引言：路博潤(rùn)的Barton J. Schober博士在第九屆國(guó)際流體與潤(rùn)滑油研討會(huì)上探討了粘度指數(shù)改進(jìn)劑歷史上突破性的變化。這些變化的推動(dòng)力來自過去百年來汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和齒輪設(shè)計(jì)的巨大發(fā)展。潤(rùn)滑油和粘度指數(shù)改進(jìn)劑的發(fā)展變化和需求促成了各種高度專業(yè)化性能聚合物的開發(fā)，以滿足新的挑戰(zhàn)。
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史中曾取得了無數(shù)的進(jìn)步?；仡櫛泵朗袌?chǎng)的發(fā)展，與粘度相關(guān)的潤(rùn)滑油測(cè)試和規(guī)范不斷增加，隨之產(chǎn)生了許多新型粘度指數(shù)改進(jìn)劑的開發(fā)，以滿足這些測(cè)試和規(guī)范的要求。目前日本是先進(jìn)粘度指數(shù)改進(jìn)劑開發(fā)的引領(lǐng)者。
20世紀(jì)30年代末期，聚異丁烯(PIB)是主要的潤(rùn)滑油增稠劑。20世紀(jì)40年代中期以后，人們開始更多地關(guān)注潤(rùn)滑油的耐久性，繼而又提出了低溫流動(dòng)性要求。聚甲基丙烯酸甲酯(PMA)以及分散劑型的聚甲基丙烯酸甲酯(DPMA)可顯著提高清潔度和粘度指數(shù)(VI)，因而PMA得到了廣泛使用，直至烯烴共聚物(OCP)的出現(xiàn)。
研究表明，OCP共聚物可實(shí)現(xiàn)理想的成本與性能之間的平衡，它可以控制潤(rùn)滑油粘度指數(shù)，并充分滿足了直至20世紀(jì)末期對(duì)于潤(rùn)滑油粘度指數(shù)的要求。直至今日，OCP仍然是市場(chǎng)上最主要的粘指劑。
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但是，隨著市場(chǎng)對(duì)能效的要求不斷提高，我們看到PMA/DPMA重新得到廣泛使用，尤其是韓國(guó)和日本，韓國(guó)和日本的汽車制造商已快速欣然接受了最新推出的極低粘度潤(rùn)滑油。添加劑供應(yīng)商還發(fā)現(xiàn)，采用PMA非線性拓?fù)洌ǚ肿蛹軜?gòu)），如星型和梳型，可進(jìn)一步提高PMA的性能。含苯乙烯的聚合物曾在20世紀(jì)70年代廣泛使用，但隨后被OCP所取代。
現(xiàn)在，隨著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛使用，含苯乙烯的聚合物的使用量也再次增長(zhǎng)。發(fā)動(dòng)機(jī)更高的運(yùn)行溫度和換油周期的延長(zhǎng)需要潤(rùn)滑油具有更高的清潔度，苯乙烯聚合物的一項(xiàng)主要性能就是控制與煙炱相關(guān)的油增稠，并能減少活塞積碳。與苯乙烯聚合物相似，分散型烯烴共聚物(DOCP)也可有效控制重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油與煙炱相關(guān)的增稠問題。
橫向來看，我們發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)之間也存在明顯差異。例如，歐洲運(yùn)行一套獨(dú)立的環(huán)境法規(guī)、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和機(jī)油配方策略，有別于其他地區(qū)；亞洲的汽車制造商不斷開發(fā)出更小、更輕和更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)機(jī)油提出了更低粘度的要求，因此重新推動(dòng)了PMA、甚至是特種PMA的應(yīng)用。其它方面，如歐洲的柴油轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，需要重新使用苯乙烯聚合物；在北美市場(chǎng)，OCP憑借其高性能和成本效益優(yōu)勢(shì)，一直得到廣泛應(yīng)用。
傳動(dòng)液的發(fā)展與此類似。傳動(dòng)液包括變速箱油、末級(jí)傳動(dòng)油或車用齒輪油(AGO)。在汽車誕生之初，傳動(dòng)系硬件的開發(fā)主要集中在對(duì)動(dòng)力傳輸?shù)幕拘枰?，而今的關(guān)注焦點(diǎn)則是效率。每次硬件升級(jí)改進(jìn)后，行業(yè)都會(huì)制定出新的潤(rùn)滑油規(guī)范，以保障這些先進(jìn)的硬件充分發(fā)揮其性能。
直至20世紀(jì)50年代，粘指劑才真正開始廣泛應(yīng)用在傳動(dòng)系潤(rùn)滑油中。聚異丁烯是這些應(yīng)用中的第一種聚合物。然而，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)油的發(fā)展，聚甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯聚合物如丁苯橡膠(SBR)也很快投入了使用。自20世紀(jì)70年代，一種特殊的苯乙烯-順丁烯二酸酐聚合物得到了廣泛使用，直至今天。
自20世紀(jì)70年代，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和延長(zhǎng)換油周期的需求不斷增加
由于高粘度指數(shù)與燃油經(jīng)濟(jì)性息息相關(guān)，這就使得人們更為注重高粘度指數(shù)聚合物的開發(fā)。此外，還需要具有剪切穩(wěn)定性的聚合物，以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油更長(zhǎng)的使用壽命并保持燃油效率。OCP從未作為主要的粘度指數(shù)改進(jìn)劑應(yīng)用于傳動(dòng)液中，因?yàn)槠浼葻o法調(diào)配出高粘度指數(shù)的潤(rùn)滑油，也不具有足夠的剪切穩(wěn)定性，無法滿足傳動(dòng)液的苛刻要求。PMA則成為這個(gè)市場(chǎng)的主要產(chǎn)品。最近出現(xiàn)了新型烯烴共聚物，它能提供更高的性能。聚α烯烴(PAO)憑借其良好的剪切和氧化穩(wěn)定性及低溫粘度，使用量在不斷增加。
今天，我們正在進(jìn)入傳動(dòng)液高度專業(yè)化的時(shí)代，人們正在開發(fā)各種復(fù)雜的多功能高性能聚合物，以滿足傳動(dòng)系的特殊挑戰(zhàn)。這些聚合物不能與發(fā)動(dòng)機(jī)油共用，它們是專為傳動(dòng)系而開發(fā)的，在某些情況下，甚至是專為某一種特殊的硬件而潛心研發(fā)。
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人們對(duì)提高效率的追求是無止境的
汽車正在變得越來越輕，越來越符合空氣動(dòng)力學(xué)原理，以提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱采用更輕的材料制造，油底殼的容量更小以減少汽車總重量，油液量的減少意味著潤(rùn)滑油的工作條件更為苛刻，其承受的工作溫度和剪切力更高。同時(shí)，為了滿足空氣動(dòng)力學(xué)，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和車橋經(jīng)過折疊和封閉，這樣流經(jīng)他們周圍的氣流減少，設(shè)備運(yùn)行溫度變得更高。
消費(fèi)者需要體積更小的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱來提供相同的動(dòng)力
功率提高的同時(shí)，消費(fèi)者需要潤(rùn)滑油保持一定的耐久性以延長(zhǎng)換油周期。同時(shí)，潤(rùn)滑油的粘度更低，以進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性。因此今天有如此多不同類型的粘度指數(shù)改進(jìn)劑也就不足為奇。這些需求推動(dòng)了高級(jí)和專業(yè)化潤(rùn)滑油的開發(fā)。
例如：在發(fā)動(dòng)機(jī)油中，當(dāng)增稠是主要需求時(shí)，聚異丁烯是最佳選擇。聚甲基丙烯酸甲酯曾用于獲得低溫流動(dòng)性，但是現(xiàn)在，因?yàn)樗€可提供高粘度指數(shù)、具有高“高溫高剪切”(HTHS)粘度，可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，而又重新變得尤為重要。
HTHS粘度是發(fā)動(dòng)機(jī)油的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。HTHS粘度模擬軸承中的高溫和剪切速率，而HTHS粘度主要受粘度指數(shù)改進(jìn)劑的影響。每種發(fā)動(dòng)機(jī)油級(jí)別都需要滿足特定的HTHS最小值，以防止軸承和其它零件磨損。運(yùn)動(dòng)粘度是潤(rùn)滑油流動(dòng)時(shí)的低剪切粘度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率起著重要作用。粘度指數(shù)改進(jìn)劑的設(shè)計(jì)和選擇應(yīng)確?？商峁┧璧?/span>HTHS粘度，在實(shí)現(xiàn)硬件保護(hù)的同時(shí)又可保持最低的運(yùn)動(dòng)粘度，以盡可能減少能效損失。
提高保護(hù)性能的另一種方法是通過粘指劑來控制磨損顆粒物
含分散劑的聚合物，如分散劑型烯烴共聚物和分散劑型聚甲基丙烯酸甲酯可捕捉或分散氧化物和灰塵等顆粒，以防止其尺寸進(jìn)一步增大或/和硬度進(jìn)一步提高。苯乙烯聚合物以同樣的方式控制柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的煙炱。
聚合物在高剪切力下會(huì)被剪切，隨著時(shí)間的推移，其分子結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，導(dǎo)致粘度降低。粘度降低（運(yùn)動(dòng)粘度及HTHS粘度）將導(dǎo)致油膜厚度降低，從而造成磨損。潤(rùn)滑油粘度降低造成的另一個(gè)后果是導(dǎo)致這些設(shè)計(jì)先進(jìn)、公差控制精密的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱性能下降。
當(dāng)今市場(chǎng)需要粘指劑能夠抵抗因剪切導(dǎo)致的分子斷裂，而且還需具有抗氧化性。發(fā)動(dòng)機(jī)油在高溫、氣體和酸性物質(zhì)的影響下會(huì)發(fā)生氧化，而氧化通常會(huì)導(dǎo)致油液增稠，從而降低潤(rùn)滑油的保護(hù)性能和發(fā)動(dòng)機(jī)效率。如果聚合物氧化，機(jī)油增稠，導(dǎo)致的后果可能會(huì)非常嚴(yán)重，甚至可能導(dǎo)致機(jī)油停止流動(dòng)。
發(fā)動(dòng)機(jī)油常用粘度指數(shù)改進(jìn)劑性能對(duì)比
粘指劑的選擇對(duì)傳動(dòng)液的效率、耐久性、抗磨性能和使用壽命具有顯著影響。如在發(fā)動(dòng)機(jī)油中的作用一樣，粘度指數(shù)是提高傳動(dòng)系燃油效率的主要因素，除此之外，抗氧化性和顆粒物控制性能也已成為傳動(dòng)液粘度指數(shù)改進(jìn)劑的基本要求。
實(shí)驗(yàn)證明，粘指劑可影響齒輪與其它零件之間的油膜厚度和油膜附著力，增加油膜厚度對(duì)抗磨損性具有顯著作用。潤(rùn)滑油的附著力可能與運(yùn)行過程中生成的熱量有關(guān)。當(dāng)潤(rùn)滑油溫度升高時(shí)，其粘度降低，如果粘度變得過低，油膜則將損壞，從而導(dǎo)致磨損甚至是設(shè)備故障。所以，能夠降低熱量產(chǎn)生的粘指劑，如多功能性聚合物，可以減少磨損和高溫氧化。
傳動(dòng)液粘度指數(shù)改進(jìn)劑性能對(duì)比
沒有“完全通用”的粘度指數(shù)改進(jìn)劑
潤(rùn)滑油添加劑的開發(fā)也經(jīng)歷了巨大的變化。冶金技術(shù)的改進(jìn)顯著改變了抗磨劑或減摩劑的設(shè)計(jì)；更高溫度和更長(zhǎng)的換油周期的要求需要對(duì)很多類型的抗氧劑進(jìn)行精心配制，每種成分都發(fā)揮著特殊的作用，還需加入分散劑和清潔劑以消除在惡劣運(yùn)行環(huán)境中形成的酸和雜質(zhì)的影響。精心設(shè)計(jì)和選擇高性能聚合物及分散劑、清潔劑和抗氧化劑是滿足當(dāng)今先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱苛刻潤(rùn)滑要求的關(guān)鍵。
*本文改編自路博潤(rùn)公司Bart Schober于2014年4月在印度新德里ISFL會(huì)議上的發(fā)表論文。
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