添加劑的作用

現(xiàn)今大多數(shù)潤滑油均含有多種添加劑包，旨在提供特定應(yīng)用中所需的性能。 部分潤滑油可能僅由一種成分構(gòu)成，如防銹劑，但有些潤滑油則需要由若干不同的成分復(fù)合而成。 機(jī)油由多種化學(xué)成分復(fù)雜混合而成，從而提供現(xiàn)代發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的保護(hù)和性能。

一般而言，添加劑具有以下三種作用之一： 保護(hù)基礎(chǔ)油，增強(qiáng)基礎(chǔ)油性質(zhì)或保護(hù)其接觸的表面。 有些添加劑具有多重功能，能在多個(gè)方面為機(jī)油提供保護(hù)并增強(qiáng)性能。

多年來，各種不同的機(jī)油營銷商采用“無可比擬”、“無與倫比”或其他夸張字眼來吹噓其添加劑系統(tǒng)，以獲得更大的機(jī)油市場份額。 可追溯至 20 世紀(jì) 50 年代初期的“Pennzoil Z-7”老計(jì)劃就是一個(gè)例子。 有些年輕人可能不知道，Z-7 是機(jī)油中一系列性能成分的簡稱： 1) 降凝劑；2) 抗氧化劑；3) 抗磨損劑；4) 防銹劑和緩蝕劑；5) 清潔劑/分散劑；6) 摩擦改進(jìn)劑；和 7) 消泡劑。

這些基本方法仍在使用，但是現(xiàn)代的小型客車機(jī)油在燃油經(jīng)濟(jì)性以及抗氧化性方面還有一些額外的“優(yōu)勢”。 為了更好地了解添加劑系統(tǒng)的整體概況和機(jī)油添加劑的具體情況，本文特別介紹了用于調(diào)和 ILSAC GF-5 機(jī)油（最新行業(yè)規(guī)范）的典型添加劑包。

粘度指數(shù)改進(jìn)劑

顧名思義，粘度指數(shù)改進(jìn)劑能夠提高機(jī)油的粘度指數(shù)。 粘度指數(shù)是機(jī)油粘度隨溫度發(fā)生變化的衡量標(biāo)準(zhǔn)。 在 40 到 100 攝氏度間的任意標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)，機(jī)油的粘度指數(shù)越高，油的粘度變化（增稠或變?。┰叫?，粘度指數(shù)越低，油的粘度變化越大。

粘度指數(shù)改進(jìn)劑或改性劑為聚合物，通過與溫度相關(guān)的溶解度工藝來發(fā)揮作用。 在較低溫度下，該聚合物在油中的溶解度較低，從而產(chǎn)生較低的相對粘度。 在較高溫度下，該聚合物在油中的溶解度較高，從而產(chǎn)生較高的相對粘度。 確切的增稠機(jī)制仍有待商榷。 有人認(rèn)為，隨著溫度的升高，該聚合物在油中的形狀會從盤繞結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成拉長結(jié)構(gòu)。 但另一些人認(rèn)為，溶解度只取決于溫度，并不會發(fā)生任何結(jié)構(gòu)變化。

其中一個(gè)重要性質(zhì)為剪切穩(wěn)定性，即因發(fā)動機(jī)中的機(jī)械剪切而損耗的增稠力。 該聚合物適用于發(fā)動機(jī)中高剪切速率的環(huán)境，可以分解（“剪切”），從而形成體積更小、活性更低的分子。 聚合物還會與剪切力方向?qū)R，造成臨時(shí)的粘度損失，從而產(chǎn)生臨時(shí)的剪切效應(yīng)。 當(dāng)剪切應(yīng)力消失時(shí)，聚合物在油中的定向重新回到隨機(jī)性更高的狀態(tài)，于是粘度便會恢復(fù)為初始值。

為了滿足與最新機(jī)油（如 SAE 0W-20 ）相關(guān)的粘度限制，配方設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)有必要使用粘度非常低的基礎(chǔ)油。 隨著粘度更低的機(jī)油進(jìn)入市場，基礎(chǔ)油粘度將持續(xù)降低，因此必須滿足一些新的需求，有些可通過精煉解決，其他一些則需要添加化學(xué)成分。

降凝劑

潤滑油的“傾點(diǎn)”是其能夠繼續(xù)流動的最低溫度，在低溫環(huán)境中，傾點(diǎn)越低越好。 被冷卻時(shí)，油中的蠟狀分子將變硬并聚集起來，從而阻礙流體流動。 因此，降凝劑是機(jī)油添加劑系統(tǒng)中的一個(gè)特殊組成部分： 其通過改變石蠟基礎(chǔ)油中的蠟晶體來發(fā)揮作用。

較老的 API 第一類基礎(chǔ)油煉油廠采用傳統(tǒng)的溶劑脫蠟，基于熔點(diǎn)去除蠟質(zhì)，正常目標(biāo)約為零下 20 攝氏度。較新的 API 第二類和第三類基礎(chǔ)油則通過加氫處理和裂解工藝改變油中的蠟，從而實(shí)現(xiàn)催化脫蠟。 工藝上的不同導(dǎo)致了所用 PPD 的不同。

溶劑脫蠟會在基礎(chǔ)油中殘留一系列的蠟結(jié)構(gòu)，因此需要更廣泛的 PPD。 對于催化脫蠟的基礎(chǔ)油，PPD 必須更具體針對油中的蠟結(jié)構(gòu)。 事實(shí)上，PPD 的合理選擇需根據(jù)具體的基礎(chǔ)油、工藝和粘度來確定。 PPD 領(lǐng)域的機(jī)油配方設(shè)計(jì)師和專家了解特定的基礎(chǔ)油中適用的材料，并根據(jù)配方的需要進(jìn)行選擇。 一般情況下，低粘度油相對于較高粘度的油，會因?yàn)榛A(chǔ)油中蠟的結(jié)構(gòu)差異和蠟的存在量而有著不同的要求。

DI 因素

機(jī)油添加劑包通常稱為分 DI 包。 DI 表示“分散劑-抑制劑”。

按體積計(jì)算，分散劑是機(jī)油添加劑的主要成分，在添加劑包體積中所占比例通常高達(dá) 50%。 顧名思義，分散劑的作用是防止各種污染物在機(jī)油中聚集。 污染物通常是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)廢氣透過活塞環(huán)進(jìn)入機(jī)油而產(chǎn)生的。 廢氣一旦進(jìn)入機(jī)油，還會引起其他現(xiàn)象，例如形成油泥和漆膜以及氧化。 分散劑可控制這些不良因素（稱為竄氣），盡可能減少其對機(jī)油和發(fā)動機(jī)表面造成的不利影響。

如果用化學(xué)原理來解釋，分散劑通過螯合作用捕獲分散劑中活性位置的污染顆粒，從而發(fā)揮作用。 它就像螃蟹一樣用螯將污染顆粒鉗住。 實(shí)際上，螯合這一詞語源自希臘語，意思是鉗子。

最常見的分散劑化學(xué)物質(zhì)采用含氮的大分子，氮位即為吸附并保留污染物的活性點(diǎn)。 （部分分散劑源自非氮基質(zhì)。） 這些分子在機(jī)油被使用的過程中變暗，并最終被完全耗盡。 因此我們需要更換機(jī)油。

清潔劑和基礎(chǔ)油

分散劑-抑制劑包中第二常見的成分為清潔劑。 清潔劑與其名稱并不十分相符，因?yàn)檫@種化合物并不能清潔任何物質(zhì)。 其作用主要是在金屬表面上發(fā)生反應(yīng)，形成一層保護(hù)膜，以最大限度地抑制沉積物形成。 清潔劑分子與金屬表面之間形成強(qiáng)鍵，有效地防止竄氣和氧化產(chǎn)物在金屬表面上聚積。 清潔劑在二戰(zhàn)期間問世，用來延長發(fā)動機(jī)（尤其是潛艇發(fā)動機(jī)）的工作壽命，并很快表現(xiàn)出用于地面車輛的價(jià)值。

在化學(xué)成分上，清潔劑通常為烷基金屬磺酸鹽、烷基金屬酚鹽或者烷基金屬水楊酸鹽。 這些物質(zhì)通常采用鎂、鈣或鋇（偶爾）等金屬的氧化物進(jìn)行中和，形成“低堿”清潔劑。 另外，這些物質(zhì)也可用過量的金屬氧化物中和，之后使用二氧化碳進(jìn)行處理，形成“高堿”清潔劑。

低堿清潔劑通常為烷基磺酸鹽。 烷基磺酸鹽能夠產(chǎn)生一種肥皂狀結(jié)構(gòu)，有效抑制污染物在活塞表面和環(huán)形槽中的沉積。

高堿清潔劑不僅能夠通過肥皂狀結(jié)構(gòu)抑制污染物沉積，還可中和燃燒過程中形成的酸。 這一點(diǎn)在使用高硫燃油的情況下尤為重要，因?yàn)榱蛟趨⑴c燃燒的過程中遇水會形成氧化硫，繼而形成硫酸或亞硫酸。 必須中和機(jī)油中的這些酸性化合物，以防止其腐蝕各種金屬表面。

清潔劑類型的選擇通常由添加劑配方設(shè)計(jì)師決定，也可能取決于各公司生產(chǎn)的材料。 添加劑供應(yīng)商長期供應(yīng)特定的清潔劑，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行組合優(yōu)化。 通常情況下，低堿和高堿清潔劑的組合使用可以在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)和現(xiàn)場使用中獲得最佳性能。

抗磨劑

機(jī)油添加劑包中的另一主要成分是抗磨劑。 從歷史上看，二烷基二硫代磷酸鋅 (ZDDP) 能為發(fā)動機(jī)高負(fù)載區(qū)域提供抗磨損保護(hù)，防止金屬的流失。

ZDDP 最早由優(yōu)尼科公司的 Herbert Freuler 于 1944 年申請專利，歷經(jīng) 60 多年后的市場表現(xiàn)依然強(qiáng)勁。 ZDDP 同時(shí)含有磷和硫，可與金屬表面反應(yīng)而形成金屬硫化物和磷化物的薄膜，能夠消除并防止嚙合面發(fā)生熔接。

ZDDP 的其他性質(zhì)使其可用作抗氧化劑和抗腐蝕劑。 當(dāng) ZDDP 在氧化試驗(yàn)中與經(jīng)典的無金屬“無灰”抗氧化劑一起使用時(shí)，往往能產(chǎn)生協(xié)同作用。 它還能夠保護(hù)多種軸承材料，包括銅、鉛及鋁合金。

ZDDP 也存在缺陷： ZDDP 中磷和硫的含量必須得到嚴(yán)格控制，以防止對車輛的排氣系統(tǒng)造成任何負(fù)面影響。 機(jī)油中的磷會繞過活塞環(huán)進(jìn)入排氣系統(tǒng)，在催化式排氣凈化器上發(fā)生反應(yīng)并生成堅(jiān)韌的玻璃狀沉積物，使催化式排氣凈化器失靈。 因此，已采用其他化合物來幫助防止磨損，同時(shí)也不對催化劑造成太大影響。 為此，含鉬材料得到越來越多的應(yīng)用。 另一種方法是使用揮發(fā)性較低的磷化合物，因?yàn)榇祟惢衔飼粼跈C(jī)油中，而不會進(jìn)入排氣系統(tǒng)。

另一類抗磨劑為金屬二硫代氨基甲酸鹽。 此類化合物含有硫，但不含磷，既可以有效防磨損，又具有抗氧化和抗腐蝕的作用。 其最常用的制作材料有鋅、鉬和銻金屬。

氧化、摩擦與泡沫

抗氧化劑是添加劑系統(tǒng)的另一關(guān)鍵部分。 此類化合物通常為苯酚衍生物或苯基胺。 其作用原理是干擾可形成自由基（一種高活性物質(zhì)）的氧化過程。 通過干擾自由基的形成，抗氧化劑能夠減緩基礎(chǔ)油的降解。 ZDDP 則是通過分解氧化過程中一種稱為過氧化物的中間產(chǎn)物來減緩氧化過程。

為最大化機(jī)油的燃油經(jīng)濟(jì)性，摩擦改性劑已成為現(xiàn)代機(jī)油的主要成分（盡管在用量上并不占主要比例）。 在化學(xué)上，摩擦改性劑是一種表面活性劑，能夠減少金屬部件在移動時(shí)相互之間產(chǎn)生的阻力。 發(fā)動機(jī)的摩擦力大部分來自于活塞環(huán)與氣缸襯墊的接觸。

消泡劑在機(jī)油添加劑系統(tǒng)中用量雖小，卻是至關(guān)重要的一部分。 雖然消泡劑僅以百萬分之幾的分量存在于機(jī)油中，但卻能夠改變油的界面張力，有助于從油中排出空氣。 這一點(diǎn)十分重要，因?yàn)橛椭袏A帶的空氣會加速氧化，并大大降低油的膜強(qiáng)度，導(dǎo)致金屬與金屬產(chǎn)生更多接觸。 簡而言之，氣泡不利于潤滑效果。

機(jī)油添加劑科學(xué)技術(shù)目前已有至少 75 年的發(fā)展歷史。 毋庸置疑的是，添加劑技術(shù)仍將繼續(xù)逐漸完善，也許不會突飛猛進(jìn)，但隨著新需求的出現(xiàn)，會產(chǎn)生新的或改進(jìn)的化學(xué)成分來滿足這些需求。

添加劑化學(xué)成分

下表列出了添加劑在潤滑油中發(fā)揮的各種作用，以及使用的一些主要化學(xué)物質(zhì)類型。