Производство смазочных масел

 

Смазочные масла производят по следующей схеме:

1) получение базовых масел, отвечающих жестким требованиям как по физико-химическим свойствам, так и по чистоте;

2) подготовка композиций присадок, которые служат добавками к базовым маслам для придания им новых свойств или усиления существующих свойств;

3) смешивание (компаундирование) различных базовых масел и добавление к ним присадок для получения товарных продуктов с требуемыми свойствами.

Базовые масла

 

По происхождению базовые масла делятся на минеральные (нефтяные) и синтетические.

Нефтяные базовые масла получают из мазута – остатка после атмосферной перегонки нефти. При этом применяются следующие основные промышленные процессы:

1) вакуумная перегонка мазута для получения фракций с заданной вязкостью и температурой вспышки;

2) деасфальтизация – удаление асфальто-смолистых веществ из высоковязкого остатка после вакуумной перегонки мазута;

3) очистка вакуумных дистиллятов и остатка от нежелательных примесей для улучшения стойкости к окислению и вязкостно-температурных свойств, при этом используются три различных процесса:

а) кислотная очистка и отделение остатка сернокислотной очистки;

б) селективная (избирательная) очистка;

в) каталитическое гидрирование (гидроочистка);

4) депарафинизация – снижение содержания высокоплавких парафинов в вакуумных дистиллятах для улучшения низкотемпературных свойств;

5) каталитический гидрокрекинг вакуумных дистиллятов для получения углеводородных масел с высоким индексом вязкости, называемых гидрокрекинговыми маслами.

Современные проблемы смазки не могут быть решены только с помощью нефтяных масел. Синтетические базовые масла отличаются от нефтяных базовых масел лучшими вязкостно-температурными свойствами, низкой испаряемостью, высокой стойкостью к окислению, термоокислительной стабильностью, детергентностью и т.п.

Синтетические базовые масла получают из сравнительно однородного химического сырья в контролируемых условиях. Они относятся к различным классам органических соединений. В табл. 3.1. представлены соединения, которые находят наибольшее применение.

Таблица 3.1

Синтетические базовые масла

 

Тип соединений	Основные продукты
Синтетические углеводороды
Алкилароматические Олигомеры олефинов (алкенов) Полибутены	Алкилбензолы Поли- -олефины Полиизобутилены
Органические эфиры
Эфиры двухосновных кислот Эфиры многоатомных спиртов   Полиэфиры Полигликолевые эфиры	Адипинаты, азелаинаты Простраственно-затрудненнные эфиры – Полиалкиленгликоль
Гетероорганические соединения
Галогензамещенные углеводороды Сложные эфиры фосфорной кислоты Эфиры кремниевой кислоты Силиконы	– Изопропилфенилфосфаты – Метил- и диметилфенилсилоксаны

 

При смешивании нефтяных и синтетических базовых масел получаются частично синтетические масла, которые иногда называются полусинтетическими (Semisynthetic).

Присадки к смазочным маслам

 

Присадка – вещество, добавляемое к смазочному материалу для придания ему новых свойств или усиления существующих свойств.

Все присадки должны хорошо растворяться в базовых маслах и не должны образовывать осадка. В качестве присадок используют органические соединения с разными функциональными группами. Присадки делятся на беззольные, не содержащие в своем составе металл, и зольные, в состав которых входит металл. По основному функциональному действию известны присадки следующих типов.

1. Присадки, улучшающие индекс вязкости, понижают изменение вязкости относительно температуры и увеличивают в связи с этим индекс вязкости масел. Они обычно представляют собой полимеры.

Все присадки, улучшающие индекс вязкости, вызывают загущение базовых масел. Причем загущающая способность присадок при высоких температурах больше, чем при низких температурах. Поэтому загущенное масло имеет более пологую вязкостно-температурную кривую по сравнению с базовым маслом (рис. 3.1.). Кроме того, загущенное масло не является ньютоновской жидкостью: при увеличении градиента скорости уменьшается вязкость масла.

Рис. 3.1. Вязкостно-температурные кривые:

1 – базового масла; 2 – загущенного масла

 

2. Депрессорные присадки понижают температуру застывания жидких смазочных материалов.

Высокоплавкие парафины, содержащиеся в смазочном масле, при низкой температуре кристаллизируются в виде игл и пластин с образованием пространственной решетки, что приводит к потере подвижности масла. Температуру застывания можно понизить глубокой депарафинизацией базовых масел. Поскольку затраты при этом возрастают пропорционально снижению температуры застывания и из масел удаляются ценные компоненты, базовые масла обычно депарафинизируют лишь частично. Дальнейшее понижение температуры застывания достигается введением депрессорных присадок. Они снижают температуру застывания смазочных масел на 10…25 ºС.

Депрессорные присадки оказывают на процесс кристаллизации парафинов объемное и поверхностное действие. В присутствии присадок объемного действия вместо игольчатых и пластинчатых кристаллов образуются сферические кристаллы, которые в меньшей степени препятствуют подвижности масла. Присадки поверхностного действия адсорбируются на кристаллах парафина, препятствуя их сближению и коагуляции – объединению в более крупные кристаллы.

3. Антифрикционные, противоизносные и противозадирные присадки повышают смазочную способность масел. Их действие связано с адсорбцией на металле и с химической активизацией по отношению к материалам пары трения по мере повышения температуры.

Антифрикционные присадки снижают трение между сопряженными поверхностями. Действие антифрикционных присадок основано на физической адсорбции, а при повышении температуры масла – на химической адсорбции. При хемосорбции происходит насыщение свободных связей поверхностных атомов металла без нарушения их связей с кристаллической решеткой. Некоторые присадки образуют на поверхностях металла пленку мыл, которая стабилизирует трение между сопряженными поверхностями.

Противоизностные присадки препятствуют изнашиванию и уменьшают скорость или интенсивность изнашивания трущихся поверхностей. По мере повышения температуры масла в объеме действие противоизностных присадок проходит следующие стадии: физическую адсорбцию, хемосорбцию и химическое воздействие на металлы. В отличие от хемосорбции при химической реакции поверхностные атомы металла покидают безвозвратно кристаллическую решетку, образуя новую структуру поверхностной пленки.

Противозадирные присадки препятствуют, ограничивают или задерживают заедание трущихся поверхностей. В их составе содержатся соединения активных элементов S, P, Cl, Са, Ва, Zn и др. Эффективное действие противозадирных присадок основано на явлении контролируемой коррозии. В диапазоне рабочей температуры масла в объеме противозадирные присадки не реагируют с металлами и не вызывают коррозию. Однако в условиях высоких нагрузок и температур в контакте трущихся поверхностей присадки разлаются, активные элементы вступают в реакцию и образуют прочные пленки на поверхности металла. Пленки предотвращают прямой контакт между металлами, обеспечивая высокую нагрузочную способность смазочного масла.

4. Антиокислительные присадки препятствуют окислению смазочных материалов или ограничивают время их окисления.

Углеводороды окисляются кислородом воздуха в условиях каталитического действия металлических поверхностей и продуктов их изнашивания. Реакция окисления протекает по цепному механизму с разветвлением. Промежуточными продуктами цепной реакции являются активные радикалы и гидропероксиды.

По механизму действия антиокислительные присадки подразделяют на ингибиторы окисления (антиоксиданты) и на дезактиваторы и пассиваторы металлов. Ингибиторы окисления воздействуют на промежуточные продукты цепной реакции. Они обрывают окислительные цепи, разлагая пероксиды и связывая свободные радикалы. Дезактиваторы связывают ионы металлов в комплексы, нейтрализуя их каталитическое действие на окисление масла. Пассиваторы образуют на поверхностях металлов хемосорбционные пленки, которые подавляют каталитическую активность металлов.

5. Антикоррозионные присадки препятствуют коррозии смазываемых металлических поверхностей или ограничивают время коррозии.

Они образуют на металле защитные пленки, которые препятствуют непосредственному корродирующему действию смазочных масел на металл. Кроме того, многие антикоррозионные присадки одновременно являются дезактиваторами и пассиваторами металлов; они эффективны особенно против коррозии, вызываемой активными элементами противоизносных и противозадирных присадок.

Ввиду того, что повышение коррозионности масел является в основном следствием их окисления, разграничить четко антиокислительные и антикоррозионные присадки невозможно. Многие антиокислительные присадки выполняют в то же время функции антикоррозионных присадок.

6. Ингибиторы коррозии – присадки, препятствующие, ограничивающие или задерживающие время образования ржавчины на поверхностях деталей из сплавов на основе железа.

Для улучшения защитных свойств смазочных масел от электрохимической коррозии металлов во время хранения и перерывов в работе техники к ним добавляют МИК – маслорастворимые ингибиторы коррозии. МИК подразделяются на соединения экранирующего, анодного и катодного действия. Ингибиторы коррозии экранирующего действия адсорбируются на металлических поверхностях. Они характеризуются хорошими водовытесняющими свойствами и сохраняют защитные свойства при температуре до 80 ºС.

Ингибиторы коррозии анодного действия (доноры электронов) образуют поверхностные хемосорбционные пленки в основном на положительно заряженных (анодных) участках металла. Наоборот, ингибиторы коррозии катодного действия (акцепторы электронов) обладают предпочтительной хемосорбцией на отрицательно заряженных (катодных) участках металлических поверхностей. Ингибиторы коррозии как анодного, так и катодного действия образуют на поверхности защищаемого металла достаточно прочные пленки, которые выдерживают сравнительно высокую температуру – до 150 …180 ºС.

Для получения максимального эффекта защитного действия в смазочные масла вводят комбинированные ингибиторы коррозии экранирующего, анодного и катодного действий. В зависимости от типа используемого ингибитора коррозии и его концентрации получают рабоче-консервационные, консервационно-рабочие и консервационные смазочные масла (см. п. 2.5).

7. Диспергирующие присадки – присадки к жидкому смазочному материалу, повышающие дисперсность нерастворимых загрязнений и стабильность суспензий преимущественно при низких температурах.

Другими словами, диспергирующие присадки рассеивают частицы нерастворимых в масле загрязнений по всему объему и поддерживают их во взвешенном состоянии в виде суспензии, препятствуя образованию осадков – низкотемпературных отложений. Осадки откладываются на поверхностях деталей с невысокой температурой – каналы системы смазки, фильтры, масляный картер, крышка коромысел двигателя и др.

Диспергирующие присадки (дисперсанты) представляют собой беззольные органические соединения, поверхностная активность которых проявляется в объеме масла. После адсорбции на поверхности загрязняющих частиц диспергирующее действие присадок основано на электростатическом отталкивании частиц, предотвращающем их коагуляцию – объединение в более крупные частицы.

8. Моющие присадки помогают удерживать твердые частицы в масле во взвешенном состоянии.

Моющие присадки (детергенты) представляют собой ПАВ – поверхностно-активные вещества, которые препятствуют образованию лаковых и смолистых отложений на поверхностях деталей. Основное применение находят соли щелочноземельных металлов (Са, Ва, М_g) и органических кислот. Моющие присадки проявляют разную эффективность действия по нескольким направлениям:

1) адсорбируются на металлических поверхностях и формируют на них двойной электрический слой, который обладает экранирующим действием и препятствует образованию отложений, что принято условно называть моющим действием;

2) уплотняют липкие отложения, которые легче отделяются от металлических поверхностей и смываются маслом, образуя суспензии;

3) обладая определенным запасом щелочности, нейтрализуют кислотные продукты и выводят их из процесса образования отложений.

Металлосодержащие моющие присадки вызывают негативные побочные действия, связанные с изнашиванием трущихся поверхностей:

а) повышают зольность масел;

б) вытесняют с поверхностей металлов антифрикционные, противоизносные и противозадирные присадки, а также естественные ПАВ – полярные компоненты нефтяных масел.

В большинстве современных смазочных масел содержатся комбинации зольных моющих присадок с беззольными диспергирующими присадками. Притом на долю моющих и диспергирующих присадок приходится около 50% общего потребления присадок.

9. Противопенные присадки уменьшают или препятствуют образованию стойкой пены в жидком смазочном материале.

В качестве противопенных присадок к смазочным маслам широко используют полисилоксановые (кремнийорганические) жидкости. Они не растворяются в нефтяных маслах и должны быть тонко диспергированы для достаточной стабильности. Полагают, что капельки нерастворимой полисилоксановой жидкости, присутствующие в тонких пленках масла, разрывают стенки воздушных пузырьков пены.

Отметим, что в противоположность противопенным присадкам моющие присадки и другие поверхностно-активные вещества, добавляемые к нефтяным маслам, снижают поверхностное натяжение и тем самым повышают склонность масел к пенообразованию.

10. Многофункциональная присадка улучает одновременно несколько свойств смазочного материала.

Многофункциональная присадка представляет собой органическое вещество с несколькими функциональными группами в молекуле, оказывающими на масло разностороннее действие.

В сущности, многие присадки к смазочным маслам являются многофункциональными. Отдельные присадки отнесены к той или иной группе по функциональным свойствам до некоторой степени условно.

11. Композиция присадок – смесь нескольких присадок, готовая к добавлению в смазочный материал.

Композиция присадок – продукт сложный, многокомпонентый и, как теперь говорят, наукоемкий. В такие смеси подбирают определенное сочетание функциональных присадок с учетом взаимодействия между ними для получения максимальной эффективности композиции в целом. При удачно найденных сочетаниях функциональных присадок наблюдается синергетическое усиление их действия в композиции.

Качество смазочного масла зависит не только от свойств и концентрации функциональных присадок и от их сбалансированности в композиции, но и от соответствия композиции присадок составу базового масла. По сути, подготовить сбалансированную композицию присадок к определенному базовому маслу – это и значит создать нужное смазочное масло.

 

 

Получение товарных масел

 

Заключительный этап производства смазочных масел включает смешивание (компаундирование) различных базовых масел и добавление к ним присадок. Базовые масла смешивают не только с целью достижения требуемой вязкости, но также и для того, чтобы получить смеси определенных углеводородов, используя масла из различных видов сырья.

Масла обычно смешивают при температуре 50…60ºС, при которой базовые масла и присадки не подвергаются термическим воздействиям и вместе с тем имеют достаточно низкую вязкость для быстрого перемешивания. Масла смешивают периодически в резервуарах и смесителях или непрерывно на автоматизированных установках для компаундирования масел (поточное смешивание).