Несмотря на очевидные плюсы и выгоду использования синтетических масел, автомобилисты в массе своей все еще предпочитают минеральные. Только ли низкая стоимость определяет этот выбор? Насколько оправдана высокая стоимость синтетических масел и чем она обусловлена? Какие тенденции намечаются в конкурентной борьбе двух типов масел?
Минеральные масла.
Минеральные масла — это продукты, полученные путем перегонки сырой нефти на нефтеперерабатывающих заводах. Нефть - это сложная смесь ряда химических соединений, в основном состоящих из углеводородов с соединениями серы, азота, кислорода, солей металлов и воды. Химический состав и соответственно свойства нефти очень сильно зависят от месторождения. Поэтому для производства минеральных масел используют специальные нефти, с большим содержанием парафинов, также называемые масляными. Начинается процесс получения базовых минеральных масел с перегонки сырой нефти.
Базовое минеральное масло имеет следующие преимущества в сравнении с синтетическими маслами: относительно невысокая стоимость, простота производства, отличная смешиваемость, гидролитическая стойкость и растворимость присадок. Недостатки же таковы: низкий индекс вязкости, высокая температура застывания, высокая испаряемость и низкая термоокислительная стойкость.
Химический состав минеральных основ зависит от качества нефти, пределов выкипания отбираемых масляных фракций, а также методов и степени их очистки. Минеральная основа — самая дешевая. Это продукт прямой перегонки нефти, состоящий из молекул разной длины и разного строения. Из-за этой неоднородности – нестабильность вязкостно-температурных свойств, высокая испаряемость, низкая стойкость к окислению. Минеральная основа — самая распространенная в мире моторных масел.
Совершенствование минеральных базовых масел проводится по двум основным направлениям. Первое, при котором 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. Такой метод не позволяет получить масла достаточно высокого уровня качества. Второе направление, при котором базовое масло полностью очищается от всех примесей и проводится молекулярная модификация методом гидрокрекинга. В результате получается масло, обладающее ценными свойствами для тяжелых режимов работы (высокая стойкость к деформациям сдвига при высоких скоростях, нагрузках и температурах, высокий индекс вязкости и стабильность параметров).
К какому классу относить такие масла? По цене «гидрокрекинг» ближе к «минералке», а по качеству, как уверяет продавец, ничуть не хуже «синтетики». Но мы же понимаем, что если бы дело обстояло именно так, такое дорогое удовольствие, как синтетическое масло, вымерло бы как класс... Гидрокрекинговое масло ближе к минеральному не только по цене, но и по способу получения, потому что оно тоже производится из нефти. Чем же оно тогда лучше? Как следует из названия, оно проходит более глубокую обработку при помощи гидрокрекинга. А на первых этапах его производство ничем не отличается от производства минерального масла. Из обычного минерального масла разнообразными физико-химическими методами удаляются нежелательные примеси, вроде соединений серы или азота, асфальтеновые (битумные) вещества и ароматические полициклические соединения, которые усиливают коксование и зависимость вязкости от температуры. Депарафинизацией удаляются парафины, повышающие температуру застывания масел. Однако понятно, что удалить все ненужные примеси таким методом невозможно — грубо говоря, это и служит причиной худших свойств «минералки». Обработка масла может продолжиться и дальше. Ведь остались еще ненасыщенные углеводороды, которые ускоряют старение масла из-за окисления, да и примеси тоже остались. Гидроочистка (воздействие водородом при высокой температуре и давлении) превращает непредельные и ароматические углеводороды в предельные, что увеличивает стойкость масла к окислению. Таким образом, масло, прошедшее гидроочистку, обладает дополнительным преимуществом. А что же гидрокрекинг? Это еще более глубокий вид обработки, когда одновременно протекает сразу несколько реакций. Каких? Удаляются все те же ненавистные серные и азотистые соединения, Длинные цепочки разрываются (крекинг) на более короткие с однородной структурой, места разрывов в новых укороченных молекулах насыщаются водородом (гидрирование). Отсюда и название – «гидрокрекинг». Таким образом, при гидрокрекинге налицо все признаки синтеза – создания из исходного сырья нового соединения, с новой структурой и свойствами. Поэтому гидрокрекинг часто называют НС- синтезом. Но не все так просто. Некоторые компоненты нефти, которые обычно считаются вредными, местами могут быть весьма ценными. Например, смолы, жирные и нафтеновые кислоты улучшают липкость и стойкость адсорбционной пленки масла и тем самым улучшают смазывающую способность масла. Некоторые соединения серы и азота обладают антиокислительными свойствами. Таким образом, при глубокой очистке масла некоторые его смазывающие, антиокислительные и антикоррозионные свойства могут ухудшиться. Эта неприятность исправляется специальными присадками, которые добавляют уже на маслосмесительных заводах.
Итак, гидрокрекинговые масла — это продукты перегонки и глубокой очистки нефти. Гидрокрекинг отбрасывает все «ненужное», ну а если захватывается что-то «полезное», необходимые свойства придаются с помощью присадок. Но четко отфильтровать ненужные примеси сложно — поэтому имеет место большее нагарообразование и «содействие» коррозии у гидрокрекинговых масел по сравнению «синтетикой». Гидрокрекинговое масло получается близким по качеству к «синтетике», но быстрее стареет, теряет свои свойства. Зато они обладают высоким индексом вязкости, противоокислительной стойкостью и стойкостью к деформациям сдвига, а от износа могут защищать даже лучше, чем синтетические. С другой стороны, «синтетика» более однородна в смысле линейности углеводородных цепей, что дает преимущества, например, в температуре замерзания. Есть еще один нюанс. Гидрокрекинг — процесс каталитический, как, впрочем, и синтез. Но если первый идет, например, на никеле, то второй — на углероде. Понятно, что углерод в этом смысле лучше, так масло будет избавлено от нежелательных примесей соединений катализаторов.
Самое интересное, что подавляющее большинство моторных масел, позиционируемых как полусинтетические, и даже полностью синтетические, являются ни чем иным, как гидрокрекинговыми маслами. Это общая тенденция крупнейших производителей масел. Программа BP (кроме Visco 7000), Shell (кроме 0W-40), частично Castrol, Mobil, Esso, Chevron, Fuchs построена на гидрокрекинге. Все масла южно-корейской фирмы ZIC- это только гидрокрекинг.
Синтетические масла
Из множества видов синтетических основ, наиболее удовлетворяющим по многим параметрам, оказались полиальфаолефины (ПАО) или сложные эфиры (Эстеры).
Сырьем для ПАО служат децены – непредельные линейные углеводороды, родственники этилена, по внешнему виду напоминающие сжиженный газ. Получают их на специализированных заводах, часто в качестве побочных продуктов. В химической реакции из 2, 3, 4, 5 и 6 комбинаций деценовых молекул образуется ряд олигомеров. Затем путем дистилляции из них получают базовые масла различных классов вязкости. Масло, полученное в результате такого процесса, не содержит примесей и абсолютно прозрачно. Это дает ему ряд неоспоримых преимуществ перед продуктами, полученными из нефти.
- отсутствие линейных парафинов снижает естественную температуру застывания до очень низких значений. ПАО в классах вязкости моторных масел имеют температуру застывания, как правило, ниже минус 50оС. Это свойство может быть использовано, когда возникают сомнения относительно происхождения масла – получено оно в процессе гидрокрекинга или химического синтеза.
- высокий изначальный индекс вязкости дает возможность снизить количество присадки загустителя (модификатора вязкости), добавляемого в моторное масло для придания ему всесезонных характеристик. Данная присадка весьма чувствительна к механическим воздействиям и в процессе эксплуатации постепенно разрушается, и масло теряет свои всесезонные свойства. Поэтому, чем меньше данной присадки добавляется в масло, тем дольше сохраняются всесезонные свойства масла. Последним европейским требованиям к моторным маслам “stay in grade” («Остающиеся в своем классе», т.е. сохраняющие свой класс по SAE в течение всего срока эксплуатации) соответствуют только масла с высоким изначальным индексом вязкости и невысоким содержанием загустителя
- отсутствие примесей, которые всегда являются катализаторами старения масла, делает синтетическое базовое масло весьма устойчивым к воздействию высоких температур. Так, например, если масла минерального происхождения начинают серьезно окисляться уже при температурах выше 130оС, то ПАО выдерживают рабочие температуры до 150оС без какой-либо потери рабочих свойств
- отсутствие случайных молекул малого размера обеспечивает низкую летучесть синтетических базовых масел по сравнению с минеральными. Ужесточение требований к токсичности выхлопов, а также применение катализатора предъявляют все более жесткие требования к летучести компонентов моторных масел. Это одна из основных причин популярности у автопроизводителей маловязких масел классов SAE OW, созданных из синтетического базового масла.
В роли синтетической базы выступают обычно полиальфаолефины (ПАО) или эстеры, либо их смесь. ПАО - это углеводороды с длиной цепочки порядка 10…12 атомов. Получают ее путем полимеризации (проще говоря – соединения) коротких углеводородных цепочек – мономеров из 3…5 атомов. Сырьем для этого обычно служат нефтяные газы – бутилен и этилен. Эстеры представляют собой сложные эфиры – продукты нейтрализации карбоновых кислот спиртами. Сырье для производства – растительные масла, например рапсовое, или, даже, кокосовое. Эстеры обладают рядом преимуществ перед всеми другими известными основами. Во-первых, молекулы эстеров полярны, то есть электрический заряд распределен в них так, что молекула сама «прилипает» к металлу. Во вторых, вязкость эстеров можно задавать еще на этапе производства основы: чем более тяжелые спирты используются, тем большей получается вязкость. Можно обойтись без всяких загущающих присадок, которые «выгорают» в ходе работы в двигателе, приводят к «старению» масла. Современная технология позволяет создавать полностью биологически разлагаемые масла на основе эстеров, т. к. эстеры являются экологически чистыми продуктами и легко утилизируются. Однако все эти плюсы могут показаться слишком дорогим удовольствием. Эстеровая база стоит в 5…10 раз дороже минеральной! Поэтому их содержание в моторных маслах обычно ограничено 3-5%, и применяются они лишь в самых совершенных продуктах, обычно составляющих вершину товарного ряда компаний-лидеров.
При современном уровне развития двигателестроения использование чисто базового масла практически невозможно, так как невозможно создание масел, которые обеспечили бы эффективную защиту двигателя и одновременно не разрушались в течение длительного времени. Потому все современные моторные масла содержат в своем составе пакет (набор) присадок. Что такое присадки? Какие задачи они решают? Об этом Вы сможете прочитать в следующем выпуске.
