Назначение и характеристики моторных масел

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Реализация технико-экономического потенциала автомобиля, заложенного в двигателе и трансмиссии, возможна только при использовании смазочных материалов того же поколения, полностью соответствующих по эксплуатационным свойствам их конструкционным особенностям и условиям работы.

Выбор оптимального смазочного материала в условиях современного рынка осложняется обилием ассортимента и наличием нескольких систем классификации и маркировки (API, АСЕА, ССМС, ILSAC, SAE, ГОСТ). Затруднения возникают также и в результате применения разнообразной терминологии при описании состава и свойств смазочных материалов.

Смазочные материалы (англ. lubricants, нем. Schmierstoffe) - это вязкие, жирные жидкости или пасты, предназначенные для снижения трения и износа трущихся поверхностей. В большинстве случаев это масла (англ. lubricating oil, luboil, oil, нем. Schmierole, Die), получаемые переработкой нефти (минеральные масла), путем синтеза (синтетические масла), или густые пластичные смазки (англ. grease, нем. Schmierfette).[1]

1. Классификация моторных масел

Масла в промышленности и на транспорте применяются для выполнения различных функций и на этой основе делятся на [1]:

* смазочные масла для смазки трущихся деталей;

* гидравлические жидкости для передачи давления и мощности;

* масла для теплообменников, переносящие тепловую энергию;

* технологические масла;

* энергетические масла для электроизоляционных и др. целей;

* защитные (консервационные) масла;

* белые масла для медицинских, пищевых, и парфюмерных производств;

* масла другого назначения.

Обычно масло выполняет не одну, а несколько функций одновременно. Например, моторное масло не только смазывает, но также охлаждает и очищает детали двигателя. 3 каждом случае масло должно обладать комплексом свойств, оптимально соответствующих конкретному назначению.

В отношении области применения в технике масла делятся на две большие группы [1]:

* масла для транспортных средств;

* индустриальные масла.

Масла для транспортных средств подразделяются на [1]:

* автомобильные (автотранспортные);

* авиационные;

* судовые или морские;

* тепловозные и др.

Такая классификация удобна тем, что определяет круг потребителей, для которых ассортимент масел является специфическим. Однако некоторые масла применяются в нескольких группах, многие свойства определяются одинаковыми методами и выражаются через одни и те же показатели.

Смазочные материалы, как и другие современные промышленные материалы, состоят из основного, базового материала, в данном случае - базового масла(oils, base stocks), и активных добавок - присадок(additives), улучшающих его функциональные свойства.

1.1 Базовые масла минеральные

Основы производства базовых масел

Желательно для каждого конкретного случая применения иметь масло с оптимальными эксплуатационными свойствами. Это обуславливает большой ассортимент масел. Производство большого количества разновидностей масел технически и экономически нецелесообразно. Во избежание этого, нефтеперерабатывающая промышленность выпускает ограниченное количество базовых масел, которые смешиваются между собой и с присадками на маслосмесительных заводах для получения товарных масел (commercial oils, service oils) с необходимыми эксплуатационными свойствами. Производство товарных масел состоит из двух стадий - производства базовых масел и смешения компонентов (компаундирования) (blending, compounding, formulation).

Базовые минеральные масла производятся нефтеперерабатывающими заводами, чаще всего принадлежащими крупным нефтекомпаниям, так как для управления производством и его совершенствования требуется крупный финансовый капитал и научный потенциал.

Базовые масла различаются между собой вязкостью, химическим составом и некоторыми другими свойствами. Базовое масло - это основа товарного масла, готовая к смешению, но еще без присадок. Сырьем для смазочных масел могут быть минеральные и синтетические базовые масла. Химический состав минеральных масел зависит от нефти, из которой произведено масло. Химический состав синтетических масел зависит от исходного сырья (мономеров) и метода синтеза.

Крупные нефтекомпании имеют несколько нефтеперерабатывающих заводов. Для конкретной товарной марки на все маслосмесительные заводы они поставляют базовое масло и присадки строго определенного состава и свойств. Поэтому в документах на продукцию обычно не указывается завод-изготовитель, а только название нефтекомпании.

Качество товарного масла зависит от типа исходной нефти, способа получения базового масла, глубины химического превращения и очистки. В описаниях продукта часто указываются особенности его производства и состава, что дает потребителю возможность судить о качестве исходного базового масла.

Компаундирование масел является относительно несложным технологическим процессом и может быть осуществлено на сравнительно небольших маслосмесительных заводах (blending plants). Эту задачу способны выполнить и небольшие самостоятельные фирмы. Они покупают базовые масла и присадки, смешивают их, расфасовывают и поставляют масла на рынок под своим фирменным названием.

Крупные нефтекомпании разрабатывают новые технологии и составы и выполняют все процессы по производству масел от переработки нефти и до расфасовки конечного продукта. В условиях конкуренции они постоянно совершенствуют технологии и поддерживают качество своей продукции на самом высоком уровне. Потребите» полезно быть знакомым со структурой и возможностями производителей и поставщиков нефтепродуктов.

Присадки и их наборы (пакеты) поставляются на рынок компаниями и заводами химической промышленности в большом ассортименте, часто это пакеты полностью готовые для получения масла определенного класса (уровня качества). Маслосмесительные заводы по компаундированию масел имеют достаточно большой выбор и могут в некоторой степени конкурировать с крупными нефтекомпаниями быстрым реагированием на изменения потребностей рынка. Крупные нефтяные и химические компании («Еххоn-Paramus", «Shell», "Lubrizol" и др.) разрабатывают оригинальные присадки и наборы, применяют их для компаундирования своих продуктов и тем самым имеют больше возможностей по усовершенствованию качества, чем мелкие фирмы.

Каждая крупная нефтекомпания старается создать процессы производства, очистки и модификации базовых масел и подбор компонентов товарных масел, которые были бы не только оригинальными, но и наиболее эффективными в экономическом плане и обеспечивали бы наилучшее качество. Поэтому каждое новшество, которое улучшает качество продукта, обязательно указывается в описании масла, как ценное преимущество данного продукта. Для правильного понимания любых предписаний производителей, нужны определенные знания по технологии производства, модификациям масел и специфической терминологии. Кроме того, в мировой практике приняты отдельные выражения, характеризующие свойства и качество масел, которые могут быть неоднозначно истолкованы потребителями, например "энергосберегающее масло" ("energy conserving oil", "EC oil"), "мае-no удлиненного интервала замены" ("long distance oil" "LDO"), "масло со стабильными свойствами" ("stay-in-grade oil), "масло, поддерживающее чистоту двигателя " ("keep clean effect oil") и др.

Общая схема производства базовых минеральных масел (рис. 1):

* атмосферная перегонка , при которой отделяются легкокипящие фракции (светлые продукты) и атмосферный остаток (atmospheric residue) или мазут, который служит сырьем для вакуумной перегонки при производстве масел;

* вакуумная перегонка атмосферного остатка (мазута) осуществляется при более низкой температуре в вакууме, что позволяет перегонять вязкие продукты; получаемые фракции масел - вакуумные дистилляты (vacuum distillate) с разной вязкостью и вакуумный остаток (vacuum residue), из которых получают высоковязкие базовые масла;

* очистка фракций вакуумной перегонки методом экстракции, при помощи которой растворителями отделяются нежелательные соединения;

* депарафинизация фракций, при которой отделяются парафины;

* другие технологические процессы улучшения качества базовых масел: гидрирование, каталитический гидрокрекинг, очистка отбеливающей глиной или кристаллическим алюмосиликатом (например, цеолитом) и др.

Рис. 1. Схема производства минеральных базовых масел, [1]

Основные фракции вакуумной перегонки атмосферного остатка (мазута):

* легкое вакуумное масло (light vacuum gas oil) (температура кипения 300 - 400°С),

* тяжелое вакуумное масло (heavy vacuum gas oil) (температура кипения 350-420°С),

* остаточное масло (residual oil) (температура кипения 420 - 490 °С).

Остаток после отделения дистиллятов называют гудроном или вакуумным остатком (температура кипения >500°С). Он составляет около 20 - 30% от исходного сырья. Иногда остаточное масло не выделяется в отдельную фракцию, а производится из вакуумного остатка. Такое масло после процесса очистки называется осветленным остаточным маслом (bright stock).

По фракционному составу базовые масла делятся на дистиллятные, компаундированные и остаточные. Дистиллятными маслами являются отдельные фракции или их смеси. Компаундированные масла получаются смешением дистиллятов и остаточных масел.

Остаточные масла обладают хорошими эксплуатационными смазывающими свойствами. Их липкость, стойкость к окислению лучше, чем у дистиллятных масел. Из легких дистиллятов получают легкие индустриальные и трансформаторные масла, из средних и тяжёлых дистиллятов - индустриальные и моторные, из компаундированных и остаточных - трансмиссионные, тяжёлые индустриальные, цилиндровые и др. масла.

Состав нефти и базового масла. Химический состав базового масла зависит от химического состава нефти. Существующие разновидности нефти [1]:

* парафиновые (paraffinic oil ) (содержание парафинов >75%),

* нафтеновые (naphthenic oil ) (содержание нафтеновых соединений >75%),

* ароматические (aromatic oil ) (содержание ароматических соединений >50%),

* смешанные (mixed base oil, intermediate ) - если нет доминирующих соединений.

Для производства смазочных масел наибольшее значение имеют парафиновые нефти, которые отличаются хорошими вязкостно-температурными свойствами (высоким индексом вязкости). После традиционных процессов очистки парафиновое минеральное масло обладает хорошими эксплуатационными свойствами.

Некоторые компоненты нефти, которые обычно считаются вредными, в некоторых областях назначения могут быть весьма ценными. Например, смолы, жирные и нафтеновые кислоты повышают липкость и стойкость адсорбционной пленки масла и тем самым улучшают смазывающую способность масла. Некоторые соединения серы и азота обладают антиокислительными свойствами. Таким образом, при глубокой очистке масла, некоторые его смазывающие, антиокислительные и антикоррозионные свойства могут ухудшиться.

Совершенствование базовых масел проводится по двум основным направлениям. При первом, масло очищается только до такой степени, чтобы в нем осталось оптимальное содержание смол, кислот, соединений серы, азота и, дополнительно, вводятся присадки для улучшения некоторых функциональных свойств. Такой метод не позволяет получать масла достаточно высокого уровня качества, требуемого для современных двигателей. При втором, базовое масло полностью очищается от всех примесей и проводится молекулярная модификация методом гидрообработки (гидрокрекинга, гидроочистки и др.). В результате получается масло, обладающее ценными свойствами для тяжелых режимов работы (высокая стойкость к деформациям сдвига при высоких скоростях, нагрузках и температурах, с высоким индексом вязкости и стабильностью физико-химических параметров). При очистке масел (finishing) - удаляются следующие основные примеси [1]:

* соединения серы (sulfur, sulfur compounds) и органические кислоты (organic acids), вызывающие коррозию металлов;

* непредельные углеводороды (unsaturated hydrocarbons), понижающие антиокислительную стойкость масла;

* смолистые и асфальтеновые соединения (resins, bitumen), которые образуют лаковые отложения и нагар на горячих поверхностях деталей, ухудшают низкотемпературные свойства, подавляют эффективность антиокислительных и антикоррозионных присадок;

* растворенные в масле твердые углеводороды (воскообразные вещества, парафины) (wax), которые повышают температуру застывания масла и ухудшают его низкотемпературную фильтруемость и прокачиваемость;

* полициклические соединения (polycyclic aromatics, PCA), ухудшающие низкотемпературные свойства масла и способствующие образованию лаковых отложений и нагара.

Методы очистки [1]:

* селективная очистка (solvent refining) или экстракция растворителями (solvent extraction) - метод удаления нежелательных соединений, основанный на образовании двухфазной системы, в которой примеси с растворителем и чистое масло разделяются на два слоя. После отделения слоя экстракта получается чистое масло. Таким образом, из масла удаляются асфальтеновые (битумные) вещества, смолы и ароматические соединения с короткими цепями в молекулах, твердые углеводороды и полициклические ароматические соединения, которые усиливают коксование и зависимость вязкости от температуры. Экстракция растворителями обычно проводится сразу после вакуумной дистилляции. Дистилляты после экстракции имеют более высокий индекс вязкости и лучшую стойкость к окислению. В настоящее время для экстракции в основном применяются фурфурол или н-метилпирролидин, реже - фенол. В ходе экстракции основной химический состав дистиллятов меняется незначительно, поэтому еще сохраняется влияние химического состава сырой нефти.

* депарафинизация растворителем (solvent dew axing) - метод удаления парафинов, которые повышают температуру застывания масел. Масло смешивается со смесью двух растворителей, например - метилэтилкетона и толуола. Полученный раствор масла охлаждается до - 6... - 12°С. При такой температуре кристаллы парафина выпадают в осадок и отделяются фильтрованием, а растворитель отгоняется от масла. В результате получается депарафинизированное масло (dew axed oil) с улучшенными свойствами: с более низкой температурой застывания и повышенным индексом вязкости (за счет уменьшения низкотемпературной вязкости). Побочный продукт, парафиновый шлам (slack wax), служит сырьем для каталитического гидрокрекинга, при котором могут быть получены высококачественные базовые масла.

* Очистка адсорбентами. В качестве адсорбентов применяются отбеливающая глина или кристаллические алюмосиликаты - цеолиты, имеющие однородную пористость. Подбором цеолитов с порами определенного размера, можно проводить селективную адсорбцию некоторых соединений: смолистых и асфальтовых веществ, алкенов, полициклических аренов. От такой очистки масло становится светлее, поэтому этот процесс иногда называют осветлением масла. В основном очистка адсорбентами проводится после других процессов химической очистки и экстракции растворителями.

* Гидрообработка и каталитический гидрокрекинг - реакция с водородом при повышенной температуре и давлении, в присутствии различных катализаторов.

Для получения масел применяются следующие процессы обработки водородом:

* гидрообработка (hydrogen processing) - проводится отдельно или одновременно с обработкой растворителями. Гидрообработка базовых масел может быть проведена до разной глубины - от гидроочистки (hydrogen treating, hydro treating) до гидрокрекинга (hydrogen cracking). Как гидроочищенное базовое масло (hydrotreated base stocks), так и базовое масло гидрокрекинга (hydrocracked base stock) имеют больше предельных связей (saturates) и меньше серы (reduced sulfur content) no сравнению с базовым маслом, экстрагированным растворителем.

* гидроочистка (hydro treating) - осуществляется действием водорода на нефтяные фракции в присутствии катализатора. Ненасыщенные и ароматические молекулы базового масла превращаются в предельные. Одновременно протекает процесс обессеривания (desulphurization) и удаления азотсодержащих соединений (denitrogenatiori). Умеренная гидроочистка (mild hydro treating, hydro finishing, hydro fining), обычно используется и для снижения окраски и запаха масла.

гидроизомеризация (hydroisomerisatiori) - изомеризация парафинов или высокопарафиновых фракций. Линейные молекулы парафинов превращаются в разветвленные изопарафины, одновременно может иметь место и гидрокрекинг молекул. Сырьем для этого процесса служат продукты депарафинизации масел или производства парафинов. После гидроизомеризации проводится депарафинизация растворителем для понижения температуры застывания.

* гидродепарафинизация (hydrogenating) - каталитическая депарафинизация (catalytic hydrogenating) является альтернативным процессом депарафинизации растворителем. Молекулы парафинов каталитически разрываются и изомеризуются до изопарафинов. Эта стадия обработки непосредственно следует либо после гидрокрекинга, либо после экстракции растворителем.

* каталитический гидрокрекинг (hydro cracking) - получение базовых масел с высоким индексом вязкости, противоокислительной стойкостью и стойкостью к деформациям сдвига. Масла гидрокрекинга защищают от износа, иногда лучше, чем синтетические. Гидрокрекинг является одним из самых перспективных методов улучшения свойств масла. В ходе гидрообработки одновременно или последовательно протекает ряд химических реакций, в результате которых удаляются соединения серы, азота, другие гетероатомные соединения, одновременно протекает гидрирование полициклических ароматических соединений, расщепление нафтеновых колец, деструкция длинных парафиновых цепей и изомеризация продуктов (рис. 2.). Эти процессы обеспечивают улучшение молекулярной структуры масла, усиливают стойкость к механическим, термическим и химическим воздействиям и стабильность свойств в интервале периода эксплуатации. Скорость и направление отдельных химических реакций, а тем самым и возможность получения желаемых продуктов, может регулироваться изменением параметров обработки (температуры, давления, соотношения реагентов, применением различных катализаторов и др.). Поэтому разные компании при выполнении процесса глубокой переработки масла, могут получить отличающиеся по свойствам продукты. Производители, как правило, охраняют свои оригинальные процессы переработки и продукты. Примеры аббревиатур оригинальных фирменных продуктов [1].

Чаще всего эти аббревиатуры присутствуют и в названиях товарных масел. Базовые масла, полученные методом гидрообработки, высоко ценятся, так как имеют высокие характеристики и свойства, не изменяющиеся при продолжительной эксплуатации.

Рис. 2. Стадии гидрокрекинга молекул масла [1]: а - исходная молекула масла; б - расщепление ароматических и нафтеновых колец; в - выпрямление цепи

Bязкocmь (viscosity) базовых масел - определяющий и классификационный показатель качества и выражается разными единицами. Раньше вязкость базовых масел измерялась универсальными секундами Сейболта (Seybold universal seconds - SUS). В настоящее время вязкость измеряется в сантистоксах (1 сСт=1 мм2/с) (centistokes - cSt), и, стандартно, определяется при 40 °С или 100 °С. Ряд, состоящий из базовых масел разной вязкости, называется общей номенклатурой базовых масел {common base oil nomenclature) или рядом базовых масел {base stock slate).

Индекс вязкости, VI, базовых масел {viscosity index) определяет зависимость вязкости масла от температуры. Базовые масла по индексу вязкости делятся на группы и маркируются [1]:

* с низким индексом вязкости -LVI {low viscosity index), VI < 50;

* со средним индексом вязкости - MVI {medium viscosity index), VI = 50 - 93;

* с высоким индексом вязкости - HVI {high viscosity index), VI = 93 - 115;

* с очень высоким индексом вязкости - VHVI {very high viscosity index), VI > 115.

Масла LVI и MVI получают при переработке нафтеновой нефти. Они обладают хорошими моющими свойствами, достаточным индексом вязкости и низкой температурой застывания. Базовые масла MVI получают путем умеренной экстракции растворителем (до достижения VI = 70 - 90), их называют «solvent pale» и обозначают SP, например [1]:

- 100SP, 500SP .

Они применяются в качестве технологических масел и масел, работающих при низкой температуре.

Масла HVI составляют основную часть базовых масел. Они обладают более высоким индексом вязкости и лучшей антиокислительной стойкостью, по сравнению с LVI и MVI маслами. HVI масла получают путем более глубокой экстракции растворителем, они называются «solvent neutral» и обозначаются буквой N, например [1]:

- 100N, 500N .

Знаком HVI обозначает свои базовые масла фирма «Shell», рядом ставятся цифры, соответствующие численному значению кинематической вязкости при температуре 40°С, например [1]:

- НVI60, HVI95, HVI160, HVI650

Базовые масла VHVI применяются для производства высококачественных моторных и трансмиссионных масел, отличающиеся продолжительной стойкостью к высокой температуре.

1.2 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 мономеров и молекул 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 [1]:

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

* полиэфирные масла на основе

О эфиров двухосновных кислот и первичных спиртов (напр., изооктиловый эфир себациновой кислоты), О эфиров полиолов, полифениловых эфиров,

О полигликолевых эфиров (например, полиалкиленгликолевый эфир), О эфиров 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 диметилсилоксана 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) (polyalphaolefin - 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 алкилированных ароматических соединений (alkylated aromatics). Чаще всего применяется алкилбензол (alkyl benzene). 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 DIN 51 502 такие масла сокращенно обозначаются PG. Они также составляют около одной трети всех синтетических масел. Свойства очень разные, в зависимости от исходной 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 масла_(масла органических сложных эфиров) (polyesters - Е). Эти масла по стандарту DIN 51 502 обозначаются буквой Е и составляют большую группу синтетических масел [1], 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 - РН). Эти масла по стандарту DIN 51 502 обозначаются РН. Основные преимущества этих масел - они негорючие и в местах интенсивного трения, при высокой температуре, образуют разделяющую, противозадирную 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 - SI). Эти масла по стандарту DIN 51 502 обозначаются SI [1]. 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.

2. Присадки к маслам

Качество смазочного масла может быть усовершенствовано двумя способами [2]:

* 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 легированным 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 количестваактивных 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 чаще 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 АР или АСЕА. Это позволяет мелким фирмам (заводам по смешиванию масел), с наименьшими, затратами производить и поставлять на рынок автомобильные масла контролируемого и достаточного качества.

Пакеты присадок (additive package) 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 (blending plant). 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.

Рис. 3. Схема компаундирования масел, [2]

2.1 Действие присадок

Присадки могут [2]:

* придать маслу новые свойства (образование на трущихся поверхностях деталей хемосорбционной 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, т.к. некоторые присадки более активны для одних базовых масел, чем для других. Присадки должны [2]:

* 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.

2.2 Классификация присадок

На практике присадки классифицируются по функциональному действию.

По главному назначению (определяющему свойству) присадки условно объединяют в несколько групп [3]:

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. 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.

А) Вязкостные присадки

Применяются для улучшения вязкостно-температурных характеристик. В иностранной литературе они называются улучшающими индекс вязкости или модификаторами индекса вязкости (viscosity index improvers, viscosity index modifiers - \ VIM). К вязкостным присадкам принадлежат и депрессанты температуры застывания. Их действие основано на подавлении гелеобразования при низкой температуре возникающего в результате кристаллизации парафина.

Модификаторы вязкости (viscosity modifiers -- VM). Всесезонные масла должны иметь низкую зависимость вязкости от температуры, т.е. масло должно быть достаточно текучим при низкой температуре и достаточно вязким - при высокой. Это достигается путем введения вязкостных присадок - полимерных загустителей. При низкой температуре, когда масло вязкое, молекулы полимера находятся, как и в плохом растворителе, в скрученном виде и мало влияют на вязкость. С повышением температуры, их растворимость повышается, они раскручиваются и повышают вязкость масла(компенсируют значительную потерю вязкости самого масла при повышении температуры) (рис. 1.7). Таким образом, подавляется зависимость вязкости масла от температуры (повышается индекс вязкости).Присадки с такими свойствами называются улучшающими индекс вязкости (viscosity index improvers), однако в иностранной литературе в настоящее время чаще употребляют термин "модификатор вязкости". В качестве модификаторов вязкости применяются полимеры и сополимеры - полиизобутилен, полимертакрилаты, сополимеры олефинов (этилена, пропилена, бутилена), гидрированный сополимер стирола и бутадиена, гидрированный полиизопрен и др. С целью подчеркивания их высокомолекулярной природы, они называются полимерными модификаторами вязкости (polymeric viscosity modifiers). В настоящее время загущающие полимеры выпускают в виде растворов в стандартном базовом масле и поставляют на рынок маркированными как концентраты в соответствии с их загущающим эффектом

Б) Депрессанты (depressants).

При значительном понижении температуры смазочного масла из него начинают выпадать парафиновые кристаллы в виде игл и пластин с образованием пространственной кристаллической решетки, что приводит к потере подвижности масла (желатинизации) и затрудняет низкотемпературный запуск двигателя. Низкотемпературная текучесть таких масел может быть улучшена глубокой депарафинизацией, однако это приводит к повышению затрат при производстве. Поэтому масла депарафинируют лишь частично до температуры застывания порядка -15°С. Дальнейшее понижение температуры застывания достигается введением депрессорных присадок, которые в состоянии понизить температуру желатинизации (застывания) еще на 20 - 30°С путем подавления срастания и кристаллов парафина (wax crystallization and agglomeration), при этом они не предотвращают появление этих кристаллов.Физическая температура застывания всего масла, как правило, значительно ниже температуры кристаллизации парафинов - составной части масла. В качестве депрессорных присадок (pour point depressants) применяются алкилнафталины, алкилфенолы и другие полимерные продукты. Концентрация депрессантов 0,05 - 1,0%.

В) Присадки, улучшающие смазывающие свойства

Действие этих присадок обусловлено образованием на трущихся металлических поверхностях различных по химическому составу защитных пленок.

Противоизносные и антифрикционные присадки. По принципу действия противоизносные присадки (anti-wear additives) делят на три группы:

* противоизносные присадки, увеличивающие липкость и смазываемость (в эту группу входят и модификаторы трения);

* противозадирные присадки (extreme pressure --ЕР);

* твердые противоизносные и противозадирные присадки.

Г) Противоизносные присадки

Увеличивают липкость и смазываемость (lubricating additives, tackiness agents). При нормальном смазывании, из-за взаимодействия полярных групп молекул масла с поверхностью металла, на поверхностях трения образуется адсорбированная пленка масла. При граничном смазывании, сила трения и износ в значительной степени зависят от стойкости этой пленки и силы взаимодействия молекул масла с поверхностью метала, т.е. от смазывающей способности (lubricity) и липкости (tackiness) масла.

Для уменьшения износа и увеличения липкости, в масло вводятся противоизносные присадки (anti-wear additives) - жирные спирты, амиды, сложные эфиры, соединения фосфора и др., образующие химическую связь с поверхностью металла. При помощи таких присадок улучшается липкость даже при низкой вязкости масла. Чем больше прочность образованной пленки и чем сильнее она связана с поверхностью металла, тем меньше может быть вязкость масла для достижения такого же смазывающего эффекта и уменьшения износа деталей, а с применением менее вязкого масла снижаются потери энергии на прокачиваемость.

Д) Модификаторы трения (friction modifiers).

Это присадки, регулирующие фрикционные свойства - коэффициент трения смазываемых поверхностей. В большинстве случаев требуется снижение потерь на трение, например в двигателе. Однако в некоторые агрегаты трансмиссии включены фрикционные механизмы - сцепления и тормоза мокрого типа, замедлители, блокирующие устройства, синхронизаторы и др., которые находятся в масле и должны обеспечить хорошее сцепление трущихся поверхностей и предотвращение их проскальзывания (slippage). В этих случаях находят применение присадки, повышающие трение.

Е) Модификаторы, понижающие трение (friction reducers).

Для снижения потерь на трение в двигателе, а тем самым и для снижения расхода топлива, в масло вводятся присадки, уменьшающие коэффициент трения. В качестве таких присадок применяются соединения, в молекуле которых имеется сильная полярная группа, обеспечивающая хорошее прилипание и длинная линейная цепочка, обеспечивающая хорошее скольжение. Применение подобных присадок, создает дополнительные возможности для создания "энергосберегающих" масел ("Fuel Economy oils", API SJ/EC, API SH/EC, API SH/ECII, ILSAC GF-1, ILSAC GF-2 и ILSAC GF-3)

Ж) Модификаторы, повышающие трение (friction enhancers).

Такие присадки одновременно понижают возможность возникновения шума и вибраций, вследствие скольжения со скачками коэффициента трения, характерного в мощных узлах трансмиссий с тормозами мокрого типа. В качестве таких присадок применяются соединения, в молекуле которых имеется сильная полярная группа, обеспечивающая хорошее прилипание и короткая линейная часть, при определенных условиях обеспечивающая хорошее сцепление. Такими соединениями являются некоторые детергенты, сульфиды. Эти присадки добавляются в масла для гидромеханических передач, автоматических коробок передач, дифференциалов повышенного трения и др.

З) Противошумные присадки (antisguawk additives).

Присадки, вводимые с целью уменьшения шума и повышения плавности работы гидромеханических передач. Это производные природных жирных кислот и серы, фосфониевые кислоты., В масла, предназначенные для механизмов, работающих в условиях ограниченного скольжения, например в масла самоблокирующегося дифференциала (для подавления рывков и вибрации, возникающих при работе агрегата), вводятся противовибрационные присадки (antic hatter additives). Это жирные кислоты, высшие спирты и амины, диалкилфосфиты и др. Противозадирные присадки, ЕР присадки (ЕР - extreme pressure additives). Термин "экстремальных нагрузок" и сокращение ЕР (extreme pressure) ввело в 1920-х годах Американское общество инженеров автомобилестроителей (SAE) для обозначения особой нагрузки на зубья шестерней трансмиссий, особенно в гипоидных передачах.

И) Антикоррозионные присадки

Продукты коррозии металлов в масле, при попадании на поверхности трения, способствуют увеличению износа деталей. Поэтому присадки, подавляющие коррозию, выполняют одновременно функцию противоизносных присадок.

Антикоррозионные присадки, или ингибиторы коррозии действуют следующим

образом:

* нейтрализуют кислоты, образованные при окислении масла или при сгорании сернистого топлива; для этой цели используются соединения, обладающие щелочными (основными) свойствами;

* образуют защитную адсорбционную или хемосорбционную пленку, препятствующую реакции кислот с поверхностью металла; для этой цели применяются соединения некоторых органических соединений серы, фосфора и азота; соединения серы, особенно дисульфиды и полисульфиды могут быть использованы в качестве противозадирных и противоизносных присадок;

* связывают влагу, без которой коррозия невозможна.

К) Антиокислительные присадки (antioxidants)

Называемые ингибиторами окисления (oxidation inhibitors), подавляют окисление масла в начальной его стадии путем взаимодействия с первичными продуктами реакции окисления - перекисями, с образованием неактивных соединений, не способных к продолжению цепной реакции окисления. Многие антиокислительные присадки, снижающие образование кислот, уменьшают коррозию, т. е антиокислительные присадки являются одновременно и антикоррозионными присадками.

Каталитическое действие ионов металлов на окисление масла подавляется соединениями другой группы антиокислительных присадок - деактиваторами металлов (metal deactivators). В качестве деактиваторов применяются органические соединения (этилендиамины, органические кислоты), связывающие ионы металлов в неактивные комплексы. В последнее время в зарубежной литературе появились данные, что небольшое количество ионов меди в моторных маслах наоборот, является эффективным антиоксидантом и специально вводится в некоторые сорта масел. Этот момент следует учитывать при анализе работающих или отработанных моторных масел.

В качестве антиокислителей - деактиваторов перекисей применяются фенолы и амины, например ионол, а в качестве деактиваторов металлов - органические соединения серы, фосфора и другие. Самым распространенным антиокислителем в настоящее время является диалкилдитиофосфат цинка. Он используется и как противозадирная присадка. В новых высококачественных моторных маслах диалкилдитиофосфата цинка содержится до 1,4%.

Л) Моющие присадки

Моющие присадки являются поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые предотвращают агломерацию (слипание) нерастворимых продуктов окисления с последующим их отложением на деталях двигателя. Моющие присадки по своему действию делят на детергенты и дисперсанты.

Детергенты (detergents) являются поверхностно-активными веществами, обладающими моющими свойствами, защищающими поверхность деталей от прилипания и скопления на них продуктов окисления. Анионными детергентами обычно бывают маслорастворимые алкилбензолсульфонаты, фосфонаты и другие аналогичные соединения. Некоторые сульфонаты имеют щелочные свойства и являются эффективными нейтрализаторами кислых продуктов окисления. По щелочности, которая характеризует эффективность присадок, сульфонаты делятся на нейтральные (10-30 мг КОН/г), щелочные (30 - 100 мг КОН/г), и очень щелочные (100 - 300 мг КОН/г). В состав очень щелочных присадок могут входить диспергированные окиси, гидроокиси и карбонаты металлов. Щелочные присадки необходимы в маслах для дизелей, с целью нейтрализации серной кислоты, которая образуется при сгорании сернистого дизельного топлива.

3. Экология

3.1 Охрана окружающей среды

Сооружения и оборудование нефтескладов и стационарных пунктов заправки должны исключать попадание нефтепродуктов в почву и водоемы и соответствовать по этим показателям санитарным требованиям [4].

Смазочные материалы имеют высокие температуры кипения и низкую испаряемость,

поэтому загрязнение окружающей среды этими материалами возможно лишь вследствие просачивания в грунт и загрязнения поверхностных и грунтовых вод. Это может произойти в результате небрежного обращения, утечки из резервуаров, транспортных происшествий или нарушения правил по утилизации отработанных масел и сбросу индустриальных сточных вод, содержащих смазочные материалы. Практически смазочные масла могут попасть в почву

или воду вследствие утечки, дефектов материалов упаковки; каплепадения, чистки установок и по другим причинам. Поэтому необходимо принимать меры по предотвращению загрязнения почвы и водного бассейна и строго соблюдать законодательные акты по транспортировке и хранению смазочных материалов. Следует иметь в виду, что доля смазочных материалов в загрязнении среды во время транспортировки и хранения значительно меньше доли других минеральных продуктов (особенно бензина, легких и тяжелых котельных теплив).

По статистике в области окружающей среды около 30 % аварий имели место при транспортировке, а 70% при хранении смазочных материалов [1].

Распространение в грунтовых водах. При контакте с водой в подпочвенном слое некоторые компоненты масла могут раствориться и мигрировать с водой. Концентрация растворенных компонентов снижается с повышением скорости течения фунтовых вод. По мере распространения фунтовых вод вещества, транспортируемые водой, становятся все более и более разбавленными. Максимальные расстояния, на которые распространяется масло в объеме, зависит от количества растворенных компонентов, увлекаемых водой из масла за единицу времени, масляной фазы, скорости течения грунтовых вод и коэффициента распространения в подпочвенном слое.

Распространение на поверхности воды. Масла, пролитые на поверхностные воды, сначала образуют так называемые разводы, а затем пленки. Эти пленки эмульгируются, подвергаются биологическому разложению и могут оседать после окисления. Скорость распространения масла на поверхности воды вычисляют по гиперболической функции.

Масло, пролитое на поверхностные воды, удаляют с помощью масляных барьеров (планки для сбора масла с поверхности вод, гибкие трубки), реагентов, связывающих масла, и скребковых устройств.

Биоразложение пролитого масла. В зависимости от химической структуры (ароматические углеводороды, нафтены, парафины), содержания гетероорганических соединений и присадок, молекулярной массы и т. д., на минеральные масла по-разному воздействуют кислород и микроорганизмы (бактерии, фибки). В аэробных условиях скорость разложения зависит от содержания минеральных солей и микроэлементов, температуры и величины рН. В случае углеводородов, растворенных в воде, скорость их разложения определяется химической структурой и содержанием кислорода в воде. Олефины и ароматические соединения окисляются до кислородосодержащих соединений (спиртов, кетонов, фенолов, карбоновых кислот) в сравнительно короткий срок. На биологическое разложение углеводородов расходуется кислород с образованием аммиака, сероводорода и соли двухвалентного железа и марганца в сложившихся восстановительных условиях.



3.2 Ликвидация отработанных масел

После использования, только 60 % смазочных материалов остаются в виде отработанных масел, так как моторные масла частично сгорают, технологические масла остаются в продуктах, индустриальные масла и смазочно-охлаждающие жидкости адсорбируют к металлу, а пластичные смазки, изоляционные масла и аналогичные продукты предназначены для одноразового использования на весь срок службы объекта. В работавших моторных маслах содержатся инородные примеси (вода, растворители и т. д.). Отработанные масла должны доставляться специальным фирмам для ликвидации или переработки [1]. Отрицательное воздействие отработанных масел на окружающую среду может быть полностью исключено регенерацией, сжиганием, повторным использованием для смазывания простых узлов фения или захоронением в специально отведенных местах

...