Функциональные присадки

Возможности технического совершенствования двигателя находятся в прямой за­висимости от функциональных свойств моторного масла. Современные смазочные мате­риалы способны длительное время выдерживать высокие механические и термические нагрузки, защищать от износа, коррозии и образования отложений, нарушающих нормаль­ную работу агрегата и обеспечивать снижение потерь энергии.

Качество смазочного масла может быть усовершенствовано двумя способами:

• 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 (blendedoil, compoundedoil, formulatedoil). 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 количества
активных веществ. При анализе готовых или работающих масел, определяется расходова­ние присадок и рассчитывается содержание активных элементов присадок (active
elementcontent).

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

Разработка согласованного состава пакета, в котором была бы достигнута полная совместимость (compatibility) исинергетическое взаимодействие (synergism) отдельных присадок, является сложным и трудоемким процессом, требующим большого научно-технического потенциала. Производством пакетов присадок заняты крупные нефтекомпании («Shell Additive» + "Paramins"("Exxon") = "Infenium", "Texaco Additive", "Oronite"("Chevron") и др.) и химические компании («Lubrizol», «Ethyl», "BASF" и др.) Из-за опасности нарушения баланса присадок, КРУПНЫЕ НЕФТЕКОМПАНИИ И ПРОИЗВОДИТЕЛИ АВТОМОБИЛЕЙ, ОТРИЦАТЕЛЬНО СМОТРЯТ НА ПРИМЕНЕНИЕдополнительных добавок, вливаемых в картер автомобиля (aftermarketadditives). Пакеты присадок (additivepackage)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 (blendingplant). Смешение компонентов выполняется либо периодичным способом в больших резервуа­рах (batchblending) или непрерывным способом путем введения компонентов в основ­ной поток линии смешения масла (lineblending, in-lineblending). Готовое масло поступает на расфасовку. В Европе находится около 400 маслосмесительных заводов. Они бывают самостоя­тельными, имеющими свои товарные знаки, либо принадлежащими крупным нефтекомпаниям. Это хорошо оборудованные заводы, автома­тически управляемые, имеющие лаборатории для контроля качества продукции. Высокое качество продукции может гарантироваться автоматическим управлением смешения и по­стоянством поставщиков базовых масел и присадок. Любая замена базовых масел или дру­гих компонентов требует в обязательном порядке дополнительных процедур проверки ка­чества масла. Такая проверка регламентируется соответствующими документами - в Ев­ропе "Сводом правил ATIEL" (TheATIELCodeofPractice) и "Сводом правил АТС" (АТС CodeofPractice), а в Америке - API системой лицензирования и сертификации моторных масел" (APIEngineOilLicensingandCertificationSystem) и "Сводом пра­вил СМА" (СМЛ CodeofPractice). Маслосмесительные фирмы старают­ся получить сертификаты качества ISO , "Ллойда" (Lloyd) и других ав­торитетных организаций. Знак полу­ченного сертификата наносится на упаковку продукции, как доказатель­ство высокого качества производства и контроля выпускаемой продукции.

Действие присадок.

Присадки могут:

• придать маслу новые свойства (образование на трущихся поверхностях деталей хе-мосорбционной 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:

• 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.

На практике присадки классифицируются по функциональному действию.

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

• Вязкостные присадки, которые улучшают индекс вязкости и другие свойства (моди­фикаторы индекса вязкости, депрессанты);
• Присадки, улучшающие смазочные свойства (модификаторы трения, антифрикци­онные, фрикционные, противоизносные, противозадирные, повышающие липкость, антипиттинговые, металлоплакирующие и др.);
• Антиокислительные присадки, уменьшающие расход масла и увеличивающие ре­сурс работы масла (антиоксиданты);
• Антикоррозионные присадки (ингибиторы коррозии);
• Моющие присадки (детергенты);
• Другие присадки (противопенные и др.).

Большинство современных присадок являются многофункциональными, т.е. обла­дают несколькими полезными свойствами, например, моющие присадки одновременно яв­ляются и антикоррозионными. 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.

• Вязкостные присадки

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

Модификаторывязкости (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). Таким образом, подавляется зависимость вязкости масла от температуры (повышается индекс вязкости). Присадки с такими свойствами называются улучшающими индекс вязкости (viscosity indeximprovers), однако в иностранной лите­ратуре в настоящее время чаще употребляют термин "модификатор вязкости". В качестве модификаторов вязкости применяются полиме­ры и сополимеры - полиизобутилен, полиметакрилаты, 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 viscositymodifiers). 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.

Полимерные модификаторы вязкости эффективны в маслах, эксплуатируемых при умеренных нагрузках, в отсутствии высокой деформации сдвига. При высокой нагрузке и высокой скорости сдвига длинные молекулы загустителей могут разрываться на мелкие фрагменты, вследствии чего эффективность загустителя при эксплуатации постепенно уменьшается. Именно поэтому новые масла с высоким индексом вязкости, стабильным в течении продолжительной работы в тяжелых условиях, получают не только добавлением полимерных присадок, но и путем модификации молекул базового масла, например гидро­крекингом. Более однородные по длине и линейной конфигурации молекулы масла имеют одновременно более высокий индекс вязкости и являются более устойчивыми к механи­ческой деструкции. Такие масла отличаются постоянной вязкостью в течении длительных интервалов эксплуатации при высокой температуре и высокой деформации сдвига (hightemperaturehighshear - HTHS). Часто их называют маслами со стабильными свойствами при эксплуатации (stay-in-grade).

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 (waxcrystallizationandagglomeration), 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 (pourpointdepressants)применяются алкилнафталины, алкилфенолы и другие полимерные продукты. Концентрация депрессантов 0,05 - 1,0%.

• 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 (extremepressure - ЕР);
• твердые противоизносные и противозадирные присадки.

Противоизносные присадки, увеличивающие липкость и смазываемость (lubricatingadditives, tackinessagents). 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-wearadditives)-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.

Модификаторы трения (frictionmodifiers). 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.

• Модификаторы, понижающие трение (frictionreducers). 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, APLSH/ECII, ILSAC GF-1, ILSAC GF-2, ILSAC GF-3, ILSAC GF-4).