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高性能エンジン油用粘度指数向上剤 - 「はたらき」を化学する 三洋化成
活躍する三洋化成グループのパフォーマンス・ケミカルス 101 高性能エンジン油用粘度指数向上剤 中田繁邦 当社潤滑油添加剤研究部ユニットチーフ [ 紹介製品のお問い合わせ先 ] 当社石油・環境本部石油・機械産業部 近年、地球温暖化防止に向けた 対応策として、車両の軽量化、エ 潤滑油は温度変化に対する粘度変 環境保護と石油資源枯渇問題の観 ンジンの燃焼効率向上、エコドラ 化の小さいことが望ましい。この 点から、CO₂ 排出量の削減や省エ イブ支援システムなどが進められ 粘度変化をコントロールする役割 ネルギーへの取り組みが盛んに行 ており、その１つに潤滑油の高性 を果たすのが、粘度指数向上剤 われている。国内のCO₂ 排出量で 能化が挙げられる。 ［図 見ると、運輸部門は２割を占め 自動車では、エンジン油、駆動 下VII）であり、粘度指数向上能が １］ 、その内、自動車の排出量が 油など低温から高温（自動車の場 大きいほど燃費向上への効果が高 ９割に当たることから、自動車の 合はおおよそ−30∼150℃の範 い。 燃費向上や交通網整備などの関連 囲）に至る広い温度領域で、潤滑 本稿では、VIIの一般的な機能と 法案の改正や施策が実施されてい 油が使用されている。潤滑油は一 エンジン油の規格動向、そして燃 る。燃費基準については、国土交 般の液体と同様に、高温では粘度 費向上に有効な省燃費対応エンジ 通省と経済産業省主催の分科会で は低く、低温では粘度が高くなる ン油用VII『アクルーブ』について 2020年度を目標とした最終取り 性質を示す。高速走行時のような 紹介する。 まとめが発表され、企業単位とし 高温下では、潤滑油の粘度が低す た乗用車の燃費基準が 20.3㎞ /ℓ ぎると金属上の油膜が薄くなるた VIIの主成分は油溶性高分子であ （2009年 度 実 績：16.3 ㎞ /ℓ、 めに、摩耗や焼き付けといった問 る。その作用機構は、油中でのポ 2015年度燃費基準17.0㎞/ℓ）ま 題が起こる。一方、冬場の始動時 リマーの溶解状態の変化を巧みに で引き上げられる予定であり、欧 のような低温下では、粘度が高す 利用している。高温になると潤滑 米諸国についても、燃費規制の強 ぎると粘性抵抗が大きくなるため 油に対する溶解性は上がり、分子 。この 化が予定されている［図２］ に燃費を悪化させる。したがって、 鎖は伸びて広がった状態をとるた （Viscosity Index Improver、以 廃棄物 2.5％ エネルギー転換部門 7.0％ 工業プロセス 3.5％ VII の作用機構・組成 20 17.8 17.6 18 16.6 燃費 運輸部門 20.6％ 総排出量 約11億4,500万㌧ 産業部門 33.9％ 16 35.0mile/gal 14.9 (㎞/ℓ) 14 12 民生(業務)部門 18.8％ 16.8 27.5mile/gal 11.7 10 民生(家庭)部門 14.1％ 米 CAFE 米 米カリフォルニア州 EU2008年 EU2012年 日本2015年 2020年法案 2015年 CO２-140g/㎞ CO２-130g/㎞ 推定値 出典：日本自動車工業会 出典：独立行政法人国立環境研究所 図１●日本の部門別 CO2 排出量の割合 （2009 年度） 図２●各国の乗用車の燃費規制比較 （日米欧） 三洋化成ニュース ❶ 2013 新春 No.476 230 ポリマーの溶解状態 220 210 高粘度の基油Ｂ(VIIなし) 基油のSP値 （約8.2） PMA 粘度指数 200 低粘度の基油Ａ＋VII 粘度 適正粘度範囲 不 溶 190 180 170 OCP 低粘度の基油Ａ(VIIなし) 160 150 7.5 8 8.5 9 9.5 VIIのSP値 低温 温度 高温 図３● VII の溶解状態、粘度挙動の模式図 図４● VII の SP 値と粘度指数との関係（基油に配合時） め、潤滑油の粘度を大幅に増加さ イソブチレン（PIB）系およびスチ 質となるVIIの溶解度パラメーター せる。逆に低温ではポリマーの溶 レン／イソプレン（SCP）系などに （SP値）差に起因する。SP値とは、 解性が下がり、分子鎖は凝集し丸 分類でき、OCP系とPMA系が主 溶媒への溶質の溶解のしやすさを まった状態となるため、潤滑油の に使用されている ［表１］ 。 示す指標であり、溶質のSP値と 粘度はそれほど上昇しない。その OCP系は増粘作用が大きいため、 溶媒のSP値差が小さいほど溶解 ため、低粘度の基油に添加すると 少量の添加で所定の粘度に調整可 性が高く、その差が大きいほど溶 潤滑油の粘度を適正範囲に保つこ 能であるが、粘度指数向上能は小 解性が低くなる。 ［図３］ 。 とができる さい。一方、PMA系は増粘作用が VIIのSP値とVIIを添加した潤滑 VIIは重量平均分子量が１∼50 小さく添加量が多いが、粘度指数 油の粘度指数との関係を図４に示 万程度であり、化学組成からオレ 向上能に優れている。PMA系が す。基油（SP値＝約8.2）に対し、 フィンコポリマー（OCP）系、ポ OCP系に対し粘度指数向上能に優 SP値差が小さいOCP系（SP値＝ リメタクリレート （PMA） 系、ポリ れる理由は、溶媒である基油と溶 約8.2） は、基油への溶解性が高す ぎるために低温でも分子鎖が広が 表１● VII の種類 ポリマーの種類 (略称OCP) ったままであるのに対し、基油と のSP値差が大きいPMA系（SP値 −−CH₂−CH₂−−−−CH₂−CH−− − − オレフィンコポリマー 化学構造 ＝9.0∼9.2）は、溶解性が適度に CH₃ 低いため低温での分子鎖の広がり が特に小さく、高温での広がりと CH₃ (略称PMA) の差が大きくなるため粘度指数向 − − − − ポリメタクリレート −−CH₂−C−−−−−− 上能が優れる。 COOR 粘度指数向上能のもう１つの因 子として、VIIの重量平均分子量が ポリイソブチレン (略称PIB) − − − − CH₃ 関係する。VIIの分子量とVIIを添加 −−CH₂−C−−−− − した潤滑油の粘度指数との関係を CH₃ 図５に示す。VIIの分子量が大きい ほど粘度指数が高くなる。 (略称SCP) − − 共重合体の水添物 −−CH₂−CH₂−−−− −−CH₂−CH₂−CH−CH₂−−− 一方で、油溶性高分子であるVII CH₃ は、機械のしゅう動部分（エンジ − − スチレン／イソプレン ン内のピストンとシリンダー壁の 三洋化成ニュース ❷ 2013 新春 No.476 活躍する三洋化成グループのパフォーマンス・ケミカルス 高性能エンジン油用粘度指数向上剤 50 300 粘度指数(左目盛り) 粘度低下率(右目盛り) 30 粘度低下率 粘度指数 220 排気 吸入 40 260 180 20 (％) 140 10 密 封 潤 滑 清 浄 冷 却 衝撃吸収 防 錆 0 100 1 10 100 重量平均分子量(万) 出典：マツダ㈱HP 基油にVIIを添加して100℃動粘度を７mm２/sに調整した。せん断条件：JASO M347-95 図５● VII の分子量（Mw） と粘度指数および、せん断安定性との関係 図６●エンジン油の役割 すり合わせ部分）で生じる高いせ 格であり、ハイフンの前の5W、 費性を満足したエンジンオイル処 ん断力を受けて徐々に分子鎖が切 0Wは低温粘度を表しており、数字 方に対し認定が行われる。この規 断されてしまう。せん断力は、分 が小さいほど低温特性が優れてい 子量が大きいほど強く受けるため、 る。また後ろの30、20は高温粘 格が改定されるごとに省燃費性能 が強化され、 現在はGF-5／SNが最 VIIの分子量が大きくなると粘度低 度を表しており、数字が小さいほ 新規格となっている。 下率が大きくなる。この分子鎖切 ど高温粘度が低く、燃費特性が高 断による粘度低下の割合でせん断 これまでエンジン油用VIIは安価 安定性を評価し、潤滑油の長寿命 い。日本の低燃費自動車の多くは、 0W-20グレードが使用されている。 化のためには、粘度低下が小さい この規格のうち、以下の３項目 満たすOCP系がほとんどであった ほうがよい。 は粘度特性に関する項目であり、 が、ILSAC ／API 規格によって省 分子量が小さいほどVIIのせん断 VIIにより調整される。 燃費性が強化されたため、粘度指 安定性は向上するが、分子量は粘 ①100℃動粘度の上下限：上限動 数向上能が優れるPMA系が使用 度指数にも関係するため、VIIの分 粘度はオイルによる抵抗度、下限 されるようになってきた。 子量は用途に応じて最適化される。 動粘度は油膜による潤滑性を保証。 エンジン試験による省燃費性は、 ②150℃高温高せん断粘度（HTHS 前述のHTHS粘度の80∼100℃測 エンジン油には、ピストンとシ 粘度）の下限：しゅう動部で起こ 定値が低いほど優れているといわ リンダー壁の摩耗を防ぐ潤滑性の る高温、高せん断下での最低粘度 れている。つまり、150℃ HTHS ほかに、気化室の気密を保つ密封 を規定しており、油膜切れによる 粘度の最低粘度を保証しながら、 性、エンジン内部の清浄性、冷却 焼き付き、摩耗の防止を保証。 80∼100℃ HTHS粘度をより下 性、防錆性、衝撃吸収性といった ③低温特性（CCS粘度、MRV粘 げることが求められ、粘度指数向 役割［図６］が必要であり、種々の 度） ：CCS粘度はピストンを上下す 上能が優れるPMA系がOCP系に 添加剤によって実現している。こ る際の限界粘度、MRV粘度はエン 比べて有利である。 のエンジン油の性能はSAE（米国 ジン底にたまった油をポンプによ PMA系においてさらに省燃費 自動車技術者協会）粘度分類と り吸い込みができる限界粘度を規 性を向上させた高性能PMA系VII ILSAC（国際潤滑油標準化認定委 定しており、 低温でのエンジン始動 『アクルーブ』シリーズについて、 員会）／ API（米国石油協会）規 性を保証。 格によって規格化されている。 SAE粘度分類は、5W- 30や0W- ILSAC ／API規格は、エンジン 試験による各粘度グレードの省燃 ブ』シリーズ 20と表記したマルチグレード規 費性を規定した規格であり、省燃 粘度指数向上能に優れたVIIを設 エンジン油の規格 三洋化成ニュース ❸ 2013 新春 No.476 省燃費に向けた VII の動向 かつ少量の添加でSAE粘度規格を 以下に説明する。 高性能 PMA 系 VII『アクルー 活躍する三洋化成グループのパフォーマンス・ケミカルス 高性能エンジン油用粘度指数向上剤 想定して行った。150℃ HTHS粘 高 低 粘度指数 度を保証粘度の2.6mPa･sに設定 した場合、100℃、80℃ HTHS 高性能PMA系Ⅶ 粘度はOCP系従来品に比べ約30 ％低減、PMA系従来品に比べ約 15％低減できている。これらVII 特殊モノマーでの高性能化 は燃費向上に大きく寄与し、日本 車を中心に省燃費対応エンジンオ イルに使用されている。 『アクルーブV-5000』シリーズ 従来PMA系Ⅶ は、せん断安定性やスラッジ分散 性のニーズに応じて『V-5090』 『V-5110』 『 V- 5130』をラインア 小 大 粘度低下率(％) ップしている。 当 社 で は エ ン ジ ン 油 の ほ か、 図７●高性能 PMA 系 VII と従来 PMA 系 VII との性能比較 CVTF、ATF、ギヤ油などの自動 表２●『アクルーブ V-5000』シリーズと従来品の性能比較 性能項目 単位 非分散／分散 − 車駆動油、油圧作動液、工業用潤 アクルーブ アクルーブ アクルーブ V-5090 V-5110 V-5130 従来品 (PMA系) 従来品 (OCP系) 滑油などに適したVII として『アク 非分散 非分散 分散 非分散 非分散 ルーブ』シリーズもラインアップ HTHS粘度 （150℃） mPa･s 2.6 2.6 2.6 2.6 2.6 しており、幅広いニーズに対応し HTHS粘度 （100℃） mPa･s 4.9 5.2 5.1 5.7 7.5 HTHS粘度 （80℃） 7.8 8.1 7.7 8.8 11.6 ている。 mPa･s 今後の展望 動粘度 （100℃） mm²/s 7.32 7.87 7.18 8.70 8.05 動粘度 （40℃） mm²/s 31.8 32.7 30.6 39.3 41.8 2016年をめどにILSACは、さ CCS粘度 （−35℃） mPa･s 5,500 5,050 5,100 5,800 5,500 MRV粘度 （−40℃） mPa･s 10,200 13,200 14,000 15,800 15,000 Yield Stress − None None None None None らなる省燃費性に対応した次世代 規格（GF- 6）への改定準備を進め Bosch SSI ％ 29.8 32.7 25.0 35.0 22.0 ている。当社はさらに技術を深化 させ、GF-6に適合する製品開発 を行っていく。 計するには、基油とのSP値差を ［図７］ 。一方、粘度指数を従来と 大きくすること、分子量を大きく 同等にすれば、粘度低下率が小さ 当社はこれからも高性能かつ環 することが有効であることを前項 いため潤滑油の寿命を延ばすこと 境性能の高い製品の開発を通して、 で述べたが、それぞれ基油溶解性 ができる。 地球温暖化防止に貢献していく。 やせん断安定性と相反関係がある。 この技術は自動車の燃費向上な 当社の高性能PMA系VII『アク ど低炭素社会の構築に大きく貢献 ルーブ』シリーズは、独自の技術 しており、当社は自動車エンジン で設計した当社オリジナルの特殊 モノマーを従来のモノマーと共重 油用高性能PMA 系VII として『ア クルーブV-5000』シリーズを上 合している。その結果、従来技術 市している。 では困難であった高いSP値でも 基油に溶解することができ、かつ 表２に当社の高性能エンジン油 用VIIである『アクルーブV- 5000』 低温域でVIIがより収縮しやすくな シリーズを添加した潤滑油と従来 る 構 造 を 有 す る た め、 従 来 の 品を添加した潤滑油の性能を示す。 PMA系VIIとせん断安定性が同じ 性能評価は、日本車の主流であ る最低粘度グレードの0W -20を 場合での高い粘度指数を実現した 三洋化成ニュース ❹ 2013 新春 No.476 参考文献 1）狩野美雄、松家英彦「粘度指数向上 剤（VII） の 機 能 と 用 途 」 潤 滑 経 済 No.383 p.12(1998) 2） 中西秀男 「粘度指数向上剤の動向」 ト ライボロジストNo.48 p.890(2003) 3）由岐剛「低粘度潤滑油における粘度 指数向上剤の潤滑性向上技術」トライ ボロジストNo.53 p.449(2008) 4）阿尾信博「潤滑油の低粘度化と粘度 指数向上剤の動向」潤滑経済 No.560 p.30(2012)