知否？知否？润滑油基础油：车用PAO的未来展望

　　润滑油基础油的历史发展过程离不开技术进步和制造业水平的提升，随着国际润滑油标准化及批准委员会（ILSAC）GF-6（API为SN-Plus）的即将推出和国家相关产业政策陆续出台，精细化工行业整体生产技术水平的提高，加之国家精密机械制造水平的不断进步，用户素养的不断提高和理念的转变，以及对长周期换油的需求，国内车用PAO基础油需求量将不断增加。

　　2017年全球基础油产能达到了5798万t/a，比2010年增长17%。2010年至今，全球Ⅰ类（API－1509分类）基础油产能下降20%，Ⅱ类基础油产能增加75%，Ⅲ类基础油产能增长137%，占比从2010年的7%升至2017年的13%。目前北美和欧洲是Ⅲ类基础油的主要消费区域。据中国海关总署数据显示，2017年中国进口基础油总量为281.6万ｔ，其中环烷基油为1.3万ｔ，Ⅲ类基础油为62.4万ｔ、Ⅱ类基础油为157.6万ｔ、Ⅰ类基础油为60.3万ｔ。据不完全统计，目前Ⅳ类聚α－烯烃（Polyalphaolefins, PAO）国内需求量60.5万t/a（其中低黏度约45.7万t/a，高黏度14.8万t/a），需求量约95%需要进口。我国作为润滑油的主要生产国，产能多年来一直稳居世界第三位，截至2017年11月，中国Ⅱ类基础油装置产能达到521万t/a。随着“一带一路”战略建设深入，我国汽车、工程机械、电力、钢铁、机床行业的快速增长，装备技术的不断提升，中国制造2025规划的提出，我国润滑油需求量持续增长，已成为全球第二大润滑油市场，2017年观消费量为673.9万ｔ。

　　随着汽车发动机的设计理念向节能、环保方向的转变，发动机设计的大压缩比小型化，功率体积比升高，热负荷和机械负荷不断增加的趋势；加之用户对延长换油期的需求，都对润滑油基础油提出了更高的标准和质量要求。传统的老三套工艺生产的APIＩ类润滑油基础油已经不能满足现在设备对润滑油的低挥发性、良好的低温性能、高黏度指数、很好的热氧化安全性等的要求。部分加氢Ⅱ类和全加氢Ⅲ类基础油成为主流，Ⅳ类PAO优越性能作为汽车高品质润滑油组分油成为必须。

　　润滑油基础油发展概述

　　矿物润滑油基础油来源于石油（亦称原油），国内“石油”一词始于北宋沈括著的《梦溪笔谈》：“鄜延境内有石油，旧说高奴县出脂水即此也”。到北宋神宗时期，中央军器监属下的作坊中就有描绘加工原油的“猛火油作”和使用猛火油的器械“猛火油柜”等词汇。可见当时石油已用于军事方面；至少在公元前17世纪，古埃及就出现了使用橄榄油来搬运巨石的记载，而到了公元前14世纪，人类甚至能用动物的油脂对战车轮轴进行润滑，减少摩擦。石油炼制工业始于19世纪初的欧美国家，经过100多年的发展，特别是在第二次世界大战的刺激下，在石油炼制工业发展基础上，润滑油品质需求和基础油的生产得到极大的改善和进步。

　　1. 近代炼油工业的技术进步促进润滑油基础油生产技术进步

　　20世纪30年代前后，炼油工业的另一重要进展是润滑油生产技术日臻成熟。为了分馏出黏温性能好的润滑油料和获得更多的轻质油品，发展了减压蒸馏（也称原油蒸馏）；为了脱除润滑油料中的石蜡和其它杂质，开发了离心脱蜡、溶剂脱蜡、溶剂精制、丙烷脱沥青等工艺。与此同时，润滑油添加剂的使用，极大改善了润滑油的质量，延长了设备的使用寿命。此阶段主要是物理过程（热加工）工艺。二次世界大战前后，要求机械设备在较苛刻的条件下工作，一般矿物油已不能满足使用要求，加之有些国家如德国、日本的石油资源短缺，因而促使通过化学合成的方法研制性能更好的润滑油基础油。上世纪40年代催化裂化、异构化等装置，50年代汽柴油、润滑油加氢、60年代出现的含分子筛的催化裂化催化剂等技术出现，使加氢合成润滑基础油工业化得以实现，此阶段被称为化学过程（催化加氢）工艺。

　　2. 国内外PAO研发与现代工业装备制造业进步协同发展

　　1876年，俄国巴拉罕建立了世界上第一个润滑油生产厂。两年后，俄国人在巴黎世界博览会上推出了第一批矿物润滑油样品。从此，润滑油作为一种材料、一类产品和一门科学进入了人们的世界，这也是润滑油发展史上一个里程碑式的记录。国外合成润滑油的研究是从合成烃开始的。早在1929年，美国就开始生产PAO和聚1－丁烯合成油。1934年，美国人Sullivan等合成了PAO，与此同时，德国人Zorn也发现了与Sullivan相同的制备合成烃的方法。从1939年第二次世界大战开始，德国人利用石蜡裂解所得的α－烯烃生产PAO润滑油基础油。我国合成润滑基础油工业起步于上世纪50年代，起始于聚烯烃润滑材料的研发。60年代初开始研究酯类合成油，主要用于酯类航空润滑油、精密仪表油和高温润滑脂，主要供应航空工业使用；70年代中期研究出了聚醚类产品；80年代以来，对合成润滑产品的生产工艺进行改进，优化生产条件，降低原材料消耗，开发新品种和扩展产品市场，但总体与国外在技术研发和加工成本控制有明显差距。

　　3. 基础油分类标准及对PAO的定义

　　基础油种类按照API1509分成以下5种类别（见表1），Ⅰ类为传统溶剂精炼矿物油，Ⅱ类为加氢裂解矿物油，Ⅲ类为高度加氢裂解或加氢异构化蜡；以上原料都来源于石油常减压装置减底油和侧线VGO，后两类有化学反应过程。Ⅳ类为石蜡分解法与乙烯齐聚的合成基础油（特指合成烃基础油，简称PAO），Ⅴ类为除以上其他类型的基础油。

　　由于Ⅲ类基础油基本理化指标与PAO接近，也是现在市场上混淆最厉害的基础油。代表性的是嘉实多公司从1999年开始使用Ⅲ类基础油VHVI(very high viscosity index)代替原来配方的PAO，贴上“Synthesis”－合成油的标签，而现在国内很多品牌也照搬。随着加工工艺的提高，在Ⅲ类基础油VHVI上又有了：IDW（加氢裂化－异构脱蜡）雪佛龙公司专利，MSDW（加氢处理－加氢异构化和加氢裂化－选择性脱蜡）埃克森美孚公司专利，XHVI（加氢异构化生产超高黏度指数）和溶剂精制－加氢混合法（RHC）壳牌公司专利技术，行业现在都泛称为合成基础油，技术层面也单独划称之为Ⅲ＋类基础油。其中埃克森美孚公司半合成油基本都是使用MSDW技术，称为合成科技。综上可以看出市面上有很多所谓的泛称全合成油，其实并非是真正科学意义上的全合成油，它们大多数属于高度精炼加氢的第三类矿物油（Group III），而真正科学意义上的全合成油分两种，第一种是PAO，另一种便是以酒精和脂肪酸为基础材料，经化学缩聚反应而合成的酯类油。我们也可以理解合成油包含PAO，“合成油”是一个市场上的叫法，不是一个技术的精确分类，本文采用科学意义合成油的概念即单指Ⅳ类PAO，其分类见表2。

　　在这里还需明确“半合成油”概念，它是一种以矿物油Ⅰ类和/或Ⅱ类为主、为了改善其某些性能，在矿物油中加入一定比例的合成油（也可理解是Ⅱ类或Ⅲ类基础油），以满足润滑油最终使用性能的混合基础油。

　　PAO基础油的特点及应用

　　1. PAO基础油的特点

　　PAO基础油是由一定碳数的α－烯烃在催化体系作用下齐聚再加氢精制饱和的烯烃低聚物，与传统矿物基础油相比，分子结构规整，其具有优异的黏温性能（见黏度指数）和高低温性能（见CCS），分别见表3和表4。

　　从表3和表4可以看出，PAO在本质上使用的是原油基中较好的成分乙烯，国内目前比较成熟的是以煤基烯烃作为原料，加以化学反应并透过人为的控制达到预期的分子形态，其分子排列整齐，具有更整齐的侧链结构，比传统的“老三套”及温和加氢基础油表现出更高的黏度指数、更低的倾点、更好的低温流动性、低挥发损失、氧化安定性好、生物降解性好等。它针对汽车润滑系统有利于减少摩擦，延长换油周期，节约燃油。

　　2.PAO基础油的应用

　　α－烯烃用途广泛，不同单体聚合度不一样，产品特征也不一样（见表5）。

　　PAO基础油由于其特殊性能，是汽车、机械工业和航天工业用合成润滑油的主要原料（详见表6）。

　　如从设备苛刻运行条件看，航空发动机以及R134A等为冷媒的制冷压缩机等需要用PAO；从节约能源、成本和延长换油周期角度看，一些汽车、船舶、工业设备以及风力涡轮需要PAO；从产品衍生角度看，由于PAO不含芳烃和环烃，可生物降解，无毒性，优异环保型基础油，也可应用在化妆品、食品机械油等。车用PAO润滑油（包括半合成和全合成）的优点是：①低温流动性好，冷起动性优良，最低冷起动温度为－45℃；②分子排列整齐，高温氧化安定性好，可改善发动机的清净性；③换油及油滤的周期长，燃料平均节约4.2%，润滑油年耗下降55.9%。国外发达国家车用润滑油已经向低黏度趋势发展（见图1），从低黏度机油≤SAE 5W用量增加，表明PAO作为调低温性能好的机油组分油用量在增加。

　　3.国内外PAO基础油生产现状

　　近年来，随着润滑油升级速度加快，市场对于高端润滑油产品需求增长，带动了PAO基础油需求的迅速增长。工业上，以乙烯等低分子烯烃为原料，通过齐聚反应，得到Ｃ8～Ｃ12烯（最好是1－癸烯LAO），进一步加工可生产PAO。当前全球PAO生产供应主要集中在ExxonMobil, Ineos, Chevron Philips, Chemtura（已被德国朗盛公司收购）等跨国公司。目前国内以乙烯等低分子烯烃为原料的PAO产能未有明显提升，约95%的PAO需求量依靠进口，只有约5%是采用蜡裂解法和传统PAO（非茂金属）生产。近年来，部分企业和研究院所涉足非蜡裂解法PAO生产，如上海纳克、沈阳宏城、山西潞安纳克、中科院上海高等研究院等，但由于上游原料制约及自身技术成熟度等原因，其产品质量稳定性和所占市场份额极其有限。目前国内有不负责任的润滑油从业员或个别不负责任的公司，宣称自己公司能生产出PAO基础油，实际只是一种营销手段，或者只是一个中间贸易商。

　　国内Ⅱ／Ⅲ类合成润滑基础油的生产技术已较为成熟，Ⅰ类基础油生产装置逐步关停缩小产量，Ⅳ类基础油茂催化剂生产正在工业化放大过程中。从行业整体技术水平看，与国际先进水平相比仍有一定的差距，具体表现为：①技术研发创新设计能力不足，开发创新系统性、产品系列化和多样性不够；②产品应用研究不充分，缺乏经验积累；③产品开发、市场开发的周期长，催化剂体系成本高；④生产过程的精准控制不到位，产品质量波动大，生产工艺及装备技术水平自动化亟待提升。但随着市场需求，我国行业内人员的经验积累和专业水平的提高，会加速解决我国PAO基础油的生产技术瓶颈。

　　4. 国内外车用润滑油差距

　　由于国内的PAO产能小，产品黏度等级覆盖范围小，质量差，无法和国外产品相竞争，我国的润滑油与发达国家水平差距明显，同时冶金材料、发动机设计及精密制造、排放法规和其它政府法规的变化都对润滑油构成了挑战，关键原料（如PAO）、内燃机某些复合添加剂还是基本依赖进口，严重影响了我国高档润滑油产品的开发和市场地位，造成我国车用润滑油与欧美日落后20～25ａ。ILSAC GF-5于2009年12月22日发布，美国于2010年开始普遍施行。2011年，美国新生产下线的乘用车都已经使用符合ＧＦ－5规格的机油进行保养。目前在中国高低档、新旧车况车辆共存的现状决定了润滑油市场高、中、低档油并存的局面和目前润滑油国家标准、行业标准、企业标准、协议标准共存的事实。因此，尽快发展高品质PAO合成的相关工艺技术，并建立相应的工业化生产装置，提供高质量的PAO合成润滑油基础油，对于解决我国高档润滑油的国产化，实现我国润滑油发展战略是非常必要的。

　　PAO基础油的发展趋势

　　1.低黏度车用润滑油成为主流依据充分

　　润滑油黏度、轴转速和轴上负荷这三者的关系可以用轴承特性因数Ｃ来表示，见式（1）。

　　C=ηN/P（1）

　　式中，η为润滑油的黏度（ｍＰａ·ｓ），Ｎ为轴的转速（r/min），Ｐ为轴单位投影面上的负荷（MPa）。

　　有关研究表明，Ｃ的数值较大时，该轴承一般能保持在良好的流体动力润滑状态下运转。从式（1）可以看出，对于转速快、负荷小的轴承可以用黏度小的润滑油，而对于转速慢、负荷大的轴承则需要黏度大的润滑油。

　　Stribeck曲线应用于润滑摩擦领域，表明边界润滑与流体润滑的区别。不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同。润滑状态分为压力润滑、混合润滑及边界润滑3种形式。当施加的力（F）和相对速率（V）保持一定时，随着润滑油黏度（η）的降低，润滑状态的变化趋势由压力润滑 （Ⅲ）到混合润滑（Ⅱ）再到边界润滑（Ｉ）。Stribeck曲线表达了摩擦系数随润滑状态的变化趋势。在压力润滑情况下，摩擦系数随着黏度的降低而减小，这也是应用低黏度润滑油能够降低摩擦功的主要理论依据。日本于1996年开始就已经在日产、马自达、铃木、三菱、丰田、本田发动机采用0W－20的低黏度润滑油。

　　2.PAO特性成为调和高品质机油的必要组分

　　节能、环保和发动机技术的进步已成为润滑油基础油发展的主要驱动力。目前国际市场对基础油的需求正在从Ⅰ类油向Ⅱ类及Ⅲ类，尤其是Ⅲ类、Ⅳ类PAO基础油转变。不久的将来，Ⅱ类、Ⅲ类及Ⅳ类油将以优异的性能在车用润滑油基础油市场占有绝对地位。市场期待的车用润滑油满足黏度指数高、热氧化安定性好、挥发性低、换油周期长；无硫或低硫添加剂、黏度低、内燃机效率高；环境友好、芳烃含量低等需求，将成为国内外润滑油基础油发展趋势，PAO特点决定需求量将大幅度提升。

　　3.国家环保节能产业政策日趋严格倒逼车用润滑油升级

　　从2000年开始，仅用18年的时间，我国的排放标准走过国外30年的历程，如2017年1月道路机动车排放开始推行国Ⅴ排放标准。国家产业政策《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）（征求意见稿）》推出，也就意味着从2020年7月开始，所有新车上户必须满足新的国Ⅵ排放标准。据悉，广州、深圳、北京、济南将于2019年1月1日提前实施“国Ⅵａ”排放标准。此外在重点区域、珠三角以及成渝地区也将要提前至2019年7月1日起执行；全国其它地区将在2020年7月1日起实施国Ⅵａ。《内燃机油分类》GB/T28772—2012版增加GF-1、SJ、GF-2、SL、GF-3、SM、GF-4、SN、GF-5汽油机油品种和CF、CF-2、CG-4、CH-4、CI-4、C1-4柴油机油品种以及农用柴油机油品种，废除SD、CE以上级别。2017年9月《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》对燃油消耗规定，决定PAO作为调和高品质车用润滑油成为必选。

　　4.2025中国制造促使PAO广泛应用

　　随着润滑油配方的进步，制造精度以及涡轮增压器技术的进步，如日车在制造凸轮轴时，在其表面加附了一种特殊的钻石涂层，凸轮轴和气门顶筒之间的摩擦阻力减少40%。加之使用PAO低黏度润滑油，汽车燃料消耗明显降低。未来几年，不论国外还是国内品牌，用低黏度如0W－20油是大趋势。随着长周期换油、消费成熟和商业模式改变，国内众多润滑油厂商未来将面临洗牌。

　　5.国际润滑剂标准化及批准委员会（ILSAC）标准提高促使PAO应用

　　为了适应发动机技术的发展和日益严格的排放标准，国际润滑剂标准化及批准委员会提出了开发ILSAC GF-6发动机油规格，并引入SAE XW-16黏度等级。相比于GF-5规格，GF-6规格对综合燃油经济性、高温抗氧化性和中低温清净分散性的要求更加严格，并要关注涡轮增压直喷发动机的低速早燃和正时链磨损问题。来自加州的市场调查公司Grand View Research最新发布的研究报告预测，预计在2025年前，PAO的使用量将以每年3.5%的速率递增，全球PAO市场需求量将达到81.52万ｔ。

来源：润滑油品导购

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