УДК 665.7.03

Компаундированные моторные масла (обзор)

Научный руководитель Вагапов Булат Рустемович – кандидат химических наук, доцент кафедры химической технологии переработки нефти и газа Казанского национального исследовательского технологического университета.

Гиниятуллина Альфия Радилевна – магистрант факультет нефти и нефтехимии Казанского национального исследовательского технологического университета.

Аннотация: Обзорная статья посвящена тематике компаундированных моторных масел. Все современные моторные масла представляют собой сложные смеси, сочетающие базовые масла и присадки. Основными потребителями моторных масел являются поршневые двигатели внутреннего сгорания, которые применяются в автомобилях, транспорте, тракторах, морской и авиационной технике для смазки цилиндропоршневых групп, кривошипно-шатунных механизмов и газораспределительных механизмов.

Рассмотрена тенденция использования основных присадок к моторным маслам, их состав и влияние на работу двигателя. Исследования, посвященные влиянию присадок на работу двигателя, позволят сделать вывод о положительном воздействии этих добавок на общую производительность моторных масел.

Ключевые слова: моторные масла, базовые масла, присадки, пакет присадок, химический состав, вязкость, низкотемпературные свойства, загрязнения, износ.

Введение

На сегодняшний день моторное масло является одним из ведущих смазочных материалов в отрасли как по потреблению, так и по производству. Оно составляет 50% всех смазочных материалов.

Основными потребителями моторных масел являются поршневые двигатели внутреннего сгорания, которые применяются в автомобилях, транспорте, тракторах, морской и авиационной технике для смазки цилиндропоршневых групп, кривошипно-шатунных механизмов и газораспределительных механизмов.

Все современные моторные масла представляют собой сложные смеси, сочетающие базовые масла и присадки. Затем выбирается один из основных компонентов, базовое масло, в соответствии с заданными требованиями к вязкости и работоспособности соответствующей классификации.

Компаундирование масел — процесс получения смазочных масел смешиванием двух или нескольких компонентов, с целью повышения смазочных свойств масел [1].

Базовое масло – основной компонент товарных масел. Базовые масла различаются между собой вязкостью, химическим составом и некоторыми другими свойствами. Это основа товарного масла, готовая к смещению, 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 [2].

Американский институт нефти (API) классифицирует базовые масла по трем показателям – индексу вязкости, содержанию серы и насыщенных углеводородов [3].

Масла I, II и III групп называются «минеральными», так как получены процессами нефтеперерабоки. Термин «синтетическое базовое масло» должен использоваться для масел, полученных путем органического синтеза – т.е., например, для ПАО, IV группы. Однако, на практике этот термин часто используется для III группы, полученной путем жесткого гидрокрекинга, в маркетинговых целях.

Также в маркетинговых целях используется термин «полусинтетическое»; часто это означает, что в рецептуре масла использованы базовые масла разных групп – например, I + III.

Выбор базового масла влияет на такие свойства, как стабильность к окислению (образование осадков, нагара и т.д.); низкотемпературные характеристики (температура застывания, динамическая вязкость); содержание элементов (серы, азота); вязкость и индекс вязкости; испаряемость (т.е. содержание легких фракций, испаряющихся при высокой температуре (NOACK)).

Содержание присадок зависит от области применения масла и варьируется в широких пределах.

На выбор базового масла и присадок в основном влияют:

Тип готового масла, которое планируется к производству
Требования спецификаций, одобрений, которым должно соответствовать масло
Внешние факторы (жесткость эксплуатации оборудования, температура окружающей среды и др.).

Синтетические базовые масла и масла III группы имеют более высокую стабильность к окислению (меньше образую осадки и нагары), имеют лучшие низкотемпературные характеристики, содержат меньше серы, имеют более низкую испаряемость и имеют более высокий индекс вязкости.

В случае необходимости у готового масла вышеуказанных свойств, применяются ПАО масла или масла третьей группы.

В разных маслах применяются разные типы присадок, моторные масла содержат в своем составе достаточно большое количество детергентов и дисперсантов, также в составе присутствуют антиокислительные присадки, противоизносные (ZDDP), антипенные,

депрессорные и вязкостно-загущающие. Вязкостно-загущающие применяются во всех всесезонных маслах.

В зависимости от того, какой спецификации необходимо соответствовать подбирается соответствующий баланс всех присадок.

Содержание присадок в моторных маслах достаточно велико и может достигать 25% в некоторых рецептурах.

Функциональные присадки для моторных масел

Присадка – синтетическое вещество, добавляемое в базовое масло для улучшения отдельных или нескольких эксплуатационных свойств продукта. Некоторые из них могут выполнять несколько различных функций. Их вводят в количестве 1-25% масс. В некоторых случаях даже больше, что расширяет рабочий диапазон применения масла. Присадки могут дополнять друг друга, создавая синергетический эффект, а могут вызывать антагонистический эффект.

Пакеты присадок — это смешение присадок разных типов в определенном соотношении. Их называют многофункциональными, и представляют собой смесь присадок разного действия, либо органические соединения с присутствием серы, металлов, фосфора, полярных функциональных групп.

Использование пакетов присадок наиболее удобно для производителей масел, т.к. это ускоряет процесс приготовления (нет необходимости добавлять каждую отдельную присадку в нужной концентрации).

Ведущими мировыми производителями присадок и пакетов присадок являются компании: Lubrizol, Infineum, Afton, Chevron.

В процессе эксплуатации моторные масла должны выполнять свои основные функции: уменьшать трение, предотвращать коррозию и износ, снижать образование отложений и быть устойчивым к окислению. Для этого к ним добавляют такие присадки, как: вязкостные; антиокислительные; антикоррозионные; противопенные; противоизносные и противозадирные; моюще-диспергирующие; антифрикционные и др.

Рассмотрев влияние присадок на работу двигателя, было установлено, что присадки к моторным маслам положительно влияют на общую производительность двигателя, обеспечивая лучшие смазочные свойства масла, повышающие его эффективность и снижающие износ деталей, что благоприятно влияет на работу двигателя в целом.

Вязкостные присадки применяются для повышения вязкостно-температурных характеристик. Принцип их действия таков, что при низкой температуре полимеры находятся в «скрученном состоянии» и мало влияют на вязкость, а при повышении температуры молекула начинает «раскручиваться» и растет вязкость жидкости. В результате подавляется зависимость вязкости масла от температуры и увеличивается индекс вязкости. Основными соединениями являются полимеры и сополимеры: полиизобутилен, поливинилакриловые эфиры, полиалкилакрилаты, полиалкилметакрилаты и другие.

Антиокислительные присадки предназначены для предотвращения реакции окисления молекулярным кислородом. Так как в условиях эксплуатации двигателя под действием кислорода и высоких температуры протекает интенсивное окисление моторного масла [4]. В ходе такого процесса образуются кислоты, нерастворимые в масле осадки и лаки, загустевает масло, снижаются смазочные и противоизносные свойства и повышается расход топлива. Ингибиторы окисления, добавляемые в масла, снижают или полностью предотвращают процесс окисления, которое может протекать в объеме масла или в его тонком слое на нагретой металлической поверхности. В результате продлевается срок службы моторного масла без снижения эксплуатационных свойств. К соединениям с антиокислительным эффектом относятся: соединения, содержащие серу и фосфор, фосфор, серу и азот; ароматические амины; пространственно-затрудненные фенолы; соединения бора; органические соединения меди; другие металлоорганические соединения. Одними из распространенных антиоксидантами это соединения дитиофосфата цинка и фенольного типа.

Под действием окружающей среды металлические поверхности способны подвергаться коррозии и разрушению при хранении или эксплуатации. Так как нефтяные базовые масла не могут обеспечить достаточную антикоррозионную защиту, то в них вводят специальные вещества – ингибиторы коррозии [5]. Их принцип действия заключается в образовании защитных пленок, прочных и защитных, исключая контакт металла с коррозионно-активным веществом. Механизм образования таких пленок основывается на процессе адсорбции или хемосорбции. В качестве антикоррозионных присадок используют: азотные соединения; аминовые бораты; производные фосфорных и дитиофосфорных кислот; производные карбоновой и алкенилянтарной кислот; полиоксиэтилированные фенолы. Каждое из этих соединений обладают своими достоинствами и недостатками. Поэтому при разработке смазочных материалов следует комбинировать типы соединений для получения максимального эффекта.

Моторные масла склонны к образованию пены в процессе работы двигателя и ее образование способствует появлению нежелательных последствий: термическая деструкция масла и снижение его уровня и эффективности, преждевременное окисление масла, неработоспособность гидравлических систем, нарушение смазывания трущихся поверхностей. Присутствие поверхностно-активных веществ благоприятствует образованию пены. Образование пены обуславливается химическим составом масла и его свойствами: вязкость, плотность, поверхностное натяжение. Чем выше качество масла, тем меньше пенообразование. Чтобы предотвратить этот процесс, в моторные масла добавляют антипенные присадки. Они должны обладать необходимыми свойствами, чтобы полностью выполнять свои функции. К таким свойства относятся: низкое поверхностное натяжение, хорошая поверхностная активность в отношении пенообразователя.

Основные соединения, выступающие в качестве антипенных присадок, это: алкилакрилатные полимеры; фосфоросодержащие соединения; фторсодержащие углеводороды; производные полиспиртов; эфиры и соли жирных карбоновых кислот; аклилметакрилатные сополимеры; диметилсилоксановые полимеры. Наиболее эффективными считаются кремнийсодержащие силиконы и силоксаны, так как инертны, имеют низкую испаряемость, недорогие и легкодоступны. В масле они находятся в виде капелек или рассредоточиваются по всему по объему, если масло перемешивается. Вводят в количестве от 0,001 – 0,005 % масс.

Износ способен вызывать нежелательные потери металла и увеличение зазора между трущимися поверхностями. Данное явление может привести к испорченности эксплуатируемого оборудования. Влияние коррозионно-опасных кислот, прямой контакт металлических поверхностей, наличие частиц абразивных материалов – все это считается главными факторами, вызывающие износ деталей двигателя внутреннего сгорания. Если ввести противоизносные присадки в смазочный материал, то можно предотвратить прямой контакт металла с металлом, устранить коррозионный износ, вызывающийся продуктами сгорания топлива, а абразивный износ исключают путем удаления твердых частиц фильтрацией поступающего в двигатель воздуха и масла. Механизм действия таких присадок характеризуется образованием пленок на контактирующих поверхностях при высоких температурах. В состав противоизносных присадок входят гетероатомы: сера, фосфор, кислород, азот. Также присутствуют переходные металлы: медь, олово, молибден, а также полярный поверхностно-активный радикал. Присадки, не содержащие металлы, обычно синтезирует на основе амидов, тиоэфиров диалкил- и диарилдитиофосфорной кислоты. Главным элементов в этих соединения считается фосфор.

При введении таких присадок, смазочный материал способен выполнять свои функции в сверхтяжелых условиях эксплуатации. Такие соединения резко взаимодействуют с поверхностью и устраняют опасные повреждения, например, заедание, износ, или задир. Но у них существует и недостатки. К ним можно отнести: коррозионность, способность снижать термоокислительную способность и усталостный износ. Поэтому их использование ограничено и применяют только тогда, когда действительно появляется возможность наступления экстремальных условий. Принцип действия строится на образовании характерных, химически устойчивых соединений, которые в свою очередь формируют прочную пленку, способную выдерживать сверхтяжелые условия. Параллельно образовавшаяся пленка может в некоторой степени снижать износ из-за высокого сопротивления сдвигу. Противозадирные присадки классифицируются по наиболее активным элементам, входящие в состав: серосодержащие; хлорсодержащие; фосфорсодержащие органические соединения; твердые противозадирные присадки (дисульфид молибдена, политетрафторэтиленом и др.).

Для того, чтобы масло удерживало частицы загрязнения в работающем масле, предотвращая их выпадение в осадок и образования лака и нагара на стенках двигателя, оно должно обладать такими свойствами, как моюще-диспергирующие. Если не вводить моюще-диспергирующие присадки, то это может привести к тому, что будут забиваться масляные фильтры, происходить залегание поршневых колец, следовательно, износ двигателя, так как отсутствует масло. Главной функцией присадок считается снижение образования отложений за счет удерживания их во взвешенном состоянии. Также они должны нейтрализовать кислые продукты процессов окисления и термического разложения, предотвращать агломерацию частиц сажи, ржавчины, высокомолекулярных присадок. Принцип действия заключается в образовании прочных пленок на поверхности металла, тем самым мешают формироваться отложениям. Вдобавок, они могут сорбироваться на поверхности нерастворимых отложений в масле. Результатом такого взаимодействия является оболочка, образованная из углеводородных радикалов. Она способна блокировать слияние частиц загрязнений, их контакт и агломерацию. Частично растворяют частицы нагара, смол.

По механизму действия моюще-диспергирующие присадки различают на детергенты и дисперсанты. Назначение дисперсантов заключается в удержании загрязняющих частиц в суспензии и предотвращения их агломерации, также контролирование отрицательного воздействия загрязняющих частиц на эксплуатационные характеристики масла. Они представляют собой беззольные соединения с азотсодержащей основной группой. К таким соединениям относят: производные сукцинимидов и полметакрилатов; молекулярные основания Манниха.

Детергенты способны придавать смазочным материалам нейтрализующие свойства растворять смолистые отложения, лаки и нагары.

Эти присадки являются поверхностно-активными веществами и могут защищать металлическую поверхность, образуя двойной электрический слой, который экранирует и не дает прилипать и скапливаться продуктам окисления.

Моююще-диспергирующие присадки могут быть двух типов: зольные щелочные и беззольные.

К первому типу относятся: сульфонаты; талкилфеноляты; алкилсалицилаты; алкилсульфофеноляты; алкилфосфонаты.

Ко второму относятся: сукцинимиды; высокомолекулярные соединения; дисперсанты полимерного типа; сополимеры метакрилатов и фумураты.

Применение антифрикционных присадок дает возможность эффективно снижать трение металлических пар, например, поршней и стеной цилиндра, следовательно, снижается удельный расход топлива и создаются условия безотказной работы двигателя. Модификаторы трения служат для понижения коэффициента трения между соприкасающимися поверхностями трения, снижения температур в узлах трения и предотвращения проскальзывания поверхностей.

Принцип действия: присадки образуют адсорбционный слой с низким сопротивлением к сдвигу на металлических поверхностях [6]. Полярные группы цепляются к металлической поверхности, а силы отталкивания способствуют разделению поверхностей.

Антифрикционные присадки принято разделять на три группы:

Низкотемпературные (соли карбоновых кислот с длинной алифатической цепочкой; сложные эфиры, имины, амины, амиды);
Высокотемпературные малорастворимые (самые распространённые соединения молибдена: алкилфеноляты, дитиофосфаты; амиды и соли аминов дитиофосфорной кислоты и др.);
Твердые модификаторы трения (дисульфид молибдена, графит, слюда, нитрид бора).

Заключение

Исследования, посвященные влиянию присадок на работу двигателя, позволяют сделать вывод о положительном воздействии этих добавок на общую производительность моторных масел. Применение присадок способствует улучшению смазочных свойств масла, что в свою очередь повышает эффективность работы двигателя и снижает износ деталей, что благоприятно сказывается на его общей работоспособности.

Обычно считается, что использование присадок в моторном масле повлечет за собой дополнительные расходы на обслуживание автомобиля. Однако эти расходы оправдываются долгосрочными преимуществами. Если учесть, сколько материальных затрат может потребоваться на будущие ремонтные работы при использовании некачественного или несодержащего присадок масла, то станет понятно, что вложения в качественное масло незначительны по сравнению с заменой дорогостоящих компонентов, таких как поршневые кольца или коленчатый вал. Кроме того, использование моющих присадок может привести к снижению расхода топлива.

Однако, при компаундировании масел также нужно учесть рекомендуемые соотношения вовлечения, указанные в инструкции от производителя присадок (пакета присадок), иначе их смешение приведет к такому обратному эффекту, как снижение вязкости масла, что может привести к утечкам и повреждению двигателя, к образованию осадка и других нежелательных веществ, которые могут засорить двигатель.

Список литературы

Папок К. К., Рагозин Н. А. Технический словарь-справочник по топливу и маслам // Москва: Гостоптехиздат. 1963. №3. С. 285.
Булаев С. А. Переработка и выбор моторных масел на примере немецкого предприятия // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. №. 9. С. 206-208.
Гиматдинов Р. Р., Фахрутдинов Р. З. Состояние производства базовых масел в России // Вестник Казанского технологического университета. 2016. Т. 19. №. 11. С. 58-62.
Утаев С. А., Касимов И. С., Рахмонов Ф. Г. Уменьшение концентрации в моторные масла и работоспособность газовых двигателей // Достижения молодых ученых в развитии сельскохозяйственной науки и АПК. 2018. С. 421-424.
Жаманов Р. К. и др. Ингибиторы коррозии, применяемые при эксплуатации автомобилей. 2021. 262-267.
Буяновский И. А. Граничная смазка адсорбционным слоем // Трение и износ. 2010. Т. 31. №. 1. С. 48-67.