不同结构与功能特性的粘度指数改进剂对矿物基础油热物理性质及粘度的影响机制研究

本研究针对润滑剂高温高压工况下粘度稳定性不足的问题，通过测试聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙丙嵌段共聚物(EP)和星型苯乙烯-丁二烯共聚物(S-SBR)三类粘度指数改进剂(VI)对矿物基础油Ultra S4的热力学性质（密度、等温压缩率κT ）及流变特性的影响，结合Sanchez-Lacombe状态方程和自由体积理论，揭示极性基团与刚性分子架构对提升润滑剂压力-温度响应性的协同机制，为高性能润滑剂设计提供理论依据。

　　

在润滑剂工业中，温度与压力变化导致的粘度不稳定始终是制约设备性能的关键瓶颈。传统粘度指数改进剂(VI)虽能改善润滑油的高温性能，但其作用机制长期依赖存在争议的Selby理论——该理论认为聚合物半径的温敏膨胀是主要机制，但动态光散射和小角中子散射数据却显示矛盾证据。更棘手的是，不同分子架构（线性、支化、星型）和功能基团对热力学参数（如等温压缩率κ_T
、等压膨胀率α_P
）的影响规律尚未系统阐明，这直接阻碍了针对极端工况的润滑剂精准设计。

为破解这一难题，由Afton Chemical公司资助的研究团队开展了一项突破性研究。他们选取三种典型VI——聚甲基丙烯酸酯(PMA)、乙丙嵌段共聚物(EP)和星型苯乙烯-丁二烯共聚物(S-SBR)，系统考察其对矿物基础油Ultra S4在10-45 MPa和298-398 K条件下的热物理与流变行为影响。研究发现，含极性基团的刚性架构聚合物（如星型S-SBR）能显著提升润滑剂的压力响应性，同时降低温度敏感性，这一成果发表于《The Journal of Chemical Thermodynamics》。

关键技术包括：高压变容视窗池测定10-35 MPa/298-398 K密度数据，定制高压旋转流变仪获取10-45 MPa粘度谱，结合Sanchez-Lacombe状态方程推导κ_T
、α_P
等参数，并通过特性粘度测量解析30-50℃下聚合物回转半径(R_g
)与半稀溶液行为。

密度与热力学性质
密度数据经Sanchez-Lacombe方程拟合显示：星型S-SBR使基础油在35 MPa/398 K下的相对密度增幅达1.8%，显著高于线性EP的1.2%。推导出的κ_T
值表明，含极性基团的PMA使体系压缩性提升12%，而α_P
降低9%，证实刚性分子架构能优化润滑剂的压力-温度响应平衡。

粘度行为
高压流变测试揭示关键规律：在45 MPa/373 K时，S-SBR改性油的粘度压力系数(?η/?P)_T
比EP体系高23%，证实星型拓扑结构通过限制分子链缠结增强压力敏感性。自由体积模型分析进一步显示，极性基团可减少温度引发的自由体积膨胀，使粘度温度系数(?η/?T)_P
下降15%。

分子机制
特性粘度测定颠覆传统认知：30℃时S-SBR的R_g
仅为EP的60%，但其温度依赖性更低（dR_g
/dT降低40%），说明Selby理论中的半径温敏膨胀并非决定因素，分子间相互作用（如极性基团氢键）才是调控粘温性能的核心。

这项研究首次建立VI分子架构-热力学参数-流变性能的定量关系，证明引入极性基团与刚性拓扑（如星型结构）可协同优化润滑剂性能：既通过增强κ_T
和(?η/?P)_T
提升压力保护能力，又借助降低α_P
和(?η/?T)_P
改善温度稳定性。该发现不仅为高性能VI分子设计提供明确方向，更通过实验数据修正了沿用数十年的Selby理论，对航空、重载机械等极端工况润滑技术发展具有里程碑意义。