引言：路博润的Barton J. Schober博士在第九届国际流体与润滑油研讨会上探讨了粘度指数改进剂历史上突破性的变化。这些变化的推动力来自过去百年来汽车发动机、变速器和齿轮设计的巨大发展。润滑油和粘度指数改进剂的发展变化和需求促成了各种高度专业化性能聚合物的开发，以满足新的挑战。
汽车发动机和变速器设计的发展历史中曾取得了无数的进步。回顾北美市场的发展，与粘度相关的润滑油测试和规范不断增加，随之产生了许多新型粘度指数改进剂的开发，以满足这些测试和规范的要求。目前日本是先进粘度指数改进剂开发的引领者。
20世纪30年代末期，聚异丁烯(PIB)是主要的润滑油增稠剂。20世纪40年代中期以后，人们开始更多地关注润滑油的耐久性，继而又提出了低温流动性要求。聚甲基丙烯酸甲酯(PMA)以及分散剂型的聚甲基丙烯酸甲酯(DPMA)可显著提高清洁度和粘度指数(VI)，因而PMA得到了广泛使用，直至烯烃共聚物(OCP)的出现。
研究表明，OCP共聚物可实现理想的成本与性能之间的平衡，它可以控制润滑油粘度指数，并充分满足了直至20世纪末期对于润滑油粘度指数的要求。直至今日，OCP仍然是市场上最主要的粘指剂。
（图片过长，建议倾斜浏览）
但是，随着市场对能效的要求不断提高，我们看到PMA/DPMA重新得到广泛使用，尤其是韩国和日本，韩国和日本的汽车制造商已快速欣然接受了最新推出的极低粘度润滑油。添加剂供应商还发现，采用PMA非线性拓扑（分子架构），如星型和梳型，可进一步提高PMA的性能。含苯乙烯的聚合物曾在20世纪70年代广泛使用，但随后被OCP所取代。
现在，随着柴油发动机的广泛使用，含苯乙烯的聚合物的使用量也再次增长。发动机更高的运行温度和换油周期的延长需要润滑油具有更高的清洁度，苯乙烯聚合物的一项主要性能就是控制与烟炱相关的油增稠，并能减少活塞积碳。与苯乙烯聚合物相似，分散型烯烃共聚物(DOCP)也可有效控制重型柴油发动机油与烟炱相关的增稠问题。
横向来看，我们发现不同地区之间也存在明显差异。例如，欧洲运行一套独立的环境法规、发动机设计和机油配方策略，有别于其他地区；亚洲的汽车制造商不断开发出更小、更轻和更高效的发动机，对机油提出了更低粘度的要求，因此重新推动了PMA、甚至是特种PMA的应用。其它方面，如欧洲的柴油轿车发动机的发展，需要重新使用苯乙烯聚合物；在北美市场，OCP凭借其高性能和成本效益优势，一直得到广泛应用。
传动液的发展与此类似。传动液包括变速箱油、末级传动油或车用齿轮油(AGO)。在汽车诞生之初，传动系硬件的开发主要集中在对动力传输的基本需要，而今的关注焦点则是效率。每次硬件升级改进后，行业都会制定出新的润滑油规范，以保障这些先进的硬件充分发挥其性能。
直至20世纪50年代，粘指剂才真正开始广泛应用在传动系润滑油中。聚异丁烯是这些应用中的第一种聚合物。然而，随着发动机油的发展，聚甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯聚合物如丁苯橡胶(SBR)也很快投入了使用。自20世纪70年代，一种特殊的苯乙烯-顺丁烯二酸酐聚合物得到了广泛使用，直至今天。
自20世纪70年代，提高燃油经济性和延长换油周期的需求不断增加
由于高粘度指数与燃油经济性息息相关，这就使得人们更为注重高粘度指数聚合物的开发。此外，还需要具有剪切稳定性的聚合物，以实现润滑油更长的使用寿命并保持燃油效率。OCP从未作为主要的粘度指数改进剂应用于传动液中，因为其既无法调配出高粘度指数的润滑油，也不具有足够的剪切稳定性，无法满足传动液的苛刻要求。PMA则成为这个市场的主要产品。最近出现了新型烯烃共聚物，它能提供更高的性能。聚α烯烃(PAO)凭借其良好的剪切和氧化稳定性及低温粘度，使用量在不断增加。
今天，我们正在进入传动液高度专业化的时代，人们正在开发各种复杂的多功能高性能聚合物，以满足传动系的特殊挑战。这些聚合物不能与发动机油共用，它们是专为传动系而开发的，在某些情况下，甚至是专为某一种特殊的硬件而潜心研发。
（图片过长，建议倾斜浏览）
人们对提高效率的追求是无止境的
汽车正在变得越来越轻，越来越符合空气动力学原理，以提高汽车的燃油经济性。发动机和变速箱采用更轻的材料制造，油底壳的容量更小以减少汽车总重量，油液量的减少意味着润滑油的工作条件更为苛刻，其承受的工作温度和剪切力更高。同时，为了满足空气动力学，发动机、变速箱和车桥经过折叠和封闭，这样流经他们周围的气流减少，设备运行温度变得更高。
消费者需要体积更小的发动机和变速箱来提供相同的动力
功率提高的同时，消费者需要润滑油保持一定的耐久性以延长换油周期。同时，润滑油的粘度更低，以进一步提高燃油经济性。因此今天有如此多不同类型的粘度指数改进剂也就不足为奇。这些需求推动了高级和专业化润滑油的开发。
例如：在发动机油中，当增稠是主要需求时，聚异丁烯是最佳选择。聚甲基丙烯酸甲酯曾用于获得低温流动性，但是现在，因为它还可提供高粘度指数、具有高“高温高剪切”(HTHS)粘度，可以提高燃油经济性，而又重新变得尤为重要。
HTHS粘度是发动机油的一项关键参数。HTHS粘度模拟轴承中的高温和剪切速率，而HTHS粘度主要受粘度指数改进剂的影响。每种发动机油级别都需要满足特定的HTHS最小值，以防止轴承和其它零件磨损。运动粘度是润滑油流动时的低剪切粘度，对发动机效率起着重要作用。粘度指数改进剂的设计和选择应确保可提供所需的HTHS粘度，在实现硬件保护的同时又可保持最低的运动粘度，以尽可能减少能效损失。
提高保护性能的另一种方法是通过粘指剂来控制磨损颗粒物
含分散剂的聚合物，如分散剂型烯烃共聚物和分散剂型聚甲基丙烯酸甲酯可捕捉或分散氧化物和灰尘等颗粒，以防止其尺寸进一步增大或/和硬度进一步提高。苯乙烯聚合物以同样的方式控制柴油发动机产生的烟炱。
聚合物在高剪切力下会被剪切，随着时间的推移，其分子结构逐渐被破坏，导致粘度降低。粘度降低（运动粘度及HTHS粘度）将导致油膜厚度降低，从而造成磨损。润滑油粘度降低造成的另一个后果是导致这些设计先进、公差控制精密的发动机和变速箱性能下降。
当今市场需要粘指剂能够抵抗因剪切导致的分子断裂，而且还需具有抗氧化性。发动机油在高温、气体和酸性物质的影响下会发生氧化，而氧化通常会导致油液增稠，从而降低润滑油的保护性能和发动机效率。如果聚合物氧化，机油增稠，导致的后果可能会非常严重，甚至可能导致机油停止流动。
发动机油常用粘度指数改进剂性能对比
粘指剂的选择对传动液的效率、耐久性、抗磨性能和使用寿命具有显著影响。如在发动机油中的作用一样，粘度指数是提高传动系燃油效率的主要因素，除此之外，抗氧化性和颗粒物控制性能也已成为传动液粘度指数改进剂的基本要求。
实验证明，粘指剂可影响齿轮与其它零件之间的油膜厚度和油膜附着力，增加油膜厚度对抗磨损性具有显著作用。润滑油的附着力可能与运行过程中生成的热量有关。当润滑油温度升高时，其粘度降低，如果粘度变得过低，油膜则将损坏，从而导致磨损甚至是设备故障。所以，能够降低热量产生的粘指剂，如多功能性聚合物，可以减少磨损和高温氧化。
传动液粘度指数改进剂性能对比
没有“完全通用”的粘度指数改进剂
润滑油添加剂的开发也经历了巨大的变化。冶金技术的改进显著改变了抗磨剂或减摩剂的设计；更高温度和更长的换油周期的要求需要对很多类型的抗氧剂进行精心配制，每种成分都发挥着特殊的作用，还需加入分散剂和清洁剂以消除在恶劣运行环境中形成的酸和杂质的影响。精心设计和选择高性能聚合物及分散剂、清洁剂和抗氧化剂是满足当今先进发动机和变速箱苛刻润滑要求的关键。
*本文改编自路博润公司Bart Schober于2014年4月在印度新德里ISFL会议上的发表论文。
相关评论