知否？知否？潤滑油基礎油：車用PAO的未來展望

　　潤滑油基礎油的歷史發展過程離不開技術進步和制造業水平的提升，隨著國際潤滑油標準化及批準委員會（ILSAC）GF-6（API為SN-Plus）的即將推出和國家相關產業政策陸續出臺，精細化工行業整體生產技術水平的提高，加之國家精密機械制造水平的不斷進步，用戶素養的不斷提高和理念的轉變，以及對長周期換油的需求，國內車用PAO基礎油需求量將不斷增加。

　　2017年全球基礎油產能達到了5798萬t/a，比2010年增長17%。2010年至今，全球Ⅰ類（API－1509分類）基礎油產能下降20%，Ⅱ類基礎油產能增加75%，Ⅲ類基礎油產能增長137%，占比從2010年的7%升至2017年的13%。目前北美和歐洲是Ⅲ類基礎油的主要消費區域。據中國海關總署數據顯示，2017年中國進口基礎油總量為281.6萬ｔ，其中環烷基油為1.3萬ｔ，Ⅲ類基礎油為62.4萬ｔ、Ⅱ類基礎油為157.6萬ｔ、Ⅰ類基礎油為60.3萬ｔ。據不完全統計，目前Ⅳ類聚α－烯烴（Polyalphaolefins, PAO）國內需求量60.5萬t/a（其中低黏度約45.7萬t/a，高黏度14.8萬t/a），需求量約95%需要進口。我國作為潤滑油的主要生產國，產能多年來一直穩居世界第三位，截至2017年11月，中國Ⅱ類基礎油裝置產能達到521萬t/a。隨著“一帶一路”戰略建設深入，我國汽車、工程機械、電力、鋼鐵、機床行業的快速增長，裝備技術的不斷提升，中國制造2025規劃的提出，我國潤滑油需求量持續增長，已成為全球第二大潤滑油市場，2017年觀消費量為673.9萬ｔ。

　　隨著汽車發動機的設計理念向節能、環保方向的轉變，發動機設計的大壓縮比小型化，功率體積比升高，熱負荷和機械負荷不斷增加的趨勢；加之用戶對延長換油期的需求，都對潤滑油基礎油提出了更高的標準和質量要求。傳統的老三套工藝生產的APIＩ類潤滑油基礎油已經不能滿足現在設備對潤滑油的低揮發性、良好的低溫性能、高黏度指數、很好的熱氧化安全性等的要求。部分加氫Ⅱ類和全加氫Ⅲ類基礎油成為主流，Ⅳ類PAO優越性能作為汽車高品質潤滑油組分油成為必須。

　　潤滑油基礎油發展概述

　　礦物潤滑油基礎油來源于石油（亦稱原油），國內“石油”一詞始于北宋沈括著的《夢溪筆談》：“鄜延境內有石油，舊說高奴縣出脂水即此也”。到北宋神宗時期，中央軍器監屬下的作坊中就有描繪加工原油的“猛火油作”和使用猛火油的器械“猛火油柜”等詞匯。可見當時石油已用于軍事方面；至少在公元前17世紀，古埃及就出現了使用橄欖油來搬運巨石的記載，而到了公元前14世紀，人類甚至能用動物的油脂對戰車輪軸進行潤滑，減少摩擦。石油煉制工業始于19世紀初的歐美國家，經過100多年的發展，特別是在第二次世界大戰的刺激下，在石油煉制工業發展基礎上，潤滑油品質需求和基礎油的生產得到極大的改善和進步。

　　1. 近代煉油工業的技術進步促進潤滑油基礎油生產技術進步

　　20世紀30年代前后，煉油工業的另一重要進展是潤滑油生產技術日臻成熟。為了分餾出黏溫性能好的潤滑油料和獲得更多的輕質油品，發展了減壓蒸餾（也稱原油蒸餾）；為了脫除潤滑油料中的石蠟和其它雜質，開發了離心脫蠟、溶劑脫蠟、溶劑精制、丙烷脫瀝青等工藝。與此同時，潤滑油添加劑的使用，極大改善了潤滑油的質量，延長了設備的使用壽命。此階段主要是物理過程（熱加工）工藝。二次世界大戰前后，要求機械設備在較苛刻的條件下工作，一般礦物油已不能滿足使用要求，加之有些國家如德國、日本的石油資源短缺，因而促使通過化學合成的方法研制性能更好的潤滑油基礎油。上世紀40年代催化裂化、異構化等裝置，50年代汽柴油、潤滑油加氫、60年代出現的含分子篩的催化裂化催化劑等技術出現，使加氫合成潤滑基礎油工業化得以實現，此階段被稱為化學過程（催化加氫）工藝。

　　2. 國內外PAO研發與現代工業裝備制造業進步協同發展

　　1876年，俄國巴拉罕建立了世界上第一個潤滑油生產廠。兩年后，俄國人在巴黎世界博覽會上推出了第一批礦物潤滑油樣品。從此，潤滑油作為一種材料、一類產品和一門科學進入了人們的世界，這也是潤滑油發展史上一個里程碑式的記錄。國外合成潤滑油的研究是從合成烴開始的。早在1929年，美國就開始生產PAO和聚1－丁烯合成油。1934年，美國人Sullivan等合成了PAO，與此同時，德國人Zorn也發現了與Sullivan相同的制備合成烴的方法。從1939年第二次世界大戰開始，德國人利用石蠟裂解所得的α－烯烴生產PAO潤滑油基礎油。我國合成潤滑基礎油工業起步于上世紀50年代，起始于聚烯烴潤滑材料的研發。60年代初開始研究酯類合成油，主要用于酯類航空潤滑油、精密儀表油和高溫潤滑脂，主要供應航空工業使用；70年代中期研究出了聚醚類產品；80年代以來，對合成潤滑產品的生產工藝進行改進，優化生產條件，降低原材料消耗，開發新品種和擴展產品市場，但總體與國外在技術研發和加工成本控制有明顯差距。

　　3. 基礎油分類標準及對PAO的定義

　　基礎油種類按照API1509分成以下5種類別（見表1），Ⅰ類為傳統溶劑精煉礦物油，Ⅱ類為加氫裂解礦物油，Ⅲ類為高度加氫裂解或加氫異構化蠟；以上原料都來源于石油常減壓裝置減底油和側線VGO，后兩類有化學反應過程。Ⅳ類為石蠟分解法與乙烯齊聚的合成基礎油（特指合成烴基礎油，簡稱PAO），Ⅴ類為除以上其他類型的基礎油。

　　由于Ⅲ類基礎油基本理化指標與PAO接近，也是現在市場上混淆最厲害的基礎油。代表性的是嘉實多公司從1999年開始使用Ⅲ類基礎油VHVI(very high viscosity index)代替原來配方的PAO，貼上“Synthesis”－合成油的標簽，而現在國內很多品牌也照搬。隨著加工工藝的提高，在Ⅲ類基礎油VHVI上又有了：IDW（加氫裂化－異構脫蠟）雪佛龍公司專利，MSDW（加氫處理－加氫異構化和加氫裂化－選擇性脫蠟）埃克森美孚公司專利，XHVI（加氫異構化生產超高黏度指數）和溶劑精制－加氫混合法（RHC）殼牌公司專利技術，行業現在都泛稱為合成基礎油，技術層面也單獨劃稱之為Ⅲ＋類基礎油。其中埃克森美孚公司半合成油基本都是使用MSDW技術，稱為合成科技。綜上可以看出市面上有很多所謂的泛稱全合成油，其實并非是真正科學意義上的全合成油，它們大多數屬于高度精煉加氫的第三類礦物油（Group III），而真正科學意義上的全合成油分兩種，第一種是PAO，另一種便是以酒精和脂肪酸為基礎材料，經化學縮聚反應而合成的酯類油。我們也可以理解合成油包含PAO，“合成油”是一個市場上的叫法，不是一個技術的精確分類，本文采用科學意義合成油的概念即單指Ⅳ類PAO，其分類見表2。

　　在這里還需明確“半合成油”概念，它是一種以礦物油Ⅰ類和/或Ⅱ類為主、為了改善其某些性能，在礦物油中加入一定比例的合成油（也可理解是Ⅱ類或Ⅲ類基礎油），以滿足潤滑油最終使用性能的混合基礎油。

　　PAO基礎油的特點及應用

　　1. PAO基礎油的特點

　　PAO基礎油是由一定碳數的α－烯烴在催化體系作用下齊聚再加氫精制飽和的烯烴低聚物，與傳統礦物基礎油相比，分子結構規整，其具有優異的黏溫性能（見黏度指數）和高低溫性能（見CCS），分別見表3和表4。

　　從表3和表4可以看出，PAO在本質上使用的是原油基中較好的成分乙烯，國內目前比較成熟的是以煤基烯烴作為原料，加以化學反應并透過人為的控制達到預期的分子形態，其分子排列整齊，具有更整齊的側鏈結構，比傳統的“老三套”及溫和加氫基礎油表現出更高的黏度指數、更低的傾點、更好的低溫流動性、低揮發損失、氧化安定性好、生物降解性好等。它針對汽車潤滑系統有利于減少摩擦，延長換油周期，節約燃油。

　　2.PAO基礎油的應用

　　α－烯烴用途廣泛，不同單體聚合度不一樣，產品特征也不一樣（見表5）。

　　PAO基礎油由于其特殊性能，是汽車、機械工業和航天工業用合成潤滑油的主要原料（詳見表6）。

　　如從設備苛刻運行條件看，航空發動機以及R134A等為冷媒的制冷壓縮機等需要用PAO；從節約能源、成本和延長換油周期角度看，一些汽車、船舶、工業設備以及風力渦輪需要PAO；從產品衍生角度看，由于PAO不含芳烴和環烴，可生物降解，無毒性，優異環保型基礎油，也可應用在化妝品、食品機械油等。車用PAO潤滑油（包括半合成和全合成）的優點是：①低溫流動性好，冷起動性優良，最低冷起動溫度為－45℃；②分子排列整齊，高溫氧化安定性好，可改善發動機的清凈性；③換油及油濾的周期長，燃料平均節約4.2%，潤滑油年耗下降55.9%。國外發達國家車用潤滑油已經向低黏度趨勢發展（見圖1），從低黏度機油≤SAE 5W用量增加，表明PAO作為調低溫性能好的機油組分油用量在增加。

　　3.國內外PAO基礎油生產現狀

　　近年來，隨著潤滑油升級速度加快，市場對于高端潤滑油產品需求增長，帶動了PAO基礎油需求的迅速增長。工業上，以乙烯等低分子烯烴為原料，通過齊聚反應，得到Ｃ8～Ｃ12烯（最好是1－癸烯LAO），進一步加工可生產PAO。當前全球PAO生產供應主要集中在ExxonMobil, Ineos, Chevron Philips, Chemtura（已被德國朗盛公司收購）等跨國公司。目前國內以乙烯等低分子烯烴為原料的PAO產能未有明顯提升，約95%的PAO需求量依靠進口，只有約5%是采用蠟裂解法和傳統PAO（非茂金屬）生產。近年來，部分企業和研究院所涉足非蠟裂解法PAO生產，如上海納克、沈陽宏城、山西潞安納克、中科院上海高等研究院等，但由于上游原料制約及自身技術成熟度等原因，其產品質量穩定性和所占市場份額極其有限。目前國內有不負責任的潤滑油從業員或個別不負責任的公司，宣稱自己公司能生產出PAO基礎油，實際只是一種營銷手段，或者只是一個中間貿易商。

　　國內Ⅱ／Ⅲ類合成潤滑基礎油的生產技術已較為成熟，Ⅰ類基礎油生產裝置逐步關停縮小產量，Ⅳ類基礎油茂催化劑生產正在工業化放大過程中。從行業整體技術水平看，與國際先進水平相比仍有一定的差距，具體表現為：①技術研發創新設計能力不足，開發創新系統性、產品系列化和多樣性不夠；②產品應用研究不充分，缺乏經驗積累；③產品開發、市場開發的周期長，催化劑體系成本高；④生產過程的精準控制不到位，產品質量波動大，生產工藝及裝備技術水平自動化亟待提升。但隨著市場需求，我國行業內人員的經驗積累和專業水平的提高，會加速解決我國PAO基礎油的生產技術瓶頸。

　　4. 國內外車用潤滑油差距

　　由于國內的PAO產能小，產品黏度等級覆蓋范圍小，質量差，無法和國外產品相競爭，我國的潤滑油與發達國家水平差距明顯，同時冶金材料、發動機設計及精密制造、排放法規和其它政府法規的變化都對潤滑油構成了挑戰，關鍵原料（如PAO）、內燃機某些復合添加劑還是基本依賴進口，嚴重影響了我國高檔潤滑油產品的開發和市場地位，造成我國車用潤滑油與歐美日落后20～25ａ。ILSAC GF-5于2009年12月22日發布，美國于2010年開始普遍施行。2011年，美國新生產下線的乘用車都已經使用符合ＧＦ－5規格的機油進行保養。目前在中國高低檔、新舊車況車輛共存的現狀決定了潤滑油市場高、中、低檔油并存的局面和目前潤滑油國家標準、行業標準、企業標準、協議標準共存的事實。因此，盡快發展高品質PAO合成的相關工藝技術，并建立相應的工業化生產裝置，提供高質量的PAO合成潤滑油基礎油，對于解決我國高檔潤滑油的國產化，實現我國潤滑油發展戰略是非常必要的。

　　PAO基礎油的發展趨勢

　　1.低黏度車用潤滑油成為主流依據充分

　　潤滑油黏度、軸轉速和軸上負荷這三者的關系可以用軸承特性因數Ｃ來表示，見式（1）。

　　C=ηN/P（1）

　　式中，η為潤滑油的黏度（ｍＰａ·ｓ），Ｎ為軸的轉速（r/min），Ｐ為軸單位投影面上的負荷（MPa）。

　　有關研究表明，Ｃ的數值較大時，該軸承一般能保持在良好的流體動力潤滑狀態下運轉。從式（1）可以看出，對于轉速快、負荷小的軸承可以用黏度小的潤滑油，而對于轉速慢、負荷大的軸承則需要黏度大的潤滑油。

　　Stribeck曲線應用于潤滑摩擦領域，表明邊界潤滑與流體潤滑的區別。不同的摩擦狀態表現出的摩擦系數不同。潤滑狀態分為壓力潤滑、混合潤滑及邊界潤滑3種形式。當施加的力（F）和相對速率（V）保持一定時，隨著潤滑油黏度（η）的降低，潤滑狀態的變化趨勢由壓力潤滑 （Ⅲ）到混合潤滑（Ⅱ）再到邊界潤滑（Ｉ）。Stribeck曲線表達了摩擦系數隨潤滑狀態的變化趨勢。在壓力潤滑情況下，摩擦系數隨著黏度的降低而減小，這也是應用低黏度潤滑油能夠降低摩擦功的主要理論依據。日本于1996年開始就已經在日產、馬自達、鈴木、三菱、豐田、本田發動機采用0W－20的低黏度潤滑油。

　　2.PAO特性成為調和高品質機油的必要組分

　　節能、環保和發動機技術的進步已成為潤滑油基礎油發展的主要驅動力。目前國際市場對基礎油的需求正在從Ⅰ類油向Ⅱ類及Ⅲ類，尤其是Ⅲ類、Ⅳ類PAO基礎油轉變。不久的將來，Ⅱ類、Ⅲ類及Ⅳ類油將以優異的性能在車用潤滑油基礎油市場占有絕對地位。市場期待的車用潤滑油滿足黏度指數高、熱氧化安定性好、揮發性低、換油周期長；無硫或低硫添加劑、黏度低、內燃機效率高；環境友好、芳烴含量低等需求，將成為國內外潤滑油基礎油發展趨勢，PAO特點決定需求量將大幅度提升。

　　3.國家環保節能產業政策日趨嚴格倒逼車用潤滑油升級

　　從2000年開始，僅用18年的時間，我國的排放標準走過國外30年的歷程，如2017年1月道路機動車排放開始推行國Ⅴ排放標準。國家產業政策《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）（征求意見稿）》推出，也就意味著從2020年7月開始，所有新車上戶必須滿足新的國Ⅵ排放標準。據悉，廣州、深圳、北京、濟南將于2019年1月1日提前實施“國Ⅵａ”排放標準。此外在重點區域、珠三角以及成渝地區也將要提前至2019年7月1日起執行；全國其它地區將在2020年7月1日起實施國Ⅵａ。《內燃機油分類》GB/T28772—2012版增加GF-1、SJ、GF-2、SL、GF-3、SM、GF-4、SN、GF-5汽油機油品種和CF、CF-2、CG-4、CH-4、CI-4、C1-4柴油機油品種以及農用柴油機油品種，廢除SD、CE以上級別。2017年9月《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》對燃油消耗規定，決定PAO作為調和高品質車用潤滑油成為必選。

　　4.2025中國制造促使PAO廣泛應用

　　隨著潤滑油配方的進步，制造精度以及渦輪增壓器技術的進步，如日車在制造凸輪軸時，在其表面加附了一種特殊的鉆石涂層，凸輪軸和氣門頂筒之間的摩擦阻力減少40%。加之使用PAO低黏度潤滑油，汽車燃料消耗明顯降低。未來幾年，不論國外還是國內品牌，用低黏度如0W－20油是大趨勢。隨著長周期換油、消費成熟和商業模式改變，國內眾多潤滑油廠商未來將面臨洗牌。

　　5.國際潤滑劑標準化及批準委員會（ILSAC）標準提高促使PAO應用

　　為了適應發動機技術的發展和日益嚴格的排放標準，國際潤滑劑標準化及批準委員會提出了開發ILSAC GF-6發動機油規格，并引入SAE XW-16黏度等級。相比于GF-5規格，GF-6規格對綜合燃油經濟性、高溫抗氧化性和中低溫清凈分散性的要求更加嚴格，并要關注渦輪增壓直噴發動機的低速早燃和正時鏈磨損問題。來自加州的市場調查公司Grand View Research最新發布的研究報告預測，預計在2025年前，PAO的使用量將以每年3.5%的速率遞增，全球PAO市場需求量將達到81.52萬ｔ。