通用发动机油添加剂相互作用研究

通用发动机油添加剂相互作用研究 通用发动机油添加剂相互作用研究 2007年7月 第22卷第4期 西安石油大学(自然科学版) JournalofXianShiyouUniversity(NaturalScienceEdition) Ju1.2007 Vo1.22No.4 文章编号:1673—064X(2007)04—0084—05 通用发动机油添加剂相互作用研究 Interactionsbetweentheadditivesusedinuniversalengineoil 马林才 (浙江交通职业技术学院汽车系,浙江杭州311112) 摘要:通过在46#矿物油内调入质量分数为5%的200BS光亮油,11%的ECA8358,0.6%的T803B 和6.0×10-6的T901,调合成10w/40通用发动机油的基础油.选择了另外10种添加剂,分别配制 成复合抗氧抗腐剂,复合清净剂,复合分散剂和MoDDP.按均匀设计安排试验,研究了这些添加剂 对基础油性能的影响,以及添加剂间的交互作用.试验结果显示:复合抗氧抗腐剂和MoDDP能显 着提高基础油的抗磨承载性能和抗氧化性能,复合分散剂能显着提高基础油的分散性能,复合清净 剂能显着提高基础油的高温清净性能;复合抗氧抗腐剂和MoDDP在抗磨承载性能上有协同效应, 复合分散剂和复合清净剂在分散性能和清净性能上均有协同效应;但复合分散剂降低了复合抗氧 抗腐剂及M0DDP的抗磨承载性能和抗氧化性能.同时,复合抗氧抗腐剂降低了复 合分散剂的分散 性能以及基础油的高温清净性能. 关键词:通用发动机油;添加剂;相互作用;均匀设计 中图分类号:TE624.82文献标识码:A 润滑油添加剂的配伍性是近代复合剂的重要研 究课.添加剂问存在协同作用,加成作用,甚至相 互抵消的对抗作用.因此,对于研制适合汽,柴发动 机通用机油而言,合理选用添加剂就显得尤为重要. 四冲程汽油机和柴油机在润滑系统的构造上差别不 大,但彼此的工作条件却差异显着.就通用发动机油 而言,既要满足汽油机油的性能要求,也要满足柴油 机油的性能要求.因此,必须十分注意解决柴油机的 高温积炭,漆膜和低质量柴油造成的碳烟,也要注意 汽油机的低温油泥问题[卜2I.目前国内外汽车运输 公司车队一般是由汽油机和柴油机组成的混合车 队.为避免出现错用发动机机油的现象而造成事故, 普遍使用通用发动机油.美国的混合车队80%以上 使用通用发动机油,西欧的柴油机则全部采用通用 发动机油.欧美润滑油公司生产的通用机油品种主 要是SG/CF-4.SH/CG-4,SL/CF-4,SL/CG-4和 SLI一4.我国市场上通用机油仅占车用润滑油总 量的7%,8%,且基本上是SD/CC,SE/CC,SF/CC 和SF/CD.国内自主研发的通用机油产品较少,而 且SF/CD以上级别的产品大部分采用国外进口复 合剂调合而成.为此,本文从研制高档通用发动机油 出发,选用13种内燃机油添加剂,研究添加剂性能 及相互问的交互作用,为更好地选用和研制国产复 合添加剂提供试验依据. 试验设备及试验材料 试验设备:运动黏度测定器:大连仪器厂生 产,控温精度??0.5?,测定方法GB/T265—88; 离,心机:天津医疗器械厂生产;正戊烷:化学纯,西 安化学试剂厂生产;铜片:30mrn×30mrn×2mm; 恒温烘箱:恒温165?;通气量:(200?10) mL/min;氧化时间:12h;测定方法:SH/T0299—92; 四球试验机,测定方法GB/]r12583.试验材料见 1. 收稿日期:2006—10—15 作者简介:马林才(1976一),男,讲师,主要从事汽车润滑材料的应用研究 马林才等:通用发动机油添加剂相互作用研究一85一 表1试验材料 双烯基丁二酰亚胺 分散剂聚异丁烯丁二酸季戊四 醇酯 锦州石化公司添加剂厂T152 兰州炼油化工总厂u17 短链伯烷基二硫代磷酸锌兰州炼油化工总厂 抗氧长链伯烷基二硫代磷酸锌兰州炼油化工总厂 伯仲烷基二硫代磷酸锌兰州炼油化工总厂 抗腐剂二烷基二硫代磷酸铜兰州炼油化工总厂 烷基化芳胺兰州炼油化工总厂 T2O2 T2O3 T2O4 o正】DP DNA 减摩剂二烷基二硫代磷酸钼兰州炼油化工总厂IVld3DP 2基础油的确定及功能添加剂的选择 2.1基础油的确定 基础油是影响多级机油性质的重要因素,是决 定发动机油高低温流变性及挥发性的关键组分.在 基础油中添加一定量重质光亮油组分,可以改善对 添加剂组分和氧化产物的溶解能力,改善基础油的 热安定性及抗磨性.本文以46#矿物油+5%200BS 光亮油+1%ECA8358+0.6%T803B+6.0×10一 T901(以上均为质量分数)调和成SAE10W/40通用 发动机油的基础油,具有合适的高低温黏度,黏温性 能,低温泵送性能和抗泡性.理化指标见表2. 表2基础油的性能指标 表2表明,调配出的基础油的各项理化指标已 经达到SAE10W/40要求.但要符合高档通用发动 机油的质量要求,还有很大差距.仍需要加入极压抗 磨剂,清净剂,分散剂和抗氧抗腐剂.然而,多种功能 添加剂间必定存在交互作用,必须着重对添加剂的 选用和其间的交互作用展开讨论. 2.2功能添加剂的选择 润滑油各种添加剂配伍使用时,原则上不得发 生不利的反应或影响,而要起到相辅相成(协同)的 作用.常见内燃机油添加剂问的相互作用基本上可 用图1概括. 图1添加剂间相互作用 图1基本上反映了各功能添加剂间的复杂关 系,这为具体选用添加剂提供了参考.依据图1的原 则和添加剂的作用,本文对功能添加剂做了如表1 的选择. 3有约束全配方均匀设计试验 3.1全配方均匀试验设计 在研究10W/40高档通用发动机油添加剂相互 作用时,共选用13种添加剂,分别是DOCP (ECA8358),T803B,T901,T109Mg,T115A,T152, L117,T202,T203,T204,DNA,CuDDP,MoDDP.其 中,已将BOCP(ECA8358),T803B,T901,46#矿物 油和200BS调配成10W/40基础油;将T109Mg和 T115A以质量比2:3调配成复合清净剂;将T152 和Ll17以质量比1:2调配成复合分散剂;将T202, 103,T204,DNA和CuDDP以质量比3.4:2.0:1.0: 1.9:1.9调配成复合抗氧抗腐剂.故,共有复合清净 剂,复合分散剂,复合抗氧抗腐剂,基础油以及减摩 剂MoDDP等5个因素.本文选用U18(18")中1, 3,6,8,11列,构成U18(18),试验见表3, 表中括号内数据为添加剂的质量分数. 为便于数据处理与分析,在下文中各个回归方 程内一律有以下约定: x为复合分散剂的质量分数,组成: w(T109Mg):(T1l5A):2:3;X2为复合清净 剂的质量分数,组成:训(T152):训(L117)=1:2; X3为复合抗氧抗腐剂的质量分数,组成:硼(T202) :叫(1r203):叫(1r204):(DNA):w(CuDDP)= 3.4:2:1:1.9:1.9);X4为MoDDP减摩剂的质 量分数;X5为基础油的质量分数. 一 86一西安石油大学(自然科学版) 表3有约束全配方试验的均匀设计方案UI8.(18) 实验范围:2.4%<X1<5.8%;2.0%<X2 <5.4%;0.4%<X3<2.1%;0.2%<X4< 1.9%:86.8%<X5<93.0%. 3.2全配方试验结果 在试验过程中,按试验编号调配油样,每个油样 的配方组成遵守表3的规定.调配完毕后,密封静置 48h,然后对各个油样进行试验.油品的理化指标中 高低温斑点分散系数,成焦量,PB值,磨斑直径 WSD值,铜片增重量(mg),黏度变化率(%),正戊 烷不溶物质量分数(%)等7个指标与油品的配方组 成有较大关系,并反映了油品的使用性能.故,以这 7个指标为考察对象.试验结果见表4. 表4有约束全配方试验结果 3.3试验结果处理与分析 3.3.1油品的极压抗磨性 (1)润滑油的极压性能 当极压冲击负荷产生的局部温度高达200?以 上时,润滑油在金属表面的吸附膜将失去作用,必须 利用极压剂与摩擦金属表面进行界面摩擦化学反 应,生成防止金属摩擦表面接触的润滑膜[4_5].PB 值就是用来考察油品的这项性能.油品极压性能越 马林才等:通用发动机油添加剂相互作用研究一87一 好,PB值越大.对表4中PB值结果进行回归分析, 得PB值的大小为 yPB44.565+20?685x4+21?559X3—3?417X1X3? R=0.949.P=0.0007<0.0050,=3.4320. (1) 由式(1)可知:MoDDP和复合抗氧抗腐剂都具 有显着的极压性能;复合分散剂与复合抗氧抗腐剂 在极压性能上有显着的对抗效应,这对提高油品的 PB值不利. (2)油品的抗磨损性能 用磨损试验的磨斑直径来考察油品的抗磨损 性.长磨试验在负荷392N,时间为30min,室温条 件,四球机上进行.通过考察磨斑直径WSD值的大 小,定性地评定油品的抗磨性.磨斑直径WSD值越 小越好.对表4中WSD值结果进行回归分析,得钢 球磨斑直径WSD值的大小y磨斑直径为 y磨斑直径=1.117—0.356X4—0.384X3+ 0.029X1X3—0.032X2+0.108X42+ 0.098X3一0.052X4X3. R=0.977,P=0.0002<0.0050,=0.02861. (2) 由式(2)可知:MoDDP和复合抗氧抗腐剂都有 显着的抗磨性,但均有最佳加量;MoDDP和复合抗 氧抗腐剂在抗磨性上有显着的协同作用,这主要是 因为MoDDP与ZDDP共存时,首先形成ZDDP的反 应膜,而后钼化物吸附分解生成MoS2和MoO3的混 合膜,通过ZDDP膜而扩散到摩擦面金属内部,从而 与ZDDP有抗磨协同效应[6-7];复合分散剂和复合抗 氧抗腐剂在抗磨性上有对抗效应;基础油有较差的 抗磨性,这主要是因为46#矿物油黏度较小. 3.3.2油品的分散性取权重系数W=[0.45, 0.55],将高低温分散系数化归为一个目标数(综 合分散系数).即综合分散系数=高温分散系数× 0.45+低温分散系数×0.55.根据表4的试验结果 得油品的高低温综合分散系数大小Y合分散系数为 y综合分散系数=0.605+0.03519X1+ 0.002123X1X2—0.012X1X3 R=0.956,P=0.001<0.0050,=0.010147. (3) 回归方程(3)表明:复合分散剂显着地提高油 品分散性能;复合分散剂和复合清净剂相互问有协 同作用;复合分散剂和复合抗氧抗腐剂有强烈的对 抗作用,这主要是因为ZDDP与丁二酰亚胺形成络 合物而影响了分散性.复合分散剂与复合清净剂两 者有极佳的协同效应,二者可形成络合胶团,可在保 持依然较好的稳定作用下明显增强增溶作用.清净 剂较强的中和作用可及时中和油泥母体一酸性氧 化物,从而保护了丁二酰亚胺的增溶能力不致被这 些产物很快地消耗.同时,复合分散剂较强的分散能 力,又可提高清净剂中大量碱性组分(CaCO3, MgCI33等微粒)在油中的稳定性,而不易在使用过 程中由于沉析而加速耗竭.ZDDP能明显提高抗氧 化安定性,但用量过大,对油品的高温清净性有一定 抑制作用,且在高温酸性气体中,ZDDP容易分解产 生沉淀,使油泥增加,同时ZDDP,CuDDP分解产物 FeS等硫化物有强烈抑制分散剂的作用. 3.3.3油品的高温清净性对表4中高温清净性 试验结果进行逐步回归分析,得斜板式成焦板模拟 试验的成焦量的大小为 量=193.161—17.63ox2—1.316X2X1-I-4.7o9x3. R=0.980,P=0.0004<0.0050,=4.2511. (4) 回归式(4)表明:复合清净剂对成焦量的减少 有显着作用;复合清净剂与复合分散剂在清净性上 有显着的协同交互作用;复合抗氧抗腐剂影响高温 清净性,这主要是复合抗氧抗腐剂内ZDDP对高温 清净性的副作用. 3.3.4油品的抗氧化安定性用金属铜片质量变 化量,50?运动黏度变化率,正戊烷不溶物含量等 3个指标进行评定.油品的抗氧化安定性越好,试验 值越小.氧化试验在165?,通气量为(200?lO) mL/min的恒温烘箱内进行,时间为12h. (1)铜片质量变化结果分析 对表4中铜片质量变化结果进行回归分析,得 铜片质量增量的大小为. y铜片增重=16.515—4.837X3-I-0.441X1X4— 0.353X2—4.100X4-I-0.462X1X3+ 0.914X42. R=0.986,P=0.0001<0.0050,=0.2875. (5) 由方程(5)可知:复合抗氧抗腐剂对抑制铜片 增重有显着作用;MoDDP对抑制铜片增重有显着作 用,同时有最佳加量;复合清净剂对抑制铜片增重有 显着作用;在抑制铜片增重上复合分散剂与复合抗 氧抗腐剂及MoDDP问有对抗效应. (2)黏度变化率结果分析 一 88一西安石油大学(自然科学版) 润滑油在高温下氧化速度比常温下要快得多. 氧化后颜色变黑,黏度变大.对表4中黏度变化率试 验结果进行逐步回归分析,得黏度变化率的大小为 y黏度变化率=30.005—4.639X4—1.126X2— 0.877X3X4+0.482X,x4+0.880x4 +O.362X32. R=O.956.P=O.0007<O.0050r=O.4713. (6) 由方程(6)可知:复合清净剂显着地降低黏度 变化率;在降低黏度变化率上复合分散剂与MoDDP 起对抗效应;复合抗氧抗腐剂和MoDDP有显着协 同作用,对黏度变化率的降低起相互促进作用; MoDDP显着地降低黏度变化率,但它有一个最佳加 量;复合抗氧抗腐剂在降低黏度变化率上同样有一 个最佳加量. (3)正戊烷不溶物的结果分析 在润滑油的使用过程中,随着氧化程度的加深, 酸性物质增多,沥青质,半焦油质及其他油不溶物产 生.通过室内模拟试验,使润滑油产生氧化产物.用 正戊烷不溶物的质量分数多少来评定氧化产物的多 少.对表4中正戊烷不溶物试验结果进行逐步回归 分析,得正戊烷不溶物的质量分数的大小为 y不溶物=1.558—0.0292X3X4—0.112X4— 0.0598X3—0.~1224X22. R=0.962.P=0.0004<0.0050r=0.0231. (7) 由方程(7)可知:复合抗氧抗腐剂能显着地减少 正戊烷不溶物;MoDDP能显着地减少正戊烷不溶 物;复合清净剂对抑制正戊烷不溶物的产生有一些 微弱的作用;复合抗氧抗腐剂和MoDDP在抑制正 戊烷不溶物上有微弱的协同作用. 综上所述,复合抗氧抗腐剂有很好的耐热,抗氧 抗腐性能,复合清净剂有中等抗氧化性能,MoDDP 有显着的抗氧化性能.这主要是因为Tll5A和 T109Mg含有酚结构而具有氧化反应链终止作用; 复合抗氧抗腐剂中DNA具有氧化反应链终止作 用;复合抗氧抗腐剂中ZDDP和CuDDP及减摩剂 MoDDP具有过氧化物分解作用8.同时,复合抗氧 抗腐剂和MoDDP均有最佳加量,复合分散剂与复 合抗氧抗腐剂,MoDDP在抗氧化安定性上都有强 烈的对抗效应,复合抗氧抗腐剂和MoDDP的协同 作用主要表现在降低黏度变化率上. 4结论 (1)复合抗氧抗腐剂和MoDDP均有良好抗磨 承载能力,两者在抗磨承载性能上有协同交互作用. 主要是因为复合抗氧抗腐剂中ZDDP,CuDDP与 MoDDP复合后,提高了摩擦金属表面膜中钼的含 量,从而起到抗磨增效作用;复合分散剂的存在降低 了复合抗氧抗腐剂和MoDDP的抗磨承载性能. (2)复合分散剂显着地提高油品分散性能;复合 分散剂和复合清净剂相互间有协同交互作用;而复 合分散剂和复合抗氧抗腐剂在分散性上存在强烈的 对抗作用,这主要是因为ZDDP与丁二酰亚胺形成 络合物而影响了油品分散剂性能的发挥. (3)复合清净剂能显着减少油品高温成焦量;复 合清净剂与复合分散剂在清净性上有显着的协同交 互作用;而复合抗氧抗腐剂具有降低油品高温清净 性的副作用. (4)复合抗氧抗腐剂和MoDDP均有显着的抗 氧化性能,主要是因为复合抗氧抗腐剂中DNA具 有氧化反应链终止作用,ZDDP和CuDDP及减摩剂 MoDDP具有过氧化物分解作用;复合清净剂有中 等抗氧化性能,主要是因为T115A和T109Mg含有 酚结构而具有氧化反应链终止作用;复合分散剂降 低了复合抗氧抗腐剂和MoDDP的抗氧化性能. 参考文献: [1]王毓民.汽车燃料,润滑油及其应用[M].北京:人民交 通出版社,1994. [2]马林才.汽油机,柴油机通用润滑油(SF/CD10W~0) 抗氧化安定性与抗磨性研究[D].西安:长安大学硕士 学位论文,2001. 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