С самого момента своего зарождения более чем 3000 лет тому назад, технология смазки прошла в своем развитии через множество этапов. Поскольку она продолжает развиваться все возрастающими темпами, эффективность использования базового масла все больше влияет на эффективность готового смазочного продукта.

На заре своего развития смазка осуществлялась с помощью животных жиров и растительных масел, затем произошел постепенный переход к использованию масел на нефтяной основе. Великую мать-природу с тех пор подкорректировали с помощью многих поколений технологий переработки. Ранние технологии, такие как очистка серной кислотой и экстракция селективными растворителями, повышали качество базовых масел за счет удаления из них некоторых или большинства наиболее вредных видов молекул. Более поздние технологии, такие как: гидроочистка, каталитический гидрокрекинг, каталитическая депарафинизация и современная гидроизомеризация парафина, совершенствовали особые смазывающие качества. В частности, с помощью современной гидроизомеризации парафина создаются базовые масла с низким содержанием примесей и типичным бесцветным, как вода, внешним видом. В наше время примерно половина всех производимых в Северной Америке базовых масел – это именно такие высококачественные продукты. С точки зрения будущего общая тенденция заключается в стремлении достичь еще более высокой степени очистки базового масла, более высокого коэффициента вязкости (VI), более низкой испаряемости и более длительного срока эксплуатации. Различие между тяжелыми минеральными смазочными маслами и традиционными синтетическими маслами будет становиться все более размытым.

Переработка базового масла на ранних этапах технологического развития
Технология переработки базового масла прошла в своем развитии через множество этапов. На начальном этапе в качестве смазочных материалов использовались животные жиры. В древних надписях, датируемых 1400 годом до н. э., рассказывается о применении говяжьего и бараньего жира (сала) для смазывания осей колесниц. На протяжении последующих 3000 лет мало что изменилось, за исключением того, что иногда использовался жир каких-либо более экзотических животных, таких как киты. В 1852 г., появились масла на нефтяной основе. Сначала они не были широко распространены, поскольку не были столь эффективны, как многие продукты на животной основе. Из сырой нефти получалось не очень хорошее смазочное вещество. Промышленное производство базовых масел было тогда еще только на стадии накопления технического опыта.

Но по мере того, как рос спрос на автомобили, соответственно возрастал и спрос на более качественные смазочные материалы. Производители очень скоро поняли, из какого сырья производятся более качественные смазочные материалы. Они подкорректировали мать-природу с помощью переработки сырья в узкие дистилляционные фракции с различной вязкостью. К 1923 г., Общество инженеров автомобильной промышленности и транспорта разработало классификацию моторных масел по вязкости: легкое масло, масло средней плотности и тяжелое смазочное масло. Моторные масла не содержали присадок, и их надо было заменять каждые 1300 - 1600 км.

В 20-х годах двадцатого века, все больше производителей смазочных материалов начали обрабатывать свои базовые масла с тем, чтобы улучшить их эксплуатационные характеристики. К числу наиболее распространенных технологических схем относились:
- очистка глинами;
- очистка серной кислотой;
- обработка SO2;
- очистка смазочных масел селективными растворителями;
- удаление ароматических углеводородов за счет экстракции селективными растворителями.

Очистка глинами
Для того чтобы поглощать и удалять наиболее вредные компоненты масла на нефтяной основе, использовалась глина, принцип действия которой аналогичен принципу действия наполнителей для кошачьих туалетов. Глина позволяла удалить ароматические или высокополярные соединения, содержащие серу и азот.

Очистка серной кислотой
Для осуществления реакции с компонентами базовых масел, имевшими неудовлетворительные характеристики, и превращения их в шлам, который можно удалить, использовалась концентрированная серная кислота. Хотя эта технология давала очень эффективную очистку масла, она была очень затратной. Данная технология практически совсем не используется в Северной Америке из-за озабоченности проблемами экологии в связи с использованием кислоты и образованием шлама.

Обработка SO2
Обработка SO2 представляет собой простой процесс экстракции, при котором компоненты смазочного масла с неподходящими свойствами удалялись за счет использования пригодного для повторного использования растворителя. К сожалению, растворитель высокотоксичен. Хотя эту технологию постепенно почти полностью сняли с производства, она была полезным этапом на пути формирования традиционной экстракции селективными растворителями.

Очистка растворителями (парафиновое базовое масло)
Приблизительно к 1930 г., в качестве приемлемой технологии для совершенствования эксплуатационных характеристик базового масла появилась обработка растворителем, достаточно безопасным и пригодным к повторному использованию. Эта технология все еще используется большинством мировых производителей базовых масел. Примерно половина базового масла в настоящее время производится в Северной Америке с использованием данной технологической схемы. Базовые масла селективной очистки обычно называются базовыми маслами группы I, и характеризуются как имеющие менее 90% предельных углеводородов (>10 процентов ароматических углеводородов) и более 0,03% серы. В таблице 1 показаны все группы основных масел по классификации Американского Института Нефти (API 1509).

Таблица 1. Категории базовых масел (API 1509).

По классификации базовых масел API содержание серы базовых масел II и III групп также не должно превышать 0,03%, так как сера из базовых масел при сгорании переходит в оксиды серы. В базовых маслах должна быть увеличена доля насыщенных углеводородов до 90%, поскольку именно они имеют наименьшую испаряемость по сравнению с другими углеводородами одинаковой молекулярной массы и вязкости. Используемые для производства базовых масел селективной очистки растворители и оборудование со временем видоизменялись, но основная стратегия не менялась с 1930 г. Сюда входят два основных технологических этапа: - удаление ароматических углеводородов за счет экстракции растворителями; - удаление парафина путем охлаждения и выделения осадка в присутствии другого растворителя (рис. 1).

Рис. 1. Технология экстракции селективными растворителями

Ароматические углеводороды удаляются с помощью экстракции селективными растворителями для совершенствования смазочной способности масла. Ароматические углеводороды хорошие растворители, но из них получаются базовые масла с неудовлетворительными качествами, поскольку они являются наиболее реактивными компонентами в интервале выкипания натуральной смазки. Окисление ароматических углеводородов вызывает цепную реакцию, которая может существенно сократить срок эксплуатации базового масла.

Вязкость ароматических компонентов базового масла также относительно плохо реагирует на изменения температуры. Часто смазочные материалы создают для того, чтобы обеспечить достаточно низкую вязкость, для запуска при холодной погоде, и достаточно высокую для того, чтобы обеспечить нужную толщину пленки и смазочную способность в условиях эксплуатации в тяжелых условиях и на жаре. Поэтому, когда требуется эксплуатация в горячих или в холодных условиях, желательно небольшое изменение вязкости при изменении температуры. В отрасли, производящей смазочные материалы, зависимость выражается коэффициентом вязкости (VI). Более высокий коэффициент вязкости, указывает на наличие более низкой и более благоприятной температурной характеристики. Нефтяной дистиллят подвергается экстракции селективными растворителями до той степени, которая необходима, чтобы соответствовать качеству (VI) дистиллята из сырой высококачественной нефти из Пенсильвании. По определению, этот дистиллят имеет VI 100. А дистиллят из сырой низкокачественной нефти из Луизианы использовали для определения нулевой точки на шкале VI.

Ароматические углеводороды удаляются с помощью введения сырого дистиллята смазочных масел (вакуумный газойль) в установку экстракции селективными растворителями, где он противоточно вступает в контакт с растворителем. Наиболее распространенными растворителями, применяемыми для этих целей, являются: фурфурол, н-метилпирролидон и DUO-SOLTM. Другим распространенным растворителем является фенол, но в наши дни он используется редко из-за проблем окружающей среды. Экстракция селективными растворителями обычно позволяет удалить 50-80% загрязняющих примесей (ароматических углеводородов, полярных и содержащих серу или азот компонентов). Продукт, получаемый в результате экстракции селективными растворителями, обычно называют рафинатом.

Вторым этапом является депарафинизация селективными растворителями. Парафин удаляется из масла, чтобы не допустить его кристаллизации в маслосборнике или блоке цилиндров автомобиля при низких температурах. Парафин удаляют, сначала разбавляя рафинат растворителем для снижения вязкости и повышения фильтруемости при низких температурах. Здесь распространенными растворителями являются смеси: метилэтилкетон/толуол, метилэтилкетон/метилизобутилкетон или (иногда) пропан. Затем разбавленное масло охлаждают до температуры от -10°C до -20°C. Образуются кристаллы парафина, выпадают в осадок, и удаляются фильтрацией.

Депарафинизация снижает температуру застывания (температуру кристаллизации) базового масла. Планка для температуры застывания базового масла устанавливается на рынке конкурирующими сторонами, которые определяют баланс между затратами на постоянно нарастающую депарафинизацию и затратами на постоянно увеличивающееся количество добавок, обычно используемых для снижения температуры кристаллизации готовых смазочных материалов. Эти конкурирующие между собой силы вынуждают большинство производителей ставить перед собой общие задачи.

Нафтеновые базовые масла
Нафтеновые базовые масла также существовали, но они, как правило, не применялись в обычно используемых смазочных материалах. Нафтеновые масла производятся из дистиллятов сырой нефти, которые значительно ближе к маркам из Луизианы, нежели к маркам из Пенсильвании. Они содержат много циклопарафинов, которые также называются нафтеновыми углеводородами. Нафтеновые масла иногда называют палевыми дистиллятными смазочными маслами благодаря их палевой окраске. В них много ароматических углеводородов, что дает им преимущества по растворимости для некоторых видов присадок. В этих маслах низкое содержание парафина, поэтому они от природы обладают низкой температурой потери текучести, и им не требуется депарафинизации растворителями. Но у них низкий, по сравнению с масляным дистиллятом из нефти парафинового основания, коэффициент вязкости, поэтому их смазывающая способность и устойчивость к окислению относительно невелики. Обычно их используют для особых областей применения, таких как технологические и трансформаторные масла.

Присадки повышают эффективность
На протяжении нескольких последующих десятилетий технология очистки смазочных масел растворителями не слишком изменилась. Качество готового продукта повышалось, в основном, за счет добавления присадок. Присадки начали широко использовать в 1947 г., когда Американский нефтяной институт начал классифицировать моторные масла в зависимости от степени тяжести условий эксплуатации: масло стандартного качества, масло высшего качества и смазочное масло для работы в тяжелых условиях. Присадки используются для увеличения срока эксплуатации только в маслах высшего качества и смазочных маслах для работы в тяжелых условиях.

Моторные масла стандартного качества не содержали присадок, и были рассчитаны на срок от 80 до 100 часов эксплуатации в нормальных условиях. В моторные масла высшего качества добавляли присадки для продления срока эксплуатации в легковых автомобилях. В моторных маслах для работы в тяжелых условиях было больше присадок для продления срока эксплуатации при использовании в транспортных средствах, работающих в более тяжелых условиях, для грузовиков и строительного оборудования. В 1950 г. были впервые запущены в производство всесезонные универсальные масла, в которых содержались присадки из полимеров для повышения коэффициента вязкости масла. Это повысило эффективность эксплуатации масла в горячих и холодных условиях (рис. 2).

Рис. 2. Появление присадок

На протяжении нескольких последующих десятилетий производство смазочных веществ продолжало находиться в большой зависимости от технологий использования присадок для совершенствования эксплуатационных характеристик готовых моторных масел. Качество смазочных материалов существенно повысилось только тогда, когда существенно улучшились химические параметры присадок. Это была единственно приемлемая стратегия до тех пор, пока не произошли существенные изменения в технологии производства базовых масел. Во второй части будет показано, как новые технологии гидроочистки открыли путь к значительному повышению качества базовых масел и эксплуатационных характеристик готовых смазочных материалов.

Дэвид К. Крэмер, Брент K. Лок,
Расс Р. Керг и Дж.M. Розенбаум
http://www.machinerylubrication.com