合成酯基础油的性能及应用
合成酯在润滑油中的性能与应用
随着现代工业的快速发展以及环境问题的日益突出，对润滑剂的使用性能、运行可靠性与使用寿命、可生物降解性、低或无毒害性等方面的要求越来越高，传统的矿物基润滑油已经很难满足这些苛刻的要求。节能、环保、长寿命是润滑油的发展趋势，全合成半合成油的应用越来越广泛，因此，PAO、合成酯的合成基础油越来越受到关注。
节能润滑油主要通过三种方式来实现：一是低粘度油；二是高粘度指数油；三是含有摩擦改进剂的油。
低粘度油
粘度越大内摩擦力越大，在应用中能耗越高。国内外实际经验证明，在流体润滑范围内，润滑油在使用条件下粘度每差1mm2/s，能耗大约相差0.5~1%；粘度相差一个级号，则能耗大约相差1~5%。从节能角度出发，在选用润滑油时应在保证设备润滑的前提下，尽量采用低粘度润滑油。
多级油和高粘度指数油
汽车工作时，受地区、季节、昼夜、负荷的影响，温差变化很大，有时相差数十度，而润滑油粘度随着温度变化而变化，升降幅度的大小和润滑油的粘度指数有关，粘度指数高的，粘度随温度变化小，粘度指数低的，粘度随温度的变化大。为尽量避免由于粘度变化太大所造成的设备磨损和能耗增多，在选用油品时，应选用粘度指数高的油。高粘度指数润滑油是以高粘度指数基础油或在基础油中加粘度指数改进剂组成，通称为多级油；另一种是合成内燃机油，如酯类、聚a 烯烃发动机油等。
含有摩擦改进剂的油
润滑油的低粘度化，有利于节约燃料，为了避免可能出现的边界摩擦所造成的磨损，往往在低粘度油中加入摩擦改进剂，这种添加剂可以和金属表面形成坚固的吸附膜或渗透膜或金属发生反应生成化学膜。这种膜摩擦系数很小，可以保证设备边界磨擦时不发生擦伤和烧结，节能效果显著，
合成酯基础油属V类基础油
多元醇酯类型
新戊二醇酯
三羟甲基丙烷酯
季戊四醇酯
一般的酯（如双酯，单酯，β碳原子上有氢原子的醇酯），因加热会形成六元环结构的中间体，在较低能量（0.19MJ/mol)下会热分解.多元醇酯的β位置上没有氢原子，不能生成六元环结构，在高温下主要发生自由基的热分解（0.28MJ/mol)。多元醇酯的热分解温度比双酯50℃左右。
1、合成酯在所有的基础油中综合性能最好
优异的氧化安定性与热稳定性能
良好的低温流动性能
高粘度指数
良好的润滑性与抗磨性能
低蒸发损失
极好的溶解性
优良的生物降解性与可再生性能
2、具有良好的低温流动性能和高粘度指数
多数酯类油的粘度指数都很高，具有很好的低温性能，可在极宽的温度范围内使用
酯类油的特点
酯类油最大的特点是酯分子中含有多重酯键(-COOR)，赋予了酯分子以极性,因而赋予酯类油许多比PAO和II、III类加氢基础油更加优越的性能和应用特点。
1、极佳的润滑性能
极性结构赋予酯类油特殊的润滑表现，独特的分子吸附作用，容易吸附在界面上形成稳定的油膜，类似摩擦改进剂，因而能提高油品的润滑性，即使冷车状态也不至于完全回流，提供很好的低温保护。减少启动时的磨损（启动时磨损占总磨损的75%）。润滑性的提高可以改善燃油经济性，减少摩擦动力损失，减少引发动机的噪音，增强发动机的动力。
边界润滑的润滑性可以从静摩擦μs和动摩擦系数μk的比值来推断,当数值小于1时，发生滑动。脂肪酸酯的边界润滑特性见表，直链脂肪酸的多元醇酯油良好的润滑性，脂肪酸碳原子数的增加润滑
性稍有提高，直链脂肪酸酯比支链脂肪酸酯润滑性好。
PAO中加入酯类油能显著减少摩擦系数。
PAO中加入酯类油对HFRR试验结果的影响*
试油摩擦系数成膜性/% PAO 2mm2/s 0.230 14 PAO 2mm2/s+20%多元醇酯 0.115 70
PAO 4mm2/s 0.157 20
PAO 4mm2/s+20%多元醇酯 0.102 85
注:* HFRR试验:高频往复台架试验。
2、酯与添加剂有良好的相容性和对油泥积炭有良好的溶解性
可以在PAO和加氢油中加入双酯或多元醇酯来提高对添加剂的溶解能力，对添加剂的感受性较强，可以很好的与抗氧，抗磨，清净等添加剂融合，协同，充分发挥添加剂的功效。
酯的极性有助于增加油中初级氧化产物及油泥的溶解度,有优异的清洁能力，有效防止油泥和积碳的形成。
PAO与酯类油的清净能力比较(1G2试验）
PAO/% 14
多元醇酯/% 14
第一环槽沉积/% 45 13
评分 172 61
清洁的好处
机油能迅速地保护到发动机的关键部分；
减少杂质，使润滑油的其他功能更好的发挥；
有效减少磨损；
保持良好的粘度稳定性；
减少亮红灯的发生；
顺畅安静的驾驶感受。
3、低的蒸发损失和优良的的热氧化安定性
蒸发损失比PAO和加氢基础油都低。
PAO、双酯和多元醇酯热氧安定性比较
由于在多元醇酯的醇基之β碳原子上没有氢原子,因而多元醇酯比双酯热稳定性更好,其氧化安定性也比双酯高。
由于在多元醇酯的醇基之β碳原子上没有氢原子,因而多元醇酯比双酯热稳定性更好,其氧化安定性也比双酯高。
PAO、双酯和多元醇酯热安定性比较
项目 PAO 双酯多元醇酯100℃粘度损失，% 9.10 9.20 0.10
总酸值，mg KOH/g 0.22 53.90 8.10
质量损失，% 1.16 23.10 1.09
注：热安定性试验条件为基础油在氮气中被加热到287.78℃(550 F)，并持续72 h。
PAO和酯类油的抗氧化性能比较
项目 PAO 双酯多元醇酯
100℃粘度 5.8 5.3 4.3
旋转氧弹试验，min 17 70 —
差式扫描热分析，min 2.5 5.0 60+
氧化腐蚀试验后
总酸值，mg KOH/g — 7.1 1.3
酯类油的氧化安定性及其与矿物油的对比
各种酯类油及矿物油成漆板试验结果*
矿物油 3.95
双酯 2.50
苯二甲酸酯 1.07
偏苯三酸酯 0.04~0.50
三羟甲基丙烷酯 0.18~0.57
注:*成漆板试验条件:275℃, 22 h,通空气,样品均含1%胺型抗氧剂。
成焦板试验热安定性
基础油清洁度
4.0mm2/s的矿物油 0
4.0mm2/s的PAO 8.0
5.0mm2/s的烷基芳烃 2.0
5.4mm2/s的双酯 8.0
4.0mm2/s的多元醇酯 9.5
试验条件：成焦板温度310℃
槽温：121℃
操作：溅油6min，烘烤1.5min
评分条件： 10＝清洁
热氧化稳定性
PAO和酯的热氧化稳定性均优于矿物油,最高使用温度见表2。表2 基础油的最高使用温度
基础油最高使用温度/℃
矿物油 121.1
PAO 121.1~176.6
双酯 148.8~176.6
多元醇酯 176.6~218.3
4.粘压特性
在弹性流体润滑，油的粘度随压力的增加而上升。如在齿轮的齿面，压延时的辊筒面等，润滑油所承受的压力从数千千帕到10万千帕。一般润滑油的粘度-压力近似如下关系：
η=η0exp(β?p)
多元醇酯的粘度压力系数β为 1.45-1.55，而石蜡基矿物油β为1.7-1.8，环烷基矿物油β为 2.2-2.3，所以随压力的增加多元醇酯的粘度上升比较小，可以在很宽的压力范围进行流体润滑，所以能耗就小。
5.环保性能
酯键为微生物攻击酯分子提供了活化点，因而酯是可生物降解的，因而酯类油可用于“对环境友好润滑油”的配方
不同酯类油的可生物降解性
酯类油类型 OECD 301B（20d）/% CEC L 33A 93（21d）/% 单酯 30～90 70～100
双酯 10～80 70～100
苯二甲酸酯 5～70 40～100
偏苯三酸酯 0～40 0～70
直链多元醇酯 50～90 80～100
支链多元醇酯 0～40 0～40
复合酯 60～90 70～100
概括起来，相对于PAO和加氢油，合成酯的好处就在于：润滑性好，蒸发损失小，溶解能力大（对添加剂和油泥积炭），积炭小，清洁性
好，导热系数高，比热容大。
润滑油的许多问题是同油的温度相关的，合成酯摩擦磨损小了，摩擦热也就少；导热系数高和机件清洁干净，容易散热；热容大，同样热量温度低，等等因素是使得使用酯类油的油温要比不加酯类油的要低。油温度低，油的氧化程度也就小了，油的寿命延长。
酯类合成油的用途
1、发动机油：主要是双酯和多元醇酯，其他包括二聚酸酯、聚酯、单酯、邻苯二甲酸酯。市场驱动力是延长换油期，趋向使用低粘度油，节省燃油耗和降低排放。1.合成酯独特的分子极性，使油膜牢固地吸附在发动机件表面，解决冷车启动干摩擦 2.合成酯油的润滑性极其优秀，挥发性大大低于同粘度矿物油和PAO，同时优秀的热稳定性使得用低粘度酯时沉积物少而且低温流动性好。节省燃料，增加机油压力，提升动力性能；降低尾气排放，减少发动机噪音。3.天然的溶解能力，充分发挥添加剂的功能，防止油泥和沉积物形成，优越的分散清洁能力，保持发动机件表面清洁。
因而全合成发动机油用酯类油与聚a一烯烃的调和基础油是最佳的选择。为降低成本,也可将酯类油掺合矿物油制成半合成油,以改善发动机油的各方面性能,所以半合成发动机油发展很快。
2、二冲程油：用于二冲程油的酯为二聚酸酯和多元醇酯，另外还有偏苯三酸酯和复酯，其市场受低排放发动机清洁性和生物降解性所驱动。二冲程油用酯比矿物油的优点在于是发动机清洁，减少粘环，沉积物在环槽、裙部、内腔的堆积，改善着火点性能和火花塞寿命。
由于极性酯的存在，增加了在金属表面的粘着，使酯的润滑性比烃类好。
3、压缩机油：用作合成压缩机油的酯类主要有多元醇酯和双酯以及芳香酯。合成酯型压缩机油适用于工作温度高于93℃，连续重负荷的多级高压螺杆式空气压缩机，使用寿命可比PAO型油延长一倍。合成酯油另一主要特点是残炭低，使用中抑制油泥、沉淀和积炭的产生，提高了曲轴箱及油品的清洁度，使传热良好、减少磨擦和运动部件的阻力，从而减少维修和停工时间，可减少动力耗费用7.2％节省动力3％。而合成酯用于往复式空气压缩机，其高闪点和良好的氧化安定性更显出其优越性。
合成酯型压缩机油适用于工作温度高于93℃，连续重负荷的多级高压螺杆式空气压缩机，使用寿命可比PAO型油延长一倍。合成酯油另一主要特点是残炭低，使用中抑制油泥、沉淀和积炭的产生，提高了曲轴箱及油品的清洁度，使传热良好、减少磨擦和运动部件的阻力，从而减少维修和停工时间，可减少动力耗费用7.2％节省动力3％。而合成酯用于往复式空气压缩机，其高闪点和良好的氧化安定性更显出其优越性，对于大型往复式空气压缩机的单程气缸润滑，常见的问题是在气缸和排气阀中形成残炭和油泥，引起频繁的维修和停车，更严重的是原用矿物油时，由于残炭、锈蚀润滑剂的过量和高压作用使压缩系统在低于149℃的情况下自动起火，甚至引起爆炸。
酯型压缩机油的应用，取得了相当可观的经济效益。如国外某公司用了三年时间对100台回转叶片式和螺杆式压缩机试验，对试验的酯型压缩机油及压缩机进行跟踪监测，所有试验的压缩机都超过了予期的换油时间。回转叶片式压缩机换油期由原来用矿物油的500小时延长到4000小时以上，其中有几台试验持续了10000多小时。回转螺杆式压缩机则由原来的1000小时延长到8000小时以上，而有几台试验长达13000多小时。同样在往复式压缩机用双酯油进行试验，提高了气缸和曲轴箱的清洁度，使阀门的清洗周期延长了七倍。
近年来,国际环保组织已限制使用破坏空间臭养层的氟里昂,汽车和家用空调压缩机已逐步改用环保型制冷剂,与之相配套的压缩机润滑油也改用以合成酯和聚醚冷冻机油.它与环保型制冷剂HFC134a、R404、R407等有极好的互溶性和热化学安定性、润滑性优良，且无毒、可生物降解，对环境无害，属于绿色润滑剂
4、航空润滑剂：一般用双酯和多元醇酯，市场驱动力是改善热稳定性和减少挥发。Ⅰ型油分两类，第一类油100℃粘度3mm2/s，第二类油100℃粘度7.5mm2/s，它们以双酯为基础油，主要用于涡轮螺旋浆发动机；Ⅱ型油100℃粘度为5mm2/s.它以多元醇酯作为基础油，满足随着喷气发动机功率的提高，对油的热稳定性和耐荷重性相应提高的要求，主要用在舰载机和民航机，目前这类油的使用量最大，达90%以上。
5、难燃液压油：通常为季戊四醇油酸酯、三羟甲基丙烷油酸酯等。由于多元醇酯闪点高,阻燃性好,粘度指数高,使用温度范围宽,润滑性好，使用压力可达40Mpa,因此制成的液压油适用于钢铁连铸生产线系统和高炉、热轧、铸造、电站、煤矿等要求抗燃、安全的设备液压系统,可替代有毒性的磷酸醋型抗燃压油,其应用领域逐步扩大。
6、高温链条油：用于高温链条油的酯为双酯和多元醇酯，也用偏苯三酸酯，市场驱动力是更高的热稳定性和更低的沉积物。很多产品的制造在高温下进行，这些链的润滑温度在150℃以上，短期可达1000℃，双酯可用在200℃以下，而200~300℃则用多元醇酯和偏苯三酸酯。该油适用于印染热定型、塑料、建材、烘烤等设备的链条传动系统润滑,
7、汽车齿轮油：多为双酯和多元醇酯，市场驱动力为延长换油期和节能。在齿轮齿面的弹性流体润滑情况，多元醇酯粘度随压力增加而上升很小，可在很宽的压力范围进行流体润滑，所以能耗小。
8、金属加工油：单酯、双酯、PAG酯用于金属加工油中，有时也用多元醇酯、聚合酯和邻苯二甲酸酯，市场驱动力为性能、废液处理费用。酯的优点:环境友好、好的极压性、可作摩擦改进剂、生物降解和低毒、对机床和加工件的湿润性好。
9、润滑脂：用于润滑脂的酯为双酯和多元醇酯，有时也用邻苯二甲酸酯和偏苯三酸酯，市场驱动力为生物降解性以取代白油，当要求脂有下列特性之一时可用酯作基础油：低温流动性、高温用途、生物降解性、低毒。
国外三羟基甲基丙烷酯
科聚亚HATCOL 2938
英锐驰UNIESTER 3420
禾大PRIOLUB3970
美孚ESTEREX343
百达PALUB 8406
伊特麦琪KL-10
英迪士INOLEX 3Q-310
典型应用-全合成内燃机油
SAE 级 0W-30 5W-30 10W-30 0W-40 5W-40 10W-40 PAO 4 49 20 46.5 20
PAO 6 10 50 10 10 38.5
PAO 8 54 61.5 酯类油 20 20 20 20 20 20
SM添加剂复剂11.5 11.5 11.5 11.5 11.5
11.5
粘指剂 9.5 8.5 4.5 12 10
7
典型应用-半合成内燃机油
SAE级别 0W-30 5W-30 10W-30 0W-40 5W-40 10W-40 Yubase 4
(三类油） 58 11.5 46 20 Yubase 6
(三类油） 55 68.5 45 67
PAO 6 10
酯类油 20 15 15 20 15 15
SM添加剂复剂12 12 12 12 12 12
粘指剂 10 6.5 4.5 12 8 6