CN115197767B - 齿轮润滑油组合物 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种齿轮润滑油组合物，包括以下质量分数的组份：基础油76％～86％、黏度指数改进剂8％～13％、摩擦改进剂0.1％～5％、其他助剂1.5％～15％；摩擦改进剂包括质量分数为8％～82％的脂肪胺、8％～82％的脂肪酰胺以及8％～82％的单脂肪酸甘油酯。上述齿轮润滑油组合物包含特定含量的基础油、黏度指数改进剂、摩擦改进剂以及其他助剂，保证齿轮润滑油组合物具有较高的黏度指数和良好的剪切安定性，有利于传动效率的提升，并选择特定比例的脂肪胺、脂肪酰胺以及单脂肪酸甘油酯，作为复合摩擦改进剂，整体分子极性强，更容易与金属表面产生吸附作用，能够达到最佳的减少摩擦效果，使得其节能效果最大化。

Description

齿轮润滑油组合物

技术领域

本发明涉及润滑油领域，特别是涉及一种齿轮润滑油组合物。

背景技术

车辆齿轮润滑油用于各种车辆的传动系统，具有减少摩擦磨损、提高传动效率的作用。传动系统所用车辆齿轮润滑油是重型卡车变速器和中桥、后桥的关键部分之一，一方面为变速器和中桥、后桥提供充分的润滑和冷却作用，保证各部件间的良好配合，另一方面对摩擦部位提供抗磨保护，保证车辆长久的运行寿命。车辆传动系统，尤其是重型卡车传动系统，通常采用基于矿物油的极压齿轮润滑油。通过对齿轮润滑油配方进行适当优化，可达到降低摩擦、减少能量损失以及提高传动效率的作用。同时，优化齿轮润滑油的另一个益处在于，不需要对现有硬件系统进行大幅度设计优化，容易实现且成本在一定范围内可控。传统的摩擦改进剂的关注重点在于润滑油的润滑效果，即具有油膜保持度，而很少涉及如何使润滑油的节能效果最大化。

发明内容

基于此，有必要提供一种齿轮润滑油组合物，以提高传动系统的传动效率，提高节能效果。

一种齿轮润滑油组合物，包括以下质量分数的组份：

所述摩擦改进剂包括质量分数为8％～82％的脂肪胺、质量分数为8％～82％的脂肪酰胺以及质量分数为8％～82％的单脂肪酸甘油酯。

在其中一个实施例中，所述脂肪胺选自十二胺、十四胺、十六胺、十八胺以及油胺中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述脂肪酰胺选自月桂酰胺、棕榈酰胺、硬脂酰胺、油基棕榈酰胺、十六碳烯酰胺以及油酸酰胺中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述单脂肪酸甘油酯选自单棕榈酸甘油酯、单硬脂酸甘油酯、单棕榈油酸甘油酯、单油酸甘油酯、单亚油酸甘油酯以及单亚麻酸甘油酯中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述脂肪胺、所述脂肪酰胺和/或所述单脂肪酸甘油酯的脂肪链中均含有一个碳碳双键。

在其中一个实施例中，所述脂肪胺、所述脂肪酰胺和/或所述单脂肪酸甘油酯的脂肪链的碳原子数为14～20。

在其中一个实施例中，所述基础油选自三类基础油和四类基础油中的至少一种。

在其中一个实施例中，基础油在100℃下的运动黏度不大于8mm²/s。

在其中一个实施例中，所述黏度指数改进剂的剪切稳定性指数不大于20。

在其中一个实施例中，所述黏度指数改进剂选自聚烯烃和聚丙烯酸酯中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述其他助剂包括如下质量分数的各组分：

在其中一个实施例中，所述极压抗磨剂选自硫代磷酸酯胺盐、烷基二硫代磷酸锌和烷基亚磷酸酯中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述金属腐蚀抑制剂选自噻二唑衍生物、苯三唑衍生物和脂肪胺中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述抗氧剂选自N,N'-二苯基对苯二胺、4-羟甲基-2,6- 二特丁基苯酚、6-甲基-4-十二烷基苯酚、4-甲基-6-4丁基苯酚、4-乙基-6-叔丁基苯酚中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述清净剂选自石油磺酸钙和烷基酚盐中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述分散剂选自丁二酰亚胺、丁二酸酯和聚异戊二烯中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述降凝剂选自聚甲基丙烯酸酯KS 300、聚α-烯烃和烷基萘中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述抗泡剂选自甲基硅油、甲苯基硅油和甲基硅氧烷中的至少一种。

与现有方案相比，上述齿轮润滑油组合物具有以下有益效果：

上述齿轮润滑油组合物包含特定含量的基础油、黏度指数改进剂、摩擦改进剂以及其他助剂，保证齿轮润滑油组合物具有较高的黏度指数和良好的剪切安定性，有利于传动效率的提升。所采用的摩擦改进剂为两性分子，其分子结构由一个非极性的碳链和极性的端部基团所构成。分子中极性的端部基团对金属表面有很强的亲和力，可以吸附在金属表面，而其非极性的碳链伸向基础油中。依此方式，摩擦改进剂分子在金属表面定向排列，形成一层分子膜。同时，更多的摩擦改进剂分子可通过非极性链的反向吸附再次成膜，最终在金属表面形成多层摩擦改进剂分子膜。这样的多层分子膜难以被压缩，可以在一定压力下有效分隔两个金属表面，且其多层结构可随着剪切作用做相对滑动甚至被剪断，从而降低零件之间的摩擦阻力，达到减少磨损、提高传动效率的效果。上述齿轮润滑油组合物选择质量分数为8％～82％的脂肪胺、质量分数为8％～82％的脂肪酰胺以及质量分数为8％～82％的单脂肪酸甘油酯，作为复合摩擦改进剂，整体分子极性强，更容易与金属表面产生吸附作用，能够达到最佳的减少摩擦效果，使得其节能效果最大化。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明一实施例的齿轮润滑油组合物，包括以下质量分数的组份：

其中，摩擦改进剂包括质量分数为8％～82％的脂肪胺、质量分数为8％～82％的脂肪酰胺以及质量分数为8％～82％的单脂肪酸甘油酯。

基础油优选采用三类基础油和四类基础油中的至少一种。为调制相应黏度级别的油品，优选所采用的基础油在100℃下的运动黏度不大于8mm²/s。

上述基础油搭配适宜SSI(剪切稳定性指数)的黏度指数改进剂，以在达到运动黏度目标值的同时进一步提高黏度指数。通过控制齿轮润滑油组合物处于合适的黏度，有利于传动效率的提升。

由于齿轮润滑油的黏度受基础油的黏度和黏度指数改进剂的共同影响，优化时须考虑两者的搭配并匹配目标黏度水平。黏度指数改进剂的SSI优选不大于20，例如15～20，可选用聚烯烃和聚丙烯酸酯中的一种或多种，其添加量可在8％～13％之间，以具有较高的黏度指数和良好的剪切安定性。

此外，还可部分采用合成酯类基础油，一方面有利于调整油品的高低温黏度，另一方面可进一步提高黏度指数，有利于传动效率的提升。

可选地，脂肪胺可选用但不限于十二胺、十四胺、十六胺、十八胺以及油胺中的至少一种。

脂肪酰胺可选用但不限于月桂酰胺、棕榈酰胺、硬脂酰胺、油基棕榈酰胺、十六碳烯酰胺以及油酸酰胺中的至少一种。

单脂肪酸甘油酯可选用但不限于单棕榈酸甘油酯、单硬脂酸甘油酯、单棕榈油酸甘油酯、单油酸甘油酯、单亚油酸甘油酯以及单亚麻酸甘油酯中的至少一种。

其中部分摩擦改进剂的化学结构如表1所示。

表1

上述齿轮润滑油组合物采用的摩擦改进剂为两性分子，其分子结构由一个非极性的碳链和极性的端部基团所构成。分子中极性的端部基团对金属表面有很强的亲和力，可以吸附在金属表面，而其非极性的碳链伸向基础油中。依此方式，摩擦改进剂分子在金属表面定向排列，形成一层分子膜。同时，更多的摩擦改进剂分子可通过非极性链的反向吸附再次成膜，最终在金属表面形成多层摩擦改进剂分子膜。

这样的多层分子膜难以被压缩，可以在一定压力下有效分隔两个金属表面，且其多层结构可随着剪切作用做相对滑动甚至被剪断，从而降低零件之间的摩擦阻力，达到减少磨损、提高传动效率的效果。具有良好减少摩擦效果的摩擦改进剂主要有脂肪酸衍生物类摩擦改进剂，包括脂肪酸、脂肪醇、脂肪酸酯、脂肪胺和脂肪酰胺等。

影响减少摩擦效果的因素之一是摩擦改进剂的极性基团结构。极性基团中含有较高电负性的氮或氧原子，其吸电子作用可使极性基团具有更高的电子云密度。某些极性基团的电子云分布在合适条件下可以与金属表面结构产生更强的相互作用，使其吸附更加容易发生且更牢固，因此比其他结构有更好的减摩效果。

研究发现，伯胺基团由于氮原子本身存在的孤对电子，较容易与金属表面发生作用；酰胺基团除氮原子外，其相邻位置上羰基的氧原子也可以获得较高的电子云密度，因此有利于与金属表面的作用；单甘油酯基团除了具有较高极性的羰基和相邻氧原子之外，还具有两个羟基结构，除可在金属表面有效吸附外，还可通过较强的氢键作用吸引相邻的分子，更有利于摩擦改进剂分子成膜。

相比这三类结构，含有普通酯基、羧基或羟基的脂肪酸酯、脂肪酸或脂肪醇，其作用则相对偏弱。另外羧基由于其自身的酸性，容易与其他物质发生作用，因此在复杂体系中并不总能体现出良好作用。

上述齿轮润滑油组合物选择质量分数为8％～82％的脂肪胺、质量分数为 8％～82％的脂肪酰胺以及质量分数为8％～82％的单脂肪酸甘油酯，作为复合摩擦改进剂，整体分子极性强，更容易与金属表面产生吸附作用，能够达到最佳的减少摩擦效果，使得其节能效果最大化。

进一步地，脂肪胺的质量分数为10％～80％，脂肪酰胺的质量分数为 10％～80％，以及单脂肪酸甘油酯的质量分数为10％～80％。

在其中一个示例中，脂肪胺、脂肪酰胺和/或单脂肪酸甘油酯的脂肪链的碳原子数为14～20。

研究发现，摩擦改进剂的减摩效果与碳链结构有一定的相关性。如碳链中碳原子数低于20时，较长的碳链结构有利于获得更好的减摩效果。例如在同样条件下，碳数为18的硬脂酸的减摩效果优于碳数为12的月桂酸。如碳链中碳原子数超过20时，其对减摩效果的提升作用逐渐不再显著。此外，过长的饱和碳链会导致分子的凝点较高，影响其在润滑油中的溶解性，例如十八胺的凝点约为54℃，而十二胺的凝点约为28℃。上述示例中，摩擦改进剂中脂肪链的碳原子数选择为14～20，使其同时具有良好的减摩效果以及溶解性。

在其中一个示例中，脂肪胺、脂肪酰胺和/或单脂肪酸甘油酯的脂肪链中均含有一个碳碳双键。

研究发现，摩擦改进剂分子采用含有不饱和碳碳双键的长碳链结构，能够提高其在润滑油中的溶解性。然而碳链中过多不饱和双键的存在会对减摩效果起负面影响，因此碳链中双键的数量应为一个。因此，可以采用含有一个不饱和碳碳双键、碳链更长的摩擦改进剂，以提高减摩效果。

根据以上条件，优选脂肪胺为油胺，优选脂肪酰胺为油酸酰胺、油基棕榈酰胺，优选单脂肪酸甘油酯为单油酸甘油酯、单棕榈油酸甘油酯。

摩擦改进剂在齿轮润滑油组合物中的质量分数为0.1％～5％。进一步地，在其中一个示例中，摩擦改进剂的质量分数为0.2％～3％。在一些具体的示例中，摩擦改进剂的质量分数为0.2％、0.5％、1％、1.5％、2％、3％等。

在其中一个示例中，所述其他助剂包括如下质量分数的各组分：

在其中一个示例中，极压抗磨剂可选用但不限于硫代磷酸酯胺盐、烷基二硫代磷酸锌、烷基亚磷酸酯中的至少一种。

在其中一个示例中，金属腐蚀抑制剂可选用但不限于噻二唑衍生物、苯三唑衍生物、脂肪胺中的至少一种。

在其中一个示例中，抗氧剂可选用但不限于N,N'-二苯基对苯二胺、4-羟甲基-2,6-二特丁基苯酚、6-甲基-4-十二烷基苯酚、4-甲基-6-4丁基苯酚、4-乙基-6- 叔丁基苯酚的至少一种。

在其中一个示例中，清净剂可选用但不限于石油磺酸钙、烷基酚盐中的至少一种。

在其中一个示例中，分散剂可选用但不限于丁二酰亚胺、丁二酸酯、聚异戊二烯中的至少一种。

在其中一个示例中，降凝剂可选用但不限于聚甲基丙烯酸酯KS 300、聚α- 烯烃、烷基萘中的至少一种。

抗泡剂可选用但不限于甲基硅油、甲苯基硅油、甲基硅氧烷中的至少一种。

上述齿轮润滑油组合物的制备方法包括以下步骤：

将基础油、黏度指数改进剂、摩擦改进剂以及所述其他助剂共混，搅拌均匀。

下面提供具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于下述实施例。应当理解，所附权利要求概括了本发明的范围，在本发明构思的引导下，本领域的技术人员应意识到，对本发明的各实施例所进行的一定的改变，都将被本发明的权利要求书的精神和范围所覆盖。

以下实施例中，油酸酰胺、油胺、单油酸甘油酯按照以下方法合成。

油酸酰胺按如下方法合成:

将20kg油酸和212kg二氯甲烷装入反应器，并启动搅拌器。在1小时内将所得溶液加热至40℃下回流。在1小时内，向回流溶液中加入10kg二氯亚砜溶液。持续搅拌回流3小时，将黄色油酰氯溶液冷却至20℃并在氮气环境中储存备用。

将600kg二氯甲烷装入另一反应器并启动搅拌器。冷却至0℃。加入48kg 液氨。在0℃下用1.5小时向氨溶液中逐步加入所获得的油酰氯溶液。将反应混合物在0℃下继续搅拌，2小时后分析反应混合物的样品并控制反应时间，直至油酰氯反应完全。

然后，向上述反应物中添加400L浓度为5M(即mol/L)的盐酸溶液。分离并保留下部的二氯甲烷层，用80L浓度为1M的碳酸钠溶液洗涤两次。合并的碳酸盐洗涤液用106kg二氯甲烷萃取和反萃取，合并得到的二氯甲烷层，用 100L水洗涤三次，得到产物的二氯甲烷溶液。将所得的二氯甲烷溶液蒸馏，获得油酸酰胺粗品，经精制可获得油酸酰胺摩擦改进剂。

油胺按如下方法合成：

将以上获得的油酸酰胺二氯甲烷溶液在大气压下蒸馏至最小搅拌体积，然后加入425kg四氢呋喃，同时继续蒸馏直至温度达到65℃以上，且二氯甲烷浓度低于1％时停止。将四氢呋喃溶液浓缩至浓度为10％，从反应器中取出并储存。

将160kg的1.0M氢化铝锂的四氢呋喃溶液装入反应器并启动搅拌器，加热至60℃。在2小时内将四氢呋喃酰胺溶液逐渐加入到氢化锂铝溶液中。在60℃下搅拌2小时，监控反应直至油酸酰胺反应完全，将反应混合物冷却至20℃。

在2小时内将上述反应混合物卸料到800kg的32％氢氧化钠溶液中，同时保持反应器内容物的温度低于40℃。加入150kg叔丁基甲基醚并搅拌半小时。使混合物分离，保留上层有机层，下层水层用75kg叔丁基甲基醚再萃取。将两次的有机层合并，用200L去离子水洗涤三次。将所得有机溶液浓缩，得到粗产物在叔丁基甲基醚中20％溶液，经蒸馏和酸碱洗涤精制后，得到油胺摩擦改进剂。

单油酸甘油酯按如下方法合成：

将6kg丙三醇、20kg甲苯及0.2kg对甲苯磺酸作为底料加入反应釜，开启搅拌，加热釜内物料并回流。当温度达到140℃时，开始向釜内逐渐加入15kg 油酸，进行酯化反应。待油酸全部加完后，在140℃下搅拌并监测反应进度。待油酸反应完全后停止反应，釜内物料通过碱洗和水洗后，蒸馏结晶得到单油酸甘油酯摩擦改进剂。

实施例1

本实施例提供一种齿轮润滑油组合物，其组成如表2所示。

表2

摩擦改进剂按如下方法制备：

将油酸酰胺、油胺和单油酸甘油酯摩擦改进剂按一定质量分数置于容器中，在20℃条件下进行搅拌混合，得到复合摩擦改进剂。

实施例2

本实施例提供一种齿轮润滑油组合物，其组成如表3所示。

表3

摩擦改进剂的制备同实施例1。

实施例3

本实施例提供一种齿轮润滑油组合物，其组成如表4所示。

表4

摩擦改进剂的制备同实施例1。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，区别在于：

油酸酰胺、油胺、单油酸甘油酯的质量比为40:40:20。

实施例5

本实施例与实施例1基本相同，区别在于：

油酸酰胺、油胺、单油酸甘油酯的质量比为15:75:10。

实施例6

本实施例与实施例1基本相同，区别在于：

油酸酰胺、油胺、单油酸甘油酯的质量比为10:15:75。

实施例7

本实施例与实施例1基本相同，区别在于：

油酸酰胺、油胺、单油酸甘油酯的质量比为15:10:75。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于：摩擦改进剂为油酸酰胺。

对比例2

本对比例与实施例1的区别在于：摩擦改进剂为单油酸甘油酯。

对比例3

本对比例与实施例1的区别在于：摩擦改进剂为油胺。

对比例4

本对比例与实施例1的区别在于：摩擦改进剂为十六胺。

将上述实施例和对比例制备得到的齿轮润滑油组合物进行节能测试：

针对不同的齿轮转速和扭矩的工况，对每个工况设定一个权重系数，从各工况下的稳态效率计算出综合效率。测试结果如表5所示。

表5

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准，说明书可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种齿轮润滑油组合物，其特征在于，包括以下质量分数的各组份：

基础油            76%~86%、

黏度指数改进剂    8%~13%、

摩擦改进剂        0.1%~5%、

其他助剂          1.5%~15%；

所述摩擦改进剂包括质量分数为8%~82%的脂肪胺、质量分数为8%~82%的脂肪酰胺以及质量分数为8%~82%的单脂肪酸甘油酯，所述脂肪胺为油胺，所述脂肪酰胺和所述单脂肪酸甘油酯的脂肪链的碳原子数为14~20，所述脂肪胺、所述脂肪酰胺和所述单脂肪酸甘油酯的脂肪链中均含有一个碳碳双键。

2.如权利要求1所述的齿轮润滑油组合物，其特征在于，所述脂肪酰胺选自油基棕榈酰胺、十六碳烯酰胺以及油酸酰胺中的至少一种。

3.如权利要求1所述的齿轮润滑油组合物，其特征在于，所述单脂肪酸甘油酯选自单棕榈油酸甘油酯、单油酸甘油酯中的至少一种。

4.如权利要求1~3中任一项所述的齿轮润滑油组合物，其特征在于，所述基础油选自三类基础油和四类基础油中的至少一种。

5.如权利要求4所述的齿轮润滑油组合物，其特征在于，所述基础油在100℃下的运动黏度不大于8 mm²/s。

6.如权利要求5所述的齿轮润滑油组合物，其特征在于，所述黏度指数改进剂的剪切稳定性指数不大于20。

7.如权利要求5所述的齿轮润滑油组合物，其特征在于，所述黏度指数改进剂选自聚烯烃和聚丙烯酸酯中的至少一种。

8.如权利要求1~3、5、6中任一项所述的齿轮润滑油组合物，其特征在于，所述其他助剂包括如下质量分数的各组分：

极压抗磨剂          0.3%～0.8%、

金属腐蚀抑制剂      0.3%～0.7%、

抗氧剂              0.6%～0.9%、

清净剂              0.1%～0.4%、

分散剂              0.1%～0.4%、

降凝剂              0.1%～0.3 %、

抗泡剂              0.1%～0.3 %。

9.如权利要求8所述的齿轮润滑油组合物，其特征在于，所述极压抗磨剂选自硫代磷酸酯胺盐、烷基二硫代磷酸锌和烷基亚磷酸酯中的至少一种；和/或

所述金属腐蚀抑制剂选自噻二唑衍生物、苯三唑衍生物和脂肪胺中的至少一种；和/或

所述抗氧剂选自N,N'-二苯基对苯二胺、4-羟甲基-2,6-二特丁基苯酚、6-甲基-4-十二烷基苯酚、4-甲基-6-4丁基苯酚和4-乙基-6-叔丁基苯酚中的至少一种。

10.如权利要求8所述的齿轮润滑油组合物，其特征在于；所述清净剂选自石油磺酸钙和烷基酚盐中的至少一种；和/或

所述分散剂选自丁二酰亚胺、丁二酸酯和聚异戊二烯中的至少一种；和/或

所述降凝剂选自聚甲基丙烯酸酯KS 300、聚α-烯烃和烷基萘中的至少一种；和/或

所述抗泡剂选自甲基硅油、甲苯基硅油和甲基硅氧烷中的至少一种。