分散剂设计之艺术

分散剂是发动机润滑油中使用量最大的添加剂，在乘用车和重型柴油车机油中的添加剂加入量在2％至10％之间，每年产量超过100万吨，来满足全球该领域的需求。这个重要的添加剂是像表面活性剂一样的聚合物分子，包括至少一个油溶性“尾部”链段的亲油基团，和至少一个能够与机油中其他极性分子相互作用的极性 “头部”链段的疏油基团。

润滑油分散剂可以很复杂，包括多个尾部、头部和桥部，其结构控制着性能特性，取决于其根本的化学结构。

分散剂的设计艺术包括深入了解哪种结构可以最好地满足各种应用环境所需的功能，以及研发可以带来该功能的化学构成。

分散剂的典型结构，其中极性头部基因连接油溶性骨架（尾部），形成诸多不同的结构

在当今的发动机油中，润滑油分散剂发挥着许多重要作用，包括控制油泥、漆膜、沉积物、磨损和摩擦。

油泥和漆膜

由于业界高度关注燃油经济性的改善，因此低粘度润滑油在发动机中的使用日益增加。 在这种低粘度环境中，控制漆膜和油泥的累积是十分必需的，以防止润滑油在其使用寿命期间黏度增加，同时还要保持发动机的运行效率。

油泥和漆膜的形成是由于进入机油的极性物质的堆积和聚集，或是在发动机运行期间形成。 这些极性物质可形成油泥状，聚集起来时会导致机油粘度增加，或在发动机表面涂上污渍一般的漆膜。

分散剂通过防止凝胶状大团粒结构的形成，以及抑制机油在发动机表面发生相分离来控制油泥和漆膜的累积。

分散剂的疏油部分（头部）与机油中存在的极性物质相互作用，而亲油部分（尾部）保持机油中的溶解度。这可以确保极性污染物悬浮在油中。

有效的油泥分散剂通常包含浓度很高的胺基或醇基，以键合机油中的极性物质。然而，分散剂还需要包括油溶性高的、或一些大小适中的聚合物链，以保持机油溶解性，并可“承载”其极性物质的负载。尾部基团太小会导致分散剂因机油中存在的极性物质而与机油分离，从而导致更多的油泥和漆膜。通常，最好的分散剂既要包括高浓度的头部极性基团来与油泥/漆膜相互作用，还要包括多个高分子量聚合物链以保持良好的溶解性。这类分散剂可能会使机油黏度有所提高。

高温沉积物的抑制

在温度更高的柴油发动机工作环境下，由于机油高温降解造成发动机不同部件上有沉积物形成，从而可导致发动机出现故障。这可通过环粘连或窜气情况增多反映出来。在极性物质变成焦炭或形成沉积物粘附在表面，影响发动机功能之前，分散剂应该溶解或洗去这些极性物质。至关重要的是，分散剂亲油性和疏油性的比率要足够高，来避免分散剂被极性物质从机油中分离出去，因为实际上这会造成沉积物形成而不是预防沉积物形成。

在柴油发动机油中，最好避免使用大量的高分子聚合物，因其在发动机沉积物形成过程中可能会结焦。取而代之的，分散剂的选择要足够大以将污染物溶解在机油中，但又要小到足以冲洗活塞表面。

含温烟炱机油的流变性控制

发动机技术和发动机运行参数为降低尾气排放而不断演变，这意味着许多发动机，特别是重型柴油机的燃烧温度已经降低。由于燃料不完全燃烧，这已导致机油内烟炱含量增加（在某些情况下可高达3-7％）。机油中的烟炱颗粒倾向于聚集形成较大的低密度块团，从而可造成润滑油粘度显著增加，在一些情况下可形成足够大的结构，从而导致发动机失效。

因此，当烟炱含量超过~2-3％时，需要分散剂来控制机油的流变性。在烟炱颗粒进入油底壳时，分散剂的头部基团与颗粒表面结合，而长长的尾部可防止细小的烟炱颗粒与大的块团结合。

制含烟炱机油流变性的头部基团类型，与控制油泥和漆膜或沉积物形成所需的类型非常不同，因为其所针对的交互作用不同。烟炱颗粒表面的芳香烃含量比较高，因此分散剂头部基团也可含有能够有效结合烟炱上芳香位点的芳香烃。因为烟炱表面上也有一些极性的位点，所以也可能需要能够与这些位点相互作用的头部基团。为有效抑制烟炱聚集，通常需要分散剂有多个粘附点与烟炱表面连接，以确保覆盖足够的表面来防止烟炱附聚。

分散剂的设计

设计用于油泥/漆膜控制和高温沉积物抑制的分散剂时，通常从选择聚合物尾部开始，聚合物尾部负责保持机油的溶解度。最常用的聚合物是聚异丁烯（PIB），它通过炼油厂C4生产线制备，分子末端具有烯烃基团的聚合物。烯烃末端基团可使多胺或多元醇头部附着起来，从而生成分散剂。为简化这一过程，首先将PIB附着至连接基团上，然后与所需的极性头部基团反应。本行业所用的连接基团的化学结构有两种类型：马来酸酐化和苯酚甲醇烷基化，它们分别产生琥珀酰亚胺分散剂和曼尼希碱分散剂。

然而，这些传统的琥珀酰亚胺分散剂和曼尼希碱分散剂，都是用于油泥/漆膜控制和高温沉积物抑制的，在含有大量烟炱的介质中不能有效保持机油流变控制。这是因为烟炱颗粒表面芳香度较高，有时需要芳香族分散剂来高效键合和分散。将聚胺头部基团与芳香胺或芳香酯交换的同时保留基本的聚合物结构和架构，这只能带来小小的改善。因而，新的分散剂结构已经开发出来，与烟炱表面的相互作用十分强大。

分散剂的演变

润英联一直致力于分散剂设计的发展与演变。

小结

分散剂是润滑油配方人员在开发时使用的最重要工具之一。确保未来分散剂设计成功的关键就在于使分散剂的结构与其功能和作用机制保持一致。同时，还必须在所需的配方性能范围内平衡各种具有冲突的需求，可包括抗磨损保护，摩擦控制和发动机清净性。展望未来，随着烟炱环境的变化，可能会需要出现新的分散剂。

润英联始终对添加剂组分不断研发及创新，可以帮助构建当今复杂的润滑油系统，同时还能满足客户和OEM车厂的未来需求。