润滑油粘度调节剂作用机理及应用

在润滑油使用过程中，随着工作温度升高，其粘度会出现衰变、变稀的情况。这是由于润滑油在实际工况中通常会经历一系列的温度变化，特别是温度的升高导致的。如果润滑油的粘度在高温下过低，则流体可能无法提供足够的载荷支持，进而发生表面接触和摩擦磨损;相反，若为了保证润滑油膜在高温下具有足够的厚度，而使用高粘度的润滑油，那么由于粘性摩擦，其低温下的润滑效率会很低，不易达到机械的润滑要求。

粘度调节剂(VM，ViscosityModifier)，作为聚合物添加剂的多级液体，用以解决润滑油在使用中的粘度问题。添加VM的目的是使得低粘度的润滑油在高温下增稠到较好的使用粘度，而在低温下不会发生明显的变化。明确和研究粘度调节剂的作用机理及其多功能添加性，对改善润滑油的使用性能具有一定的指导意义。

1粘度调节剂的概念及作用

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1.1粘度调节剂的概念

一般来说，粘度调节剂(VM)包括两类:增稠剂和粘度指数改进剂。粘度指数(VI，ViscosityIndex)是评价润滑油粘温性能的重要指标，粘度指数越高，则油品粘度受温度影响变化越小。粘度指数改进剂是基于不同温度下呈现不同的形态(高温溶胀，低温蜷曲)来影响油液粘度，以达到改善油品粘温性的目的。而增稠剂会增加润滑油的粘度，但不一定增加粘度指数。评价VM对润滑油粘度的影响通常是在标准参考温度下，即40℃和℃。虽然所有的VM都用于改善润滑油的粘温关系，但是不同类型的VM应用于不同的使用环境，并通过各自的机理实现其相应的功能。常见的VM聚合物类型主要包括:聚烷基甲基丙烯酸酯(PAMA)、烯烃共聚物(OCP)、聚异丁烯(PIB)和氢化苯乙烯－二烯(HSD)等等，其分子量通常大于g/mol。这些聚合物相对于基础油都会增加粘度，但是根据其不同的组成，在相同骨架长度下，会对粘度随温度的变化速率产生不同的影响。

1.2粘度调节剂的作用

VM的关键特征主要为：增稠效率、粘温关系和抗剪切安定性。目前的VM聚合物很难在满足所有条件的同时提供最佳性能，因此在给定的使用环境中，VM的选用取决于该条件下起最关键作用的特征属性。

增稠效率描述了在给定的润滑油配方中必须使用的聚合物量，并将其量化为达到理想粘度所需的聚合物处理速率。聚合物较基础油来说相对昂贵，所以应当在尽可能少地使用聚合物的前提下，最大限度地提高增稠效率。VM的第二个重要作用是改变润滑油的粘温关系。该类研究较多，已有多种方法可以量化其变化关系，以及与VM聚合物属性相关联的理论。

最后，需要考虑VM的剪切安定性。剪切安定性是衡量润滑油在高剪切速率下对暂时性或永久性粘度损失的抵抗程度。研究表明，VM具有一定的减少摩擦或磨损的作用，即具有一定的抗剪切安定性。

2粘度调节剂的作用机理

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在目前该领域的研究中，多种研究理论阐述了VM聚合物在高温下提高润滑油粘度的原理。其中，最常被引用的机理是链团膨胀理论。它描述了由于聚合物链团的膨胀，而引起粘度随温度的升高而增加。这种机理是酯类的特征，如PAMA。而其他聚合物，如HSB，则通过聚合物聚集导致胶束的形成来增加粘度。此外，聚合物可以通过二次机理影响润滑油的粘度，包括结的形成和它们对相邻溶剂分子的影响。因此，明确这些机理对研究性能更佳的新型VM具有一定的价值。

3粘度调节剂的多功能添加性

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虽然VM主要用于提高润滑油的高温粘度，但研究也证明了其作为摩擦改性剂，倾点抑制剂和分散剂所展现出的有效性。能够实现其中一个或多个附加功能的VM聚合物称为多功能粘度调节剂。

3.1摩擦改进剂

VM最经常被研究的次要作用是其减少摩擦或磨损的能力。早期研究发现，作为摩擦改进剂时，边界润滑中VM的有效作用比预期的更大。在摩擦和磨损的情况下，VM溶液与粘度的增加无关。这证明了该行为是由于在极性表面聚合物的物理吸附形成了边界膜，该薄膜由密度大、黏性强的聚合物层组成(其厚度与聚合物的特性链团尺寸相关)，而接触入口处的粘性聚合物层能够使边界润滑膜变厚，从而减少摩擦。

对包括OCP、PIB和PAMA在内的多种VM化学反应的研究中，已经观察到了边界润滑中对摩擦行为的改进。这些研究表明，分子结构、功能特性和分子量是决定VM边界层有效性的关键因素。块体结构和功能化对摩擦的影响如图1所示。官能团必须存在，使聚合物在极地金属表面吸附，块结构优于官能团统计分布在聚合物，和中等到高分子量聚合物将形成最厚的边界膜。然而，低分子量聚合物也被证明有利于边界润滑。也有研究表明VM可以影响传统添加剂如二烷基二硫磷锌(ZDDP)所形成的边界膜的厚度。然而，虽然VM具有其他添加剂的一定功能，但也可能对某些分散剂或缓蚀剂的性能产生不利影响，这可能是这些添加剂争夺表面吸附位的结果。目前正在进行的研究主要集中在新型VM的研究上，这些VM可以补充或潜在地替代润滑油配方中的传统摩擦改进剂。

3.2倾点抑制剂

VM的另一个次要功能是用作倾点抑制剂。倾点是油液在规定条件下冷却时的最低温度，倾点抑制剂(PPD)通过干扰蜡晶体的生长来降低温度。聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯是一些常用的PPD化学物质。PAMA类VM通过合并特定的单体，也可以起到降倾点的作用，因此它们既增加了VI，又降低了降倾点。这是通过合成含有长烷基群单体(≥C14)的PAMA类VM来实现的。长烷基链将与蜡共结晶，避免石蜡晶粒的结合，从而保持油液的流动性。多功能PAMA类VM与传统的聚甲基丙烯酸酯PPD不同，因为PPD通常包含长侧链的短脊骨，而VM则包括长侧链的长脊骨(相对于PPD)。需要注意的是，尽管这些PAMA类VM具有PPD活性，但通常会在润滑油配方中添加二次PPD，以期更有效地达到使用要求。

3.3分散剂

VM也可以充当分散剂。分散剂用于分散或悬会引起粘度增加、磨料磨损和过滤器堵塞等问题。传统分散剂具有两性基团(极性基团和基团)，头部的极性基团与极性污染物结合在一起，使它们悬浮在油中;而尾部的非极性基团则形成屏障，将小群污染物从大团聚体中分离出来。VM分散剂是通过合并极性官能团，如胺，醇和酰胺等，并使其聚集在VM聚合物的主干上。这使得聚合物可以同时作为粘度调节剂和分散剂。最后，研究表明分散剂VM可进一步功能化，提供抗氧化和抗磨损性能，从而使其成为真正的多功能添加剂。

4展望

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VM的功能与其聚合物本身的性质直接相关，特别是其分子量大小、化学组分和结构等，这些特性也决定了VM聚合物改善润滑油粘度的作用机理。VM的作用还包括增稠效率、剪切安定性以及其他潜在优势。因此，了解聚合物特性对多个VM功能的相关性影响是非常重要的。只有在更加深入地理解和进一步研究其基本机理的基础上，才能够指导新型VM的研究发展方向，以满足未来复杂苛刻的实际工况要求。

《润滑油情报》杂志年02月刊

《润滑油情报》杂志年01月刊

《润滑油情报》杂志年12月刊