Темы обучения по автохимии

Реализация технико-экономического потенциала автомобиля заложенного в двигателе и трансмиссии, возможно только при использовании смазочных материалов того же поколения полностью соответствующих по эксплуатационным свойствам их конструкционным особенностям и условиям работы. Желательно для каждого конкретного случая применения иметь масло с оптимальными эксплуатационными характеристиками. Однако это обуславливает большой ассортимент масел. Производство такого количества разновидностей масел технически и экономически нецелесообразно. Во избежание этого промышленность выпускает ограниченное количество базовых масел, которые смешиваются между собой и присадками на маслосмесительных заводах для получения товарных масел с необходимыми эксплуатационными свойствами. Производство товарных масел состоит из двух стадий: производство базовых масел и смешения компонентов (компаундирования). Ниже приведена общая схема нефтеперегонки

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

Химический состав базового масла зависит от химического состава нефти. По составу нефти делятся на парафиновые(содержание парафинов до 75%), нафтеновые(содержание нафтеновых соединений до 75%), ароматические (содержание ароматических соединений до 5%), смешанные- если нет доминирующих соединений.

Ароматические- циклопарафины

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

Некоторые компоненты нефти, которые обычно считаются вредными, в некоторых областях могут быть весьма ценными. Например, смолы, жирные и нафтеновые кислоты повышают липкость и стойкость адсорбционной пленки и тем самым улучшают смазывающую способность масла. Некоторые соединения серы и азота обладают антиокислительными свойствами.

Таким образом при глубокой очитке масла некоторые его смазывающие, антиокислительные и антикоррозионные свойства могут ухудшиться. Совершенствование базовых масел проводится по двум основым 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. Однако 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. 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)

Методы очистки

Селективная очистка или экстракция растворителями - 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 твердые углеводороды, которые усиливают коксование и зависимость вязкости масла от температуры. Экстракция растворителями проводится обычно сразу после вакуумной дистилляции.

Депарафинизация растворителем - метод удаления парафинов которые повышают температуру застывания масел. Масло смешивается со смесью двух растворителей после чего полученный раствор охлаждается до -6…-12 градусов. При такой температуре кристаллы парафина выпадают в осадок и отделяются фильтрованием, а растворитель отгоняется от масла. В результате получается депарафинизированное масло с улучшенными свойствами: с более низкой температурой застывания и повышенным индексом вязкости.

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

Гидрообработка и каталитический гидрокрекинг.

Это реакция с водородом при повышенной температуре и давлении в присутствии различных катализаторов.

Для получения масел применяются следующие процессы обработки водородом.

Гидроочистка- осуществляется действием на нефтяные фракции в присутствии катализатора. Ненасыщенные и ароматические молекулы углеводорода превращаются в предельные. Одновременно протекает процесс обессеривания и удаления азот содержащих соединений. Умеренная гидроочистка проводится для снижения окраски и запаха масла.

Гидроизомерация - изомерация парафинов и 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 гидроизмерации проводится депарафинизация растворителем для понижения температуры застывания.

(изомерация - процесс превращения химических соединений в изомеры- соединения того же состава и молекулярной массы, но с другим строением или с иным расположением атомов в пространстве. При этом изменяются также свойства продукта)

Гидродепарафинизация - каталитическая депарафинизация является альтернативным процессом депарафинизации растворителем. Молекулы парафинов каталитически разрываются и изомеруются до изопарафинов. Эта стадия обработки непосредственно следует либо после гидрокрекинга либо, либо после экстракции растворителям.

Каталитический гидрокрекинг - получение базовых масел с высоким индексом вязкости, противоокислительной стойкостью и стойкостью деформациям сдвига. Масла гидрокрекинга защищают от износа иногда лучше чем синтетические. Гидрокрекинг является самым перспективным методом улучшения свойств масла. В ходе гидрообработки одновременно или последовательно протекает ряд химических реакций, в результате которых удаляются соединения серы, азота одновременно протекает деструкция длинных парафиновых цепей и изомерация продуктов. 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 реакции, а тем самым и возможность получения желаемых продуктов, может регулироваться изменением параметров обработки(температуры, давления, соотношения различных реагентов, применением различных катализаторов и т.д.)

Поэтому разные компании при выполнении процесса глубокой переработки масла могут получить различные по свойствам продукты. Производители как правило охраняют свои оригинальные процессы переработки и продукты. пример:

Shell –shell XHVI VI-140

British Petroleum-HC VI-125

Exxon-EX-syn VI-140

Fuchs- MC VI-130

Базовые масла синтетические

Это синтетические маслообразные жидкости- полимеры или олигомеры полученные методом синтеза из разных мономеров. Ни одно синтетическое 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 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.

Полиальфаолефиновые масла (ПАО)- распространены широко и составляют более одной трети всех синтетических масел. Они отличаются универсальными смазочными свойствами, могут работать в широком интервале температур, обладают высоким ИВ 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 я 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, и других агрегатов, работающих под большой нагрузкой при повышенной температуре, и как моторное масло для мощных дизельных двигателей судов и тепловозов. ПАО масла - самые дешевые синтетические масла.

Масла алкиллированных ароматических соединений- чаще всего применяется алкилбензол. 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 или ПАО масло, который отличается хорошими низкотемпературными свойствами и применяется для производства арктических масел и моторных масел для двухтактных двигателей.

Полигликолевые масла. 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 двигателей, 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 используемых на практике полигликолей не смешиваются с минеральным маслом или смешиваются ограниченно. 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 220с) и низкой температуры застывания (ниже -30 С). Иногда они применяются для смазывания сильно нагруженных передач при низкой температуре. Их ассортимент довольно широкий.

Полиэфирные масла составляют большую группу синтетических масел, особенно для реактивной авиации. В этой области они незаменимы так как обладают высоким индексом вязкости (до 180С), низкой температурой застывания (ниже – 50С), плохой воспламеняемостью и низкой летучестью. В автомобильной промышленности полиэфирные масла применяются в качестве добавок к минеральным маслам и ПАО, как повышающая 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 основные преимущества этих масел они негорючие и в местах интенсивного трения при высокой температуре, образуют разделяющую противозадирную фосфатную пленку, уменьшающую трение и предораняющую 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 химически инертны и термически стойки (температура вспышки более 300С), имеют низкую температуру застывания(ниже -50С) незначительную летучесть наивысший индекс вязкости (около 300С) и не вспениваются. Силиконовые масла не обладают хорошими смазывающими свойствами и 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.

Фторсодержащие эфирные масла. 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.

Полусинтетические масла

Так называются минеральные масла в, которые введено более 25% синтетического масла, обычно ПАО или полиэфирного. Некоторые фирмы полусинтетическими или гидросинтетическими называют масла глубокого каталитического гидрокрекринга, или масла минерального происхождения, но со значительно измененной молекулярной структурой. В настоящее время в технической литературе и особенно с списках и катклогах масел появилась новая, упрощенная классификация базовых и товарных масел,

Подразделяющая их на типы в зависимости от способа их получения.

1) маслами обычной технологии называют масла, полученные путем вакуумной дистилляции с последующей многостадийной очисткой.

2) маслами новой или необычной технологии называют масла, полученные гидрообработкой базовых масел, особенно гидрокрекингом, к этому же типу в немецкой литературе относят полусинтетические ПАО масла.

3) синтетическими маслами – называют синтетические масла с указанием способа синтеза (ПАО, полиэфирные и т.д.)

Регенерированные масла

Некоторые сорта базовых масел вырабатываются из отработанного масла и называются регенерированными. Существует много различных технологических линий регенерации масла, но основные операции остаются теми же самыми что и при производстве новых базовых масел. Германияявляется лидером в регенерации масел но в основном не из экономических, а из экологических соображений. Отработанное масло поставляется на завод по регенерации, 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, получается 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.

Присадки к маслам

Присадки - синтетические химические соединения, вводимые в базовое масло для улучшения свойств в периоды хранения и эксплуатации, они могут улучшить имеющиеся свойства масла или придать ему новые. 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 до 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. Некоторые присадки влияют на физические свойства базовых масел, другие оказывают химический эффект. Они могут дополнять друг друга, что создает синергический эффект, но могут вызывать и антагонистический эффект. Многие современные присадки выполняют несколько функций (многофункциональные присадки). На рынок чаще всего поставляются композиции присадок - пакеты. 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 и ACEA. Это позволяет мелким фирмам с наименьшими затратами производить и поставлять на рынок автомобильные масла контролируемого и достаточного качества.

Вязкостные присадки.

Модификаторы вязкости. Всесезонные масла должны иметь низкую зависимость вязкости масла 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). Таким образом, подавляется зависимость вязкости масла от температуры.

Депрессанты. 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 депарафинизируют лишь частично до температуры застывания порядка -15 С. Дальнейшее понижение температуры застывания достигается введением депрессорных присадок, которые в состоянии понизить температуру застывания еще на 20-30 С путем подавления срастания кристаллов парафина, при этом они не предотвращают появление самих кристаллов. Физическая температура застывания всего масла, как правило значительно ниже температуры кристаллизации парафинов- составной части масла.

Присадки улучшающие смазывающие свойства

Противоизносные присадки - увеличивающие липкость и смазываемость. При нормальном смазывании, из-за взаимодействия полярных групп молекул масла с поверхностью металла, на поверхностях металла образуется адсорбированная пленка масла. При граничном смазывании, сила трения и износ в значительной мере зависят от стойкости этой пленки и силы взаимодействия молекул масла с поверхностью металла, т.е. от смазывающей способности и липкости масла. 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 и снижается трение в двигателе.

Модификаторы трения. Это присадки, регулирующие фрикционные свойства- коеффициент трения смазываемых поверхностей.

Модификаторы понижающие трение. Для снижение потерь на трение в двигателе, а тем самым и для снижения расхода топлива, в масло вводятся присадки, уменьшающие коеффициент трения. В качестве таких присадок применяются соединения, в молекуле которых есть сильная полярная группа, обеспечивающая хорошее прилипание и длинная линейная цепочка, обеспечивающая хорошее скольжение.

Модификаторы повышающие трение. Такие присадки одновременно понижают возможность возникновения шума и вибраций, вследствие скольжения со скачками коеффициента трения, характерного для мощных узлов трансмиссий с тормозами мокрого типа. В качестве таких присадок используются соединения, в молекуле которых имеется сильная полярная группа, обеспечивающая хорошее прилипание и короткая линейная часть, при определенных условиях обспечивающая хорошее сцепление. Эти присадки добавляются в масла для гидромеханических передач, АКПП, дифференциалов повышенного трения и т.д. присадки вводимые с целью уменьшения шума и повышения плавности работы, называются противошумными.

Противозадирные присадки, EP присадки.

Термин «экстремальных нагрузок» и сокращение EP ввело в 1920-г. Американское общество инженеров автомобилестроителей (SAE) для обозначения особой нагрузки

На зубья шестерней трансмиссии, особенно в гипоидных передачах.

Адсорбционная пленка масла может разрушаться в результате высокой нагрузки и возникающего нагрева контактирующих поверхностей металла (более 150-190 С). Вследствие этого, трение и нагрев поверхности металла повышаются еще больше, вплоть до сваривания, заедания, слипания деталей. Сваривание может быть подавлено присадками содержащими соединения серы, фосфора, хлора и др., которые в местах наивысшего трения и высоких температур разлагаются с выделением соответствующих активных элементов, реагирующих с металлом и образующих сульфидную, хлоридную, фосфидную твердую хемосорбционную пленку- твердую смазку. Такая пленка является значительно более стойкой, чем адсорбционная, и может защитить поверхности трения от износа в условиях большой нагрузки и высокой температуры. Поэтому присадки, образующие твердую хемосорбционную пленку, называются разделяющими противозадирными присадками, или присадками высокой предельной нагрузки (extreme pressure-EP). Так как активные элементы выделяются из присадок и реагируют с металлом только на выступах поверхности, в местах соприкосновения, то имеет место процесс выравнивания и полировки. Таким образом,противозадирные присадки одновременно являются разглаживающими и полирующими присадками.Роль фосфора и серы несколько различается: фосфор сильнее выравнивает поверхность и уменьшает износ, а уменьшает трение и усиливает разделяющее свойство хлора.В присутствии обоих этих элементов,масло смазывает хорошо как при большой нагрузке,так и при большой скорости скольжения.

Твердые противозадирные, присадки- в виде дисульфид молибдена, политетрафторэтилена (фторопласт, «тефлон», ПТФЭ,PTFE)и графита в масле имеют коллоидную структуру, а на поверхности трущихся деталей образуют твердую и прочную противоизносную и противозадирную пленку. Их критическая рабочая температура выше, чем других антифрикционных присадок. Уменьшение трения достигается за счет легкого скольжения слоистой присадки. Такие твердые присадки в основном добавляются для улучшения смазывающих свойств дисульфидом молибдена. В настоящее время выпускается большое количество препаратов-добавок к маслам, которые заливаются и в картер двигателя. Их основу, как правило составляет, одна из твердых присадок, либо соединение молибдена, либо полиэтилентерефталата. Как нефтекомпании, так и автомобилестроители отрицательно смотрят на такие добавки и своим клиентам рекомендуют их применять. Однако спрос на такую продукцию возрастает, особенно со стороны владельцев поддержанных автомобилей. Особую осторожность следует соблюдать при применении присадок, содержащих поверхностно-активные вещества применяемые для резки металлов. Действие этих присадок основано на разупрочнении поверхностей металлов (что приводит к значительному снижению трения и увеличению износа).

Ингибиторы коррозии и присадки против ржавления. Ингибиторы коррозии защищают поверхность вкладышей подшипников и других деталей из цветных металлов от коррозии и коррозионного износа, вызываемых органическими кислотами. Механизм защиты- образование защитной пленки и нейтрализация кислот. Присадки против ржавления защищают стальные или чугунные стенки цилиндров, поршни и поршневые кольца от ржавления при воздействии водного раствора кислоты. Механизм защиты- образование сильно адсорбированной защитной пленки, предохраняющей поверхность металла от непосредственного контакта с водным раствором кислоты. Антиокислительные присадки

В условиях эксплуатации, при высокой температуре и под воздействием кислорода воздуха, происходит интенсивное окисление углеводородных соединений масла, в результате которого ухудшаются его смазывающие и другие функциональные свойства. Ресурс присадок расходуется, и масло подлежит замене. Антиокислительные присадки продлевают срок службы масла. Антиокислительные присадки, называемые ингибиторами окисления, 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.