润滑油：类型、用途与性能

背景

自罗马时代起，包括水在内的多种液体已被用作润滑剂，以减少相互接触的机械部件之间的摩擦、热量和磨损。如今，润滑油（或称润滑脂）因其广泛的应用范围而成为最常用的润滑剂。润滑油的两大基本类别是矿物油和合成油。矿物油是从天然石油（原油）中提炼而成。合成油则是制造的聚α-烯烃，属于烃基聚乙二醇或酯类油。

尽管润滑油种类繁多，但矿物油因原油供应充足而价格低廉，且已积累大量关于其性能和用途的数据，因此最常被使用。矿物基润滑油的另一优势是可生产多种粘度——粘度指物质流动的阻力——以适应不同应用。其范围从低粘度油（由分子量约200原子质量单位的氢碳链组成）到高粘度润滑剂（分子量高达1000原子质量单位）。不同粘度的矿物油甚至可混合以提升特定应用中的性能。例如，常见的10W-30机油就是低粘度油（利于低温启动）与高粘度油（在正常运行温度下提供更好发动机保护）的混合物。

合成润滑剂最初用于航空航天工业，通常针对矿物油不适用的特定应用而配制。例如，合成油用于极高工作温度或要求润滑油具有防火性的场合。本文将重点介绍矿物基润滑油。

原材料

润滑油只是从原石油中提取的众多馏分（成分）之一。原油从油井涌出时呈黄黑色、易燃的液体混合物，包含数千种烃类（仅含碳和氢原子的有机化合物，存在于所有化石燃料中）。石油沉积物由约4亿年前生存的微小动植物分解形成。由于当时地球气候和地理变化，这些生物体在不同地区的分解速度各异。

因有机物在不同地区分解速度不同，生成烃类的性质和比例差异巨大，导致不同产地原油的物理化学特性也大相径庭。例如，加利福尼亚原油比重为0.92克/毫升，而较轻的宾夕法尼亚原油比重为0.81克/毫升。比重（指物体重量与等体积水重量之比）是原油的重要指标。总体而言，原油比重在0.80至0.97克/毫升之间。

视应用需求，可向精炼油中添加称为添加剂的化学品，以赋予其所需物理特性。常见添加剂包括铅或硫化物等金属，可增强润滑油在极高压力下防止金属表面咬死和划伤的能力。高分子量聚合物也是常见添加剂：它们改善粘度，抵消油在高温下变稀的倾向。亚硝胺用作抗氧化剂和腐蚀抑制剂，因其能中和酸并在金属表面形成保护膜。

制造工艺

润滑油从原油中提取，原油先经初步净化（沉淀），再泵入分馏塔。典型的高效分馏塔直径25至35英尺（7.6至10.6米），高达400英尺（122米），由高级钢材制造以抵抗原油中的腐蚀性化合物；塔内装有上升排列的冷凝收集托盘。在塔内，原油中的数千种烃类通过分馏过程分离。随着蒸汽上升，各馏分按各自沸点（沸点越低，上升越高才冷凝）冷却、冷凝并回到液态。天然气最先达到沸点，依次为汽油、煤油、燃料油、润滑油和沥青。

沉淀

• 1 原油通过管道或油轮从油井运至炼油厂。在炼油厂，原油经沉淀去除悬浮的水和固体杂质（如沙子、岩石）。此过程将原油泵入大型储罐，使水油分离、杂质沉降。

分馏

• 2 接着，原油加热至约700华氏度（371摄氏度）。此时原油分解为热蒸汽和液体混合物，泵入第一座分馏塔底部。热烃蒸汽上升，冷却冷凝后在塔内不同高度的托盘收集。塔内保持常压，约80%原油气化。
• 3 剩余20%原油再次加热，泵入第二座塔，真空压力降低残余油沸点，使其在较低温度下气化。沸点较高的重质化合物（如沥青和无机物）留下进一步处理。

过滤与溶剂萃取

• 4 经进一步处理去除不需要的化合物后，两座分馏塔收集的润滑油通过多层超细滤清器，去除残留杂质。芳香烃是此类污染物之一，含六碳环，若不通过溶剂萃取去除，会影响润滑油粘度。溶剂萃取利用芳香烃在溶剂中溶解度高于润滑油馏分的原理：用溶剂处理润滑油时芳香烃溶解，后除去溶剂即可回收芳香烃。

添加剂、检验与包装

• 5 最后，润滑油混合添加剂以获得所需物理特性（如耐低温能力）。此时润滑油将接受多项质量控制测试，评估粘度、比重、颜色、闪点和燃点。合格产品随后包装销售分销。

质量控制

大多数润滑油应用要求其无树脂、颜色浅、无气味、抗氧化。十余种物理化学测试用于分类和确定润滑油等级。常见物理测试包括粘度、比重、颜色测量；典型化学测试包括闪点和燃点测试。

在所有性质中，粘度——润滑油在特定温压下的流动阻力——可能是单一最重要指标。应用场景和工作温度范围是确定合适粘度的关键因素。例如，油过粘会使相对运动金属部件阻力过大；过稀则会被挤出配合面而无法充分润滑。塞博尔特通用粘度计是测定70至210华氏度（21至99摄氏度）间石油润滑剂粘度的标准仪器。粘度以塞博尔特通用秒为单位，即在给定温度下，50毫升油通过塞博尔特粘度计杯经校准管孔流出所需秒数。

油的比重取决于精炼方法和添加剂类型（如铅，赋予润滑油抗极限配合面压力和低温能力）。润滑油颜色反映特定等级或品牌的均匀性。闪点和燃点随原油产地而异。闪点是油加热至产生足量可燃蒸汽、遇明火即闪燃的温度。燃点是油蒸气经点燃后持续燃烧的更高温度。

常见发动机油按粘度和性能分类，依据美国汽车工程师学会（SAE）规范。性能因素包括防磨损、油泥沉积形成、油增稠等。

未来展望

矿物基润滑油的未来受限，因天然石油储量有限且不可再生。专家估计可采轻质至中质石油储量总计1.6万亿桶，已消耗三分之一。因此，随着天然储量减少，合成基油将日益重要。这不仅适用于润滑油，也适用于石油精炼的其他产品。