Базовые масла синтетические

Это маслообразные синтетические жидкости - полимеры или олигомеры, получен­ные методом синтеза из разных мономеров. Ни одно синтетические масло не имеет всей совокупности свойств, характерной для минерального масла, но отдельные синтетические масла обладают некоторыми выдающимися эксплуатационными свойствами, превышающими свойства минеральных масел. Например, некоторые синтетические масла имеют особенно высокий индекс вязкости, пониженную температуру застывания, повышенную стойкость к высоким температурам и деформациям сдвига, отличаются пониженной летучестью и горючестью. Эти свойства обеспечивают универсальность применения и продолжительность срока службы. Каждое синтетическое масло необходимо применять в условиях, позволяющих наилучшим образом использовать его отличительные особенности.

Основной существенный недостаток синтетических масел - они значительно дороже минеральных (в 2-3 и более раз).

Разновидности синтетических масел. Свойства синтетических масел зависят от химического строения, поэтому это является основным критерием их классификации:

•углеводородные масла (hydrocarbon oil, НС oil) на основе полиальфаолефинов. изопарафиновых углеводородов и алкилбензола;

•полиэфирные масла на основе

Оэфиров двухосновных кислот и первичных спиртов (напр., изооктиловый эфир себациновой кислоты),

Оэфиров полиолов, полифениловых эфиров,

Ополигликолевых эфиров (например, полиалкиленгликолевый эфир), Оэфиров фосфорной кислоты,

•силиконовые масла,

•фторсодержащие эфирные масла.

Синтетические масла внутри каждого класса могут различаться мономерным составом и свойствами. Например, полиальфаолефины получают из бутена, 1-децена и др., в молекулы силиконовых жидкостей могут входить звенья диметилсшюксана и/или метилфенилсилоксана. Особенно различаются свойства разных полигликолей и полиэфиров. Поэтому имеет смысл говорить только о самых общих свойствах отдельных видов синтетических масел.

Производители синтетических масел обычно присваивают своим продуктам не химические, а технические наименования. Поэтому по товарным названиям не всегда можно судить о свойствах масел и пригодности к конкретной области применения.

Смешиваемость синтетических масел с минеральными различается и зависит от природы синтетического масла. Ниже приводится обзор свойств наиболее распространенных синтетических масел.

Полиальфаолефиновые масла (ПАО) (polyalphaolefln - РАО). Распространены широко и составляют более одной третьей всех синтетических масел. Они отличаются универсальными смазочными свойствами, могут работать в широком интервале температур, обладают высоким индексом вязкости и стабильностью свойств на протяжении всего срока службы, не вызывают коррозии металлов, не образуют нагара и отложений, не оказывают отрицательного влияния на материалы прокладок и уплотнителей, хорошо смеши­ваются с минеральными маслами. ПАО масла в основном применяются для производства автомобильных универсальных, всесезонных моторных и трансмиссионных масел, гидравлических жидкостей, а также в качестве индустриального масла для холодильников, компрессоров, других агрегатов, работающих под большой нагрузкой при повышенной температуре, и как моторное масло для мощных дизельных среднескоростных двигателей судов и тепловозов. ПАО масла - самые дешевые синтетические масла.

Масла архивированных ароматических соединений (alkylateddramatics). Чаще всего применяется алкилбензол (alkylbenzene). На рынок поступают два продукта - алкилбензол, с низким индексом вязкости, который применяется в смеси с нафтеновым маслом для получения масел для компрессоров холодильников, и диалкилбензол, с более высоким индексом вязкости, напоминающий парафиновое и полиальфаолефиновое масло, который отличается хорошими низкотемпературными свойствами и применяется для производства арктических масел и моторных масел для двухтактных двигателей.

Полигликолевые масла (polyglycols - PG, polyalkylene glycols - PAG). По стандарту DFN 51 502 такие масла сокращенно обозначаются PG. Они также составляют около одной трети всех синтетических масел. Свойства очень разные, в зависимости от исходных мономеров и молекулярной массы. В настоящее время полигликолевые масла применяются в основном как охлаждающие жидкости в системе охлаждения двигателя, при обработке металлов, как тормозные и гидравлические жидкости. PG масла не пригодны в качестве моторных, так как обладают высокой коррозионной активностью, особенно в присутствии продуктов сгорания топлива. Большинство применяемых на практике полигликолей не смешиваются с минеральным маслом или смешиваются ограничено. PG масла отличаются рядом положительных свойств: высоким значением индекса вязкости, стойкостью к высокой нагрузке, хорошей антиокислительной и термической стойкостью при введении соответствующих присадок. Особенно ценятся PG масла ввиду низкой воспламеняемости (температура вспышки - выше 220°С) и низкой температуры застывания (ниже - 30°С). Иногда они применяются для смазывания сильно нагруженных передач промышленных машин и для работы при низкой температуре. Ассортимент масел PG довольно широкий.

Полиэфирные мдсла_(масла органических сложных эфиров) (polyesters - E). Эти масла по стандарту DIN 51 502 обозначаются буквой E и составляют большую группу синтетических масел, особенно для реактивной авиации. В этой области они незаменимы, так как обладают наивысшим индексом вязкости (до 180), низкой температурой застывания (ниже - 50°С), плохой воспламеняемостью и низкой летучестью (давление насыщенного пара около 1 мбар при 205 °С). В автомобильной промышленности полиэфирные масла применяются в качестве добавок к минеральным маслам и ПАО, как повышающие индекс вязкости, улучшающие низкотемпературные свойства, а в некоторых случаях, са­мостоятельно в качестве моторного масла для дизельных двигателей или смазывания пе­редач при низкой температуре.

Эфиры фосфорной кислоты (phosphate esters - PH). Эти масла по стандарту D1N 51 502 обозначаются РН. Основные преимущества этих масел - они негорючие и в местах интенсивного трения, при высокой температуре, образуют разделяющую, проти-возадирную фосфатную пленку, уменьшающую трение и предохраняющую поверхность деталей от износа и задира. Масла эфиров фосфорной кислоты смешиваются с минеральными и другими синтетическими маслами, поэтому могут применятся как самостоятельные синтетические масла, и как компоненты минерального. Масла эфиров фосфорной кислоты применяются для компрессоров, негорючих гидравлических жидкостей и как противоизносные присадки.

Силиконовые масла (silicones - S/). Эти масла по стандарту DIN 51 502 обозначаются SI. Они химически инертны и термически стойки (разрушаются при температуре выше 300°С, температура вспышки около 300°С), имеют низкую температуру застывания (ниже - 50°С), незначительную летучесть, наивысший индекс вязкости (около 300) и не вспениваются. Силиконовые масла не обладают хорошими смазывающими свойствами, не смешиваются с минеральными маслами. Применяются как специальные компрессорные масла и гидравлические жидкости и в качестве электроизоляционного масла. Силиконовые масла дорогие, примерно в 10-100 раз дороже минерального масла.

Фторсодержащие эфирные масла (fluorocarbons FK). Эти масла по стандарту DIN 51 502 обозначаются FK. Основные их преимущества - химическая инертность, него­рючесть, высокая стойкость к окислению и к повышенной температуре, очень хорошие диэлектрические свойства. Недостатки - относительно низкий индекс вязкости, высокая температура застывания. Фторсодержащие масла применяются в холодильной технике и в установках, где масло находится в контакте с кислородом или другими агрессивными ве­ществами. Эти масла очень дорогие, в сотни раз дороже минерального масла.

Сравнение некоторых свойств минеральных и синтетических масел показано нарис. 1.4- 1.5.

В табл. 1.1 представлено сравнение свойств минерального и синтетических масел по шестибалльной системе оценки.

Таблица 1.1 - Сравнительные характеристик минерального и синтетических масел

Примечание. оценка свойств в баллах: 6 - превосходные; 5 - отличные; 4 - хорошие;

3 - удовлетворительные; 2 - плохие

В настоящее время для автомобильных товарных продуктов из большого числа синтетических масел широко применяются только несколько видов (табл. 1.2). Некоторые нефтекомпании имеют оригинальные синтетические масла с очень хорошими характеристиками, которые позволяют представить на рынок исключительные продукты наивысшего качества, превышающие требования самых жестких спецификаций. -

Таблица 1.2. - Характеристики синтетических базовых масел зарубежного производства

Примечание: QB - динамическая вязкость в сП при минус 40 °С; КБ 40° - кинематическая вязкость в мм^:/с при 40 °С; KB 100* - кинематическая вязкость в мм^!/с при 100 °С; ИВ - индекс вязкости; ТЗ - температура застывания, °С; ТВ - температура вспышки в открытом тигле, "С; РТ - диапазон рабочей температуры. °С.

Товарные базовые масла

Окончательно подготовленные базовые масла, называемые также первичными маслами (base oils, base stock, basic grade), являются товаром, как и другие продукты переработки нефти. Нефтеперерабатывающие заводы продают базовые масла фирмам или другим заводам по компаундированию товарных масел. Основные показатели качества, указываемые в сопровождающих документах:

•знак базового масла, показывающий, из какой нефти оно изготовлено,

•плотность,

•содержание предельных углеводородов;

•компонентный состав,

•содержание серы;

•другие примеси,

•кинематическая вязкость,

•индекс вязкости,

•температура застывания.

На маслосмесительных заводах базовые масла могут смешиваться между собой с целью получения необходимой вязкости, а также к ним добавляются функциональные присадки раздельно или в виде композиций - пакетов присадок. Пакеты присадок состав­лены с целью получения масла определенного класса.

Маркировка базовых масел. В обозначении базового масла указывается основной их показатель - вязкость, обычно выраженная в универсальных секундах Сейболта (Saybolt Universal Seconds - SUS), например, 70N, ICON, 150N, SOON, 1200N или 100SP, 500SP, 600SP. Некоторые компании в Европе выражают вязкость базовых масел в сСт при температуре 40°С, например, «Shell» обозначает свои базовые масла HVI 60, HVI 95, HVI 160, HVI 650. При сопоставлении этих обозначений 100N соответствует HVI 65, a 500N - HVI 160. «ВР» обозначает свои базовые масла VHVI как НС 4, НС 5 и НС 6, где число означает вязкость масла в сСт при температуре 100°С. Если указываются две группы цифр, то первая из них означает вязкость масла в сСт при температуре 40°С, а вторая -индекс вязкости, например «ВР» парафиновое базовое масло обозначается как BG650/85 (BG - basic grade - базовое масло).

В качестве примера в табл. 1.3. представлен ассортимент и свойства наиболее часто применяемых базовых масел с индексом вязкости HVI полной очисткой экстракцией - нейтральные базовые масла (neutral - N) и светлое остаточное масло (brightsiock ~ BS).

Ассортимент и типовые характеристики нейтральных (N) и остаточных (BS) базовых масел

Таблица 1.3

В нормативных документах и в торговле различают "базовое масло" и "масло-основа". Базовое масло (base stock) - это компонент - основа товарного смазочного масла, изготовлен отдельным производителем. Обычно базовые масла выпускаются сериями, отличающимися по вязкости, но с одинаковыми другими характеристиками. Масло-основа (base oil) - базовое масло или смесь базовых масел, служащей основой товарного масла, в которое добавляются присадки.

Для упорядочения компаундирования, взаимозаменяемости и упрощения обязатель­ных контрольных испытаний после замены базовых масел, API создал стандартный классификатор базовых масел и утвердил порядок проведения испытаний, необходимых для присвоения товарным маслам соответствующих классов качества по API согласно "Систе­ме лицензирования и сертификации моторных масел" (API Engine Oil Licensing and Certification System). Все базовые масла подразделены на 5 групп с показателями, пред­ставленными в табл. 1.4.

Таблица 1.4 - Группы базовых масел по API

Этой классификацией пользуются при замене базовых масел в производстве, согласно предписаниям американских и европейских руководств: "APIруководство по взаимозаменяемости базовых масел для моторных масел легковых автомобилей и дизельных моторных масел" (API Base Oil Interchangeability Guidelines for Passenger Car Motor Oils and Diesel Engine Oils) и "A TIEL кодекс действий при создании мотор­ных масел, отвечающих требованиям АСЕА рядов масел" (ATIEL Code of Practice for Developing Engine Oils Meeting the Requirements of the ACEA Oil Sequences).

Совместимость, смешиваемость и маркировка синтетических масел. Совместимость (miscibility) синтетических масел с минеральными (табл. 1.5) имеет большое практическое значение по нескольким аспектам:

Таблица 1.5 - Совместимость синтетических базовых масел с минеральными

•как возможность создания смешанного масла с улучшенными свойствами;

•как возможность во время эксплуатации автомобиля доливки в картер синтетического масла, когда двигатель заполнен минеральным маслом, и наоборот.

Синтетические масла маркируются символами в соответствии их химическому строению. Одна из наиболее распространённых систем обозначения приведена в стандарте Германии DIN 51 502. В табл. 1.6 приведены обозначения синтетических масел, применяемые в нормативной и технической литературе.

Таблица 1.6 - Обозначения синтетических масел в зарубежной

технической литературе по DIN 51 502 и другими стандартами

Полусинтетические масла (semisynthetic oils, part synthetic oils). Так называются минеральные масла, в которые введено более 25 % синтетического масла, обычно полиаль-фаолефинового, или на основе органических сложных полиэфиров. Некоторые фирмы ("Kuwait Petroleum") полусинтетическими или гидросинтетическими (hydro synthetic) называют масла глубокого каталитического гидрокрекинга, или масла минерального происхождения, но со значительно измененной молекулярной структурой.

Масла высокого качества могут вырабатываться при смешивании синтетических масс минеральными или полусинтетическими маслами. Например, универсальное моторное масло высшего качества "BP Visco 5000" получается смешением гидрокрекингового масла (НС) с синтетическим полиэфирным маслом.

В настоящее время в технической литературе и особенно в списках и каталогах масел появилась новая, упрощенная классификация базовых и товарных масел, подразделяющая их на типы, в зависимости от способа их получения (англ, oil type, нем. Oltyp):

•маслами обычной технологии (англ, conventional base oils, conventional refined stocks, нем. Konventionell) называют масла, полученные путем вакуумной дистилляции с последующей многостадийной очисткой;

•маслами новой или необычной технологии (англ, unconventionally refined petroleum stocks, unconventional oils, нем. Neue Technologie Öle) называют масла, полученные гидрообработкой базовых масел, особенно гидрокрекингом; к этому же типу в немец­кой литературе относят полусинтетические полиальфаолефиновые масла;

•синтетическими маслами (synthetic oil) называют синтетические масла с указанием способа синтеза - полигликолевые, синтетические сложные эфиры и т.д.

Регенерированные масла

Некоторые сорта базового масла вырабатываются из отработанного масла и называются регенерированными (regenerated, recycling, re-refined, reclaimed oils). Существует много различных технологических линий регенерации масла, но основные операции остаются теми же самыми, что и при производстве новых базовых масел. Германия является лидером в регенерации отработанных масел, но в основном не из экономических, а из экологических соображений.

Отработанное масло (used oil, waste oil) поставляется на завод по регенерации (rerefinery plant), где удаляют воду, присадки, продукты окисления и износа, механические и другие примеси и загрязнения. Для этого сначала отгоняются летучие вещества при температуре до 250°С при атмосферном давлении, далее масло обрабатывается серной кислотой и нейтрализуется, затем перегоняется при пониженном давлении, получаются 2-3 фракции с разной вязкостью, которые осветляются очисткой глиной или цеолитами. В даль­нейшем масла смешиваются для получения необходимой вязкости и вводятся присадки, так же, как и при производстве новых товарных масел.

При тщательном соблюдении соответствующей технологии, качество масла после регенерации мало отличается от качества нового масла. Регенерированное масло является менее стабильным и его приходится чаще менять. Для производства высококачественных товарных масел регенерированное базовое масло не применяется.

Выход регенерированного масла достигает 75-80 % от исходного сырья. Экономически выгодными считаются заводы с производительностью выше 40000 т/г, но имеются и заводы с производительностью 5000-20000 т/г. Один из заводов по регенерации масла в Германии - «Edelhoff Mineralöl GmbH» и его дочерняя фирма «Pennasol».

Присадки к маслам

Возможности технического совершенствования двигателя находятся в прямой зависимости от функциональных свойств моторного масла. Современные смазочные мате­риалы способны длительное время выдерживать высокие механические и термические нагрузки, защищать от износа, коррозии и образования отложений, нарушающих нормальную работу агрегата и обеспечивать снижение потерь энергии.

Качество смазочного масла может быть усовершенствовано двумя способами:

•улучшением свойств базового масла (масла-основы) при его получении;

• легированием масла присадками.

Усовершенствование технологии производства масла применением эффективных процессов очистки, осуществлением молекулярной конверсии молекул нефти, синтезом новых масел, позволяет существенно улучшить некоторые эксплуатационные параметры. Весьма значительно свойства масел могут быть улучшены добавлением в базовое масло присадок. Масло, улучшенное присадками, называется компаундированным или пеги-рованным маслом (blended oil, compounded oil, formulated oil). Варьированием состава компонентов базового масла и композиций присадок разработчики смазочных материалов могут создать масла, отвечающие разнообразным требованиям производителей механизмов и оборудования, а также формировать широкий ассортимент смазочных материалов с дифференцированными свойствами для решения многообразных, иногда весьма специфических и даже противоречивых, задач смазывания двигателей и агрегатов трансмиссии.

В описаниях товарного продукта - смазочного масла, как правило перечисляются основные способы его производства, технологии совершенствования базового масла, а также перечень наиболее важных присадок.

Присадки (additives) - синтетические химические соединения, вводимые в базовое масло для улучшения свойств в периоды эксплуатации и хранения. Практически все товарные автомобильные масла выпускаются с присадками, их число достигает до 8 различных соединений, а общее массовое содержание - до 25 %. Почти все присадки, как одиночные, так и пакеты, поставляются на маслосмесительные заводы в виде растворов присадок в масле, содержащих около 50 % активного вещества. В рецептурах указывается не содержание чистой присадки, а количество товарного продукта присадки, т.е. его раствора. Поэтому указание о наличии в масле 25 % присадок еще не указывает реального количества активных веществ. При анализе готовых или работающих масел, определяется расходование присадок и рассчитывается содержание активных элементов присадок (active element content).

Некоторые присадки влияют на физические свойства базовых масел, другие оказы­вают химический эффект. Они могут дополнять друг друга, что создает синергетический эффект, но могут вызывать и антагонистический эффект. Многие современные присадки выполняют несколько функций (многофункциональные присадки). На рынок чаше всего поставляются композиции присадок - пакеты (additive package). Это пакеты строго определенного состава, предназначенные для масла конкретного назначения и класса качества.

Таким образом, при наличии на рынке готовых пакетов присадок и различных базовых масел, имеется возможность простыми технологическими приемами - дозировкой и смешением, получить товарные масла с определенным и постоянным уровнем эксплуатационных свойств. Американские и европейские системы обеспечения качества в своих документах (документы API и "Свод правил ATIEL") предусматривают для таких компаундированных масел упрощенные и более дешевые процедуры испытаний при присвое­нии класса качества и предоставлении права обозначать знаками классов API или АСЕА. Это позволяет мелким фирмам (заводам по смешиванию масел), с наименьшими затратами производить и поставлять на рынок автомобильные масла контролируемого и достаточного качества.

Разработка согласованного состава пакета, в котором была бы достигнута полная совместимость (compatibility) и синергетическое взаимодействие (synergism) отдельных присадок, является сложным и трудоемким процессом, требующим большого научно-технического потенциала. Производством пакетов присадок заняты крупные нефтекомпании («Shell Additive» + "Paramins"("Exxon") - "Infenium", "Texaco Additive", "Oronite"("Chevron") и др.) и химические компании («Lubrizol», «Ethyl», "BASF* и др.). Из-за опасности нарушения баланса присадок, КРУПНЫЕ НЕФТЕКОМПАНИИ И ПРОИЗВОДИТЕЛИ АВТОМОБИЛЕЙ, ОТРИЦАТЕЛЬНО СМОТРЯТ НА ПРИМЕНЕНИЕ дополнительных добавок, вливаемых в картер автомобиля (aftermarket additives).

Пакеты присадок (additivepackage) поставляются в виде концентрированного раствора присадок в масле (до 50 % активных веществ). Такая композиция вводится в базовое масло и после перемешивания получается товарное масло, готовое к применению. На практике такое производство осуществляется на смесительных заводах (blendingplant). Смешение компонентов выполняется либо периодичным способом в больших резервуарах (batch blending) или непрерывным способом путем введения компонентов в основной поток линии смешения масла (line blending, in-line blending). Готовое масло поступает на расфасовку. Схема компаундирования масел показана на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Схема произвоства товарных масел

В Европе находится около 400 маслосмесительных заводов. Они бывают самостоятельными, имеющими свои товарные знаки («Kroon-ОП», «Teboil», "Pemco" и др.), либо принадлежащими крупным нефтекомпаниям. Это хорошо оборудованные заводы, автоматически управляемые, имеющие лаборатории для контроля качества продукции. Высокое качество продукции может гарантироваться автоматическим управлением смешения и постоянством поставщиков базовых масел и присадок. Любая замена базовых масел или дру­гих компонентов требует в обязательном порядке дополнительных процедур проверки качества масла. Такая проверка регламентируется соответствующими документами - в Европе "Сводом правил ATIEL" (The ATIEL Code of Practice) и "Сводом правил АТС" (АТС Code of Practice), а в Америке -API системой лицензирования и сертификации моторных масел " (API Engine Oil Licensing and Certification System) и "Сводом правил CM A" (CMA Code of Practice). Маслосмесительные фирмы стараются получить сертификаты качества ISO , "Ллойда" (Lloyd) и других авторитетных организаций. Знак полученного сертификата наносится на упаковку продукции, как доказательство высокого качества производства и контроля выпускаемой продукции.

Действие присадок.

Присадки могут:

•придать маслу новые свойства (образование на трущихся поверхностях деталей хе-мосорбционной сульфидной или фосфидной пленки, предотвращающей износ);

•улучшить имеющиеся свойства масла (уменьшить вязкостно-температурную зависимость, понизить температуру застывания);

•замедлить или остановить нежелательные процессы, происходящие при эксплуатации масла, (замедлить окисление, образования шлама, коррозию металла).

Эффективность действия присадок обуславливается их химическими свойствами и концентрацией в смазочных материалах, а также приемистостью последних к добавкам, так как некоторые присадки более активны для одних базовых масел, чем для других.

Присадки должны:

•хорошо растворяться в масле;

•обладать малой летучестью и не испаряться из масла при хранении и эксплуатации в широком диапазоне температур;

•не вымываться водой и не подвергаться гидролизу;

•не взаимодействовать с контактирующими поверхностями материалов;

•сохранять свои функции в присутствии иных добавок и не оказывать на них депрессивного действия.

На практике присадки классифицируются по функциональному действию. По главному назначению (определяющему свойству) присадки условно объединяют в несколько групп:

1. Вязкостные присадки, которые улучшают индекс вязкости и другие свойства (моди­фикаторы индекса вязкости, депрессанты);

2. Присадки, улучшающие смазочные свойства (модификаторы трения, антифрикци­онные, фрикционные, противоизносные, противозадирные, повышающие липкость, антипиттинговые, металлоплакирующие и др.);

3. Антиокислительные присадки, уменьшающие расход масла и увеличивающие ресурс работы масла (антиоксиданты);

4. Антикоррозионные присадки (ингибиторы коррозии);

5. Моющие присадки (детергенты);

6. Другие присадки (противопенные и др.).

Большинство современных присадок являются многофункциональными, т.е. обладают несколькими полезными свойствами, например моющие присадки одновременно яв­ляются и антикоррозионными. Соотношение действия комплексных свойств регулируется химической структурой присадки.

В данном разделе будут рассмотрены в основном присадки, предназначенные для минеральных и полиальфаолефиновых масел. Для синтетических базовых масел могут быть применены другие присадки и в других пропорциях.