Моторные масла имеют сложный химический состав, включающий базовые масла и комплекс аддитивных присадок, которые улучшают свойства “базы”.
Содержание
Базовое масло
Согласно классификации Американского Института Нефти, существует 5 групп базовых масел:
I группа
Минеральные базовые масла, получаемые из нефти. Содержат менее 90% предельных углеводородов и 0,03 % серы, вследствие чего, достаточно быстро окисляется. Индекс вязкости – от 80 до 120, хотя обычно не превышает 90.
II группа
Улучшенные минеральные масла, которые прошли процедуру гидрообработки. Содержат не менее 90% предельных углеводородов и менее 0,03% серы, индекс вязкости от 80 до 120 (обычно превышает 90).
III группа
Масла III группы так же называются HC-синтетическими (Hydro-Cracking-Synthese-Technology). До 1999 года гидрокрекинговые масла считались минеральными, до того момента, как Castrol не стал писать на канистрах своих гидрокинговых масел слово “Synthetic”, что вызвало возмущение компании Mobil. Состоялось разбирательство, в ходе которого суд постановил, что слово “Synthetic” не относится к вопросам технического описания товара. После этого прецедента гидрокрекинг, по сути, стал королем среди королей синтеза. К тому же, с тех пор технологии сильно развились и на сегодняшний день масла III группы в гражданской эксплуатации практически ничем не уступают маслам IV группы при гораздо меньшей стоимости производства.
На сегодняшний день существуют две основных технологии получения базовых масел III группы.
VHVI (Very High Viscosity Index)
Технология VHVI – это глубокое очищение масляных фракций нефти с последующей обработкой каталитическим гидрокрекингом, в ходе которого удаляются практически все серные и азотистые соединения, а так же происходит молекулярная модификация масла.
GTL (Gas to Liquid)
Gas to Liquid – досл. “Газ в жидкость”. Технологический процесс состоит в следующем: полученный из природного газа метан частично сжигается, превращаясь в синтез газ, из которого получают чистейший расплавленный парафин. Путем уже известного процесса, гидрокрекинга, парафин превращают в базовое масло.
Преимущества
- Высокий индекс вязкости;
- Низкая гигроскопичность;
- Отличная растворяемость присадок;
- Относительно низкая себестоимость производства.
Недостатки
- Низкая полярность: масло плохо липнет к металлу и быстро стекает в картер. Нивелируется путем добавки алкилированных нафталинов, эстеров.
- Невысокая температура вспышки.
IV группа
ПолиАльфаОлефины (ПАО, PAO)
ПАО масла получают из нефтяных газов, преимущественно из этилена или бутилена, путем сложных, многоступенчатых химических реакций, в ходе которых масло “собирают”, как конструктор. ПАО-масла имеют огромные преимущества перед всеми другими видами базовых масел:
- Термостабильность;
- Увеличенный срок службы;
- Низкая гигроскопичность;
- Низкая испаряемость;
- Высокая температура вспышки, у некоторых производителей она близка к 280 градусам!
V группа
Все остальные базовые масла, не вошедшие в первые 4 группы.
| Группа базового масла | Содержание серы, % | Содержание предельных углеводородов, % | Индекс вязкости | Описание |
|---|---|---|---|---|
| I | >0,03 | < 90 | 80-120 | Минеральные масла грубой очистки |
| II | ≤0,03 | ≥90 | 80-120 | Минеральные масла высокой степени очистки (HVI) |
| III | ≤0,03 | ≥90 | 120 | Гидрокрекинг VHVI (Very High Viscosity Index), GTL |
| IV | <120 | ПАО (полиальфаолефины) | ||
| V | Другие масла, не вошедшие в I-IV группы (сложные эфиры, спирты, ПАГ, эстеры) |
ПолиАлкиленГликоли
ПАГ масла характеризуются очень высоким индексом вязкости, низкой зольностью, большей теплоемкостью (чем ПАО), высокой устойчивостью к сдвигу. Единственный недостаток – высокая цена.
Алкилированные нафталины
Алкилнафталины получают путем алкилирования нафталина олефинами в присутствии катализатора. Выделяют три основных вида алкилнафталинов:
- моноалкилнафталин (MAN);
- диалкилнафталин (DAN);
- полиалкилнафталин (PAN).
Алкилированные нафталины различаются по характеристикам, однако все они демонстрируют высочайшую гидролитическую и термоокислительную стабильность, низкую летучесть (испаряемость) и хорошую растворимость. Кроме того, эти синтетические жидкости также имеют хорошую толщину пленки и коэффициенты вязкости давления для защиты поверхностей.
Присадки
Для улучшение свойств к базовым маслам добавляются различные присадки. Они улучшают индекс вязкости, добавляют моющие свойства и защищают детали двигатели, когда масляная пленка разрушается. Рассмотрим их подробнее.
Модификаторы вязкости (Viscosity Index Improvers, VIIs)
Полимерные загустители представляют собой молекулы, которые легко растворяются в маслах I, II и III группы. При нагревании они расширяются, увеличивая вязкость, а при низких температурах, наоборот, сжимаются, занимая меньше места, тем самым снижая вязкость.
Существуют два типа загустителей:
- Линейный полимер – неустойчив к механической деструкции и окисляется;
- Звездообразный – сохраняет вязкость на всем протяжении работы, при сдвиговых нагрузках почти не разрушается.
Способностью полимера модификатора вязкости противостоять деструкции называют стабильностью сдвига. Этот показатель измеряется с помощью 90-часового теста Курта Орбана (ASTM D7109) и называется индексом стабильности сдвига (SSI, Shear Stability Index). Чем ниже индекс, тем дольше масло способно сохранять вязкость.
OCP
OCP – олефиновые сополимеры, обладают хорошей растворимостью и термостабильностью. Широко используются в производстве благодаря невысокой стоимости.
PMA
PMA – полимеры полиметакрилата, содержащие алкильные боковые цепи, которые препятствуют образованию кристаллов воска в масле, обеспечивая отличные низкотемпературные свойства. Используются в маслах, которые предназначены для мощных, высокофорсированных двигателей.
Гидрогенизированные сополимеры стирола-диена
В зависимости от типа диена, различают стирол-бутадиеновые (SBC) и стирол-изопреновые (SIP) полимеры. Широко используются в энергосберегающих маслах.
Моющие присадки (детергенты)
Детергенты являются основными носителями щелочности, которая нейтрализует кислоты, возникающие в процессе сгорания топливно-воздушной смеси. Предотвращают образование нагара на поршнях и других деталях, а так же удерживают во взвешенном состоянии продукты загрязнения.
| Свойство | Феноляты | Сульфонаты | Салицилаты |
|---|---|---|---|
| Диапазон щелочного числа (приблиз.) | 0-300 | 0-500 | 0-300 |
| Сера, % | 0,5-4 | 0-4 | 0 |
| Сульфоновые кислоты | нет | да | нет |
| Карбоновые кислоты | нет | нет | да |
| Гидролитическая стабильность | хорошая | умеренная | хорошая |
| Окислительная стабильность | очень хорошая | слабая | очень хорошая |
| Термическая стабильность | превосходная | превосходная | превосходная |
| Моющие свойства | хорошие | хорошие | превосходные |
| Ингибирование коррозии | слабое | хорошее | слабое |
| Антиоксислительный эффект | очень хороший | нет | очень хороший |
Диспергирующие присадки (дисперсанты)
Диспергенты предотвращают образование низкотемпературных отложений, шламов, а также забивание маслопроводов.
Противозадирные (разделительные)
Противозадирные присадки (EP, extreme pressure) работают в условиях предельных нагрузок, предотвращая сваривание. В местах очень высокого трения и температуры, противозадирные присадки разлагаются, создавая твердую пленку. Именно поэтому такие присадки еще называют разделительными. Наиболее известным представителем является диалкилдитиофосфат цинка – ZDDP.
Модификаторы трения
Модификаторы трения – присадки, снижающие потери на трение, увеличивают топливную экономичность, а так же исключают сухое трение “металл-металл”. Обладают высокой полярностью (т.е. легко прилипают к металлу), при этом легко деформируются. Наиболее известным представителем является молибден.
Молибден в моторном масле
Дисульфид молибдена используют в качестве сухой смазки, например, в: смазки, дисперсии, фрикционные материалы и клеевые покрытия. В моторном масле молибден выполняет роль модификатора трения, т.е. является антифрикционной присадкой. Обеспечивает экономию топлива путем снижения трения, предотвращает образование задиров, снижают износ и шум.
Комплексы молибден-сера могут быть использованы в суспензии, но чаще растворяются в смазочных маслах в концентрации нескольких процентов.
Дисульфид молибдена, MoS2, наиболее распространенная природная форма молибдена, извлекается из руды и затем очищается для непосредственного использования в смазке. Поскольку дисульфид молибдена имеет геотермальное происхождение, он обладает стойкостью к воздействию тепла и давления. Это особенно актуально, если имеются небольшие количества серы для взаимодействия с железом и обеспечения сульфидного слоя, который совместим с MoS2 при сохранении смазочной пленки.
Ряд уникальных свойств отличают дисульфид молибдена от других твердых смазок:
- Низкий коэффициент трения (0,03-0,06), который, в отличие от графита, изначально присущ молибдену, а не является результатом поглощения пленок или газов;
- Сильное сродство к металлическим поверхностям;
- Пленкообразующая структура;
- Предел текучести до 3450 МПа (500 х 103 фунт / кв. Дюйм);
- Стабильность в присутствии большинства растворителей;
- Эффективные смазывающие свойства от криогенных температур до примерно 350 ° С на воздухе (1200 ° С в инертных или вакуумных условиях).
- Дисульфид молибдена будет действовать в качестве смазки в вакууме, где графит разрушается.
- Комбинация молибдата и водорастворимых сульфидов может обеспечить как смазку, так и ингибирование коррозии в смазочно-охлаждающих жидкостях и металлообразующих материалах. Маслорастворимые соединения молибдена и серы, такие как тиофосфаты и тиокарбаматы, обеспечивают защиту двигателя от износа, окисления и коррозии. Несколько коммерческих производителей поставляют эти присадки для смазочной промышленности.
Самым современным вариантом является разработка компании Infeneum – трехядерный молибден MoDTC (диалкилдитиокарбамат молибдена). Принципиальное отличие MoDTC от MoS2 состоит в его полной растворимости, поэтому коагуляция и выпадение в осадок кристаллов не происходит. В отличии от устаревшего варианта, дисульфида молибдена MoS2, эффективная дозировка MoDTC намного меньше и редко превышает 50-100 ppm.
Антиокислительные присадки
Создают на поверхности сплавов цветных металлов защитную, непроницаемую для агрессивных веществ, пленку, тем самым защищают их от коррозии.
Депрессоры
Присадки, понижающие температуру застывания масла, препятствуя потере текучести при низких температурах из-за образования твердых кристаллов парафинов.
