
 
采用低分子聚丁烯和PAO及酯类油(5%--15%)在配合适宜的添加剂复合物调配而成的合成空压机油,清净性能好,不产生积碳,使用寿命可以达到8000h。
 
七)在金属加工油中的应用
 
低分子聚丁烯在金属加工中应用广泛。如,PB2400和PB1300可以用于淬火油中起到催冷剂及光亮剂的作用。PB2400用于切削油中还可以降低烟雾。在有色金属拉拔中采用低分子聚丁烯可以减少沉积物从而免去后续的清洗工艺。
 
八)在润滑脂中的应用
 
在润滑脂中采用低分子聚丁烯(PB1300,PB2400)可以改善油品的粘附性能,如矿山的球蘑机大齿轮润滑脂。
 
总之,低分子聚丁烯具有良好的煎切稳定性、适宜的氧化安定性及优良的高温清净性;能够牢固的吸附在金属表面,降低摩擦系数,改善极端条件下的润滑,并保护金 属表面,防止腐蚀。低分子聚丁烯能够提高油膜厚度及油膜强度,吸收冲击载荷,降低齿轮噪音,减振效果明显。由于黏附性良好,可以防止启动时缺油,消除粘滑 现象。低分子聚丁烯是光亮油的理想替代产品。
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