До пятидесятых годов двадцатого века технология производства смазочных материалов развивалась медленно. Затем появилась технология очистки смазочных масел селективными растворителями, которая вытеснила природные нефтяные дистилляты благодаря усовершенствованным смазочным свойствам…

В семидесятых и восьмидесятых годах технологии гидроочистки, особенно гидрокрекинг, дали возможность производить базовые масла Группы II. Эти масла были признаны отдельной категорией по классификации API в 1993г. благодаря своим параметрам, которые отличали их от ранее использовавшегося сырья в положительную сторону. Технологии гидроизомеризации позволили преобразовать парафин в очень высококачественное базовое масло. После 1993 г. современные технологии гидроизомеризации, такие как Isodewaxing®, быстро стали широко распространенными, и были поставлены на коммерческую основу. Повсеместно распространенное лицензирование данной технологии привело к созданию более чем достаточных запасов масел Группы II, которые обладают исключительными эксплуатационными характеристиками при низких температурах и устойчивостью по сравнению со своими предшественниками из Группы I. Данный вид технологии в настоящее время применяется для производства почти половины базовых масел в Северной Америке.

Похожая тенденция формируется в отношении базовых масел Группы III, особенно тех, при производстве которых используется современная гидроизомеризация. Эти масла обеспечивают такие же эксплуатационные характеристики, что и традиционные синтетические масла на основе полиальфаолефинов (PAO), для большинства продуктов и могут производиться в значительных объемах и по ценам, недостижимым для PAO. Равноценность эксплуатационных характеристик была подтверждена и признана законной решением Управления национальной рекламы Бюро по улучшению деловой практики от 1999 г., которое позволяло маркировать смазочные материалы, изготавливаемые с использованием масел Группы III, как «синтетические».

Эксплуатационные характеристики масел Группы III против эксплуатационных характеристик PAO (Группа IV)
Исторически полиальфаолефины всегда обладали лучшими эксплуатационными характеристиками (такими как коэффициент вязкости (VI), температура предела текучести, испаряемость и устойчивость к окислению), чем те, которых можно достигнуть при использовании стандартных минеральных масел. При производстве современных базовых масел можно независимо управлять коэффициентом вязкости, температурой предела текучести, испаряемостью и устойчивостью к окислению.

Современные масла Группы III могут превзойти эксплуатационные характеристики PAO по некоторым параметрам, существенным для смазочных материалов, таким как дополнительная растворимость, смазочная способность и износоустойчивость. Базовые масла Группы III в наши дни могут соперничать с сырьем из PAO по эксплуатационным характеристикам: температуре предела текучести, коэффициенту вязкости и по устойчивости к окислению. К числу параметров эксплуатации готовых смазочных продуктов, по которым масла Группы III должны конкурировать с маслами Группы IV, относятся:
- температура предела текучести;
- пуск в холодном состоянии (свойство);
- испаряемость по NOACK;
- устойчивость к окислению.

Температура предела текучести
Температура предела текучести является одним из параметров, по которым, безусловно, имеется отставание, но депрессорные присадки, понижающие температуру застывания, очень эффективно ликвидировали этот недостаток. Важно осознавать, что температура предела текучести смазочного материала полной рецептуры (базовое масло плюс присадки), является ключевым параметром. Базовые масла, производимые с современными изомеризационными катализаторами, хорошо реагируют на добавление небольших доз депрессорных присадок, понижающих температуру застывания. Например, турбинные масла, в рецептуру которых входят стандартные базовые масла Группы II (-12°C – температура предела текучести базового масла) реализуются с рецептурной температурой предела текучести -36°C. Базовые смазочные материалы полной рецептуры Группы III могут производиться с температурами предела текучести -45°C и ниже.

С другой стороны, в традиционном синтетическом смазочном материале композиция присадок обычно понижает температуру предела текучести смеси сырья с PAO, доводя температуру предела текучести готовых смазочных материалов на основе PAO к значениям, близким к тем, которые достигаются с сырьем Группы III. Это означает, что для базовых масел Группы III. имеющихся на рынке в настоящее время, можно создать рецептуру, подходящую для всех применений, за исключением лишь применений при самых низких температурах.

Моделирование холодного запуска
Вязкость в подшипниках скольжения двигателя во время запуска при низких температурах является ключевым фактором при определении самой низкой температуры, при которой можно будет завести двигатель. Вязкость по показаниям Моделирования холодного запуска (CCS), измеряемая по методу D5293 ASTM (Американское общество по испытанию материалов) определяется при условиях, сходных с теми, в которых находятся подшипники двигателя во время его запуска. Для базовых масел такая вязкость определяется почти исключительно по вязкости и коэффициенту вязкости. Поскольку сырьевые материалы Группы III обычно имеют значения коэффициента вязкости, сопоставимые со значением 4 сСт PAO, можно полагать, что и эксплутационные характеристике при Моделировании холодного запуска будут сопоставимыми. Это показано на рисунке 7, где можно видеть, что базовые масла группы III с 4 с сСт, с кинематической вязкостью в 4,2 сСт при 100°C и с коэффициентом вязкости 129 имеют те же параметры Моделирования холодного запуска, что и PAO 4, имеющие вязкость 3,9 сСт и коэффициент вязкости 123.

Рисунок 7. Эксплуатационные характеристики Группы III
сопоставимы с Эксплуатационными характеристиками PAO
при холодном запуске двигателя

Если бы мы смешивали PAO для получения вязкости 4.2 сСт, их параметры Моделирования холодного запуска были бы практическими теми же. У обоих почти половинное значение Моделирования холодного пуска базового компонента Группы II с 4 сСт и с коэффициентом вязкости около 100. Таким образом, сырьевые компоненты Группы III отлично подходят для разработки рецептур топливосберегающих, синтетических, универсальных моторных масел в диапазоне от 5W-20 до 10W-40. На протяжении нескольких последующих лет жидкости на основе РАО будут по-прежнему доминировать на рынке над моторными маслами 0W-20 и 0W-30, с предъявляемыми к ним требованиями по работе в условиях сверхнизких температур.

Испаряемость по Noack
По результатам измерений по ASTM D5800 и с помощью аналогичных методов, было установлено, что испаряемость по Noack моторного масла соотносится с расходом масла в двигателях пассажирских транспортных средств. Строгие требования по обеспечению низкой испаряемости являются существенной частью нескольких недавно опубликованных и еще готовящихся технических спецификаций на моторные масла, таких как A-3 и B-3 ACEA в Европе и GF и GF-4, разрабатываемых Международным комитетом по стандартизации и утверждению смазочных материалов (ILSAC), в Северной Америке. Современные моторные масла для форсированных двигателей также требуют низколетучей нефти. Рисунок 8 показывает, что с точки зрения производителей смесей, базовые масла Группы III так же эффективны, как и PAO для выполнения таких требований по низкой испаряемости при их использовании в моторных маслах.

Рисунок 8. Эксплуатационные характеристики Группы III
по сравнению с PAO, сопоставимая испаряемость по Noack

Испаряемость существенно зависит от коэффициента вязкости. Коэффициенты вязкости современных масел Группы III обычно соответствуют или превосходят VI PAO так, чтобы они могли соответствовать испаряемости коэффициентов вязкости PAO при разумной ширине фракции дистилляции.

Устойчивость к окислению
Устойчивость к окислению и термостойкость относятся к числу наиболее существенных преимуществ синтетических материалов. Более высокая устойчивость базового масла означает большую присадочную устойчивость и больший срок эксплуатации. Высокая устойчивость это ключ к производству высококлассных смазочных материалов будущего с более продолжительными периодами между двумя последовательными сменами масла. И в этом масла Группы III, как правило, бросают вызов эксплуатационным характеристикам PAO.

Легко предсказать устойчивость современных базовых компонентов Группы III из-за имеющегося у них коэффициента вязкости, поскольку наличие коэффициента вязкости является показателем присутствия фракции высокоустойчивых изопарафиновых и насыщенных структур в базовом масле. В отличие от более раннего поколения базовых компонентов Группы III, в которых могло содержаться до 5% ароматических углеводородов, современные базовые компоненты Группы III проходят последующее жесткое гидрорафинирование после гидрокрекинга и гидроизомеризации. Соответственно, они обладают исключительной чистотой при уровне содержания ароматических углеводородов много менее 1%, обладая в результате высокой термостойкостью и устойчивостью к окислению. С другой стороны, устойчивость PAO во многом зависит от содержания остаточного олефина, уровни содержания которого могут быть значительными: до 5%. Даже, несмотря на то, что PAO обладают, в целом, отличной устойчивостью к окислению, при многих применениях, таких как производство моторных масел или высокотемпературных компрессорных смазочных масел, их эксплуатационным характеристикам не уступают современные жестко обработанные базовые масла Группы III.

При некоторых применениях даже смазочные материалы на основе масел Группы II могут обеспечить конкурентную устойчивость к окислению по отношению к традиционным синтетическим материалам. Технология производства базовых масел Группы II в сочетании со специально разработанными присадками может создать продукт, соответствующий традиционным синтетическим маслам, произведенным из РАО, при таких применениях как их использование в качестве турбинного масла. Преимущества интенсивной гидроочистки показаны на рисунке 9, на котором сопоставляется масло Группы II с маслом Группы I.

Рисунок 9. Более высокое качество базового масла
продлевает срок эксплуатации турбинного масла
(по данным измерений Теста на устойчивость турбинного масла)

Тест на устойчивость турбинного масла (TOST), или ASTM D943, измеряет время, необходимое для окисления турбинного масла до точки достижения кислотного числа значения 2,0 мг KOH/г.

Турбинное масло содержит только около 1% присадок, поэтому данный тест хорошо измеряет собственную устойчивость базового масла. Для базовых масел Группы I, не содержащих присадок, отказ наступает спустя примерно 200 часов. Турбинное масло с рецептурой, включающей базовые масла Группы I, обычно отказывает спустя менее чем 7000 часов. Высококачественное масло Группы II с той же композицией присадок и той же скоростью обработки присадок может безотказно эксплуатироваться в два раза дольше. В ходе реальной эксплуатации турбинные масла с хорошо подобранным составом на основе масел Группы II обеспечивают отличную смазку с интервалами замены от трех до пяти лет.

Преимущество по параметру устойчивости к окислению полностью гидроочищенных базовых масел Группы III показано на рисунке 10 для гидравлических масел, составленных с использованием одной и той же системы присадок из четырех различных базовых масел.

Рисунок 10. Устойчивость к окислению

Кислотное число гидравлических масел
Здесь время, необходимое, чтобы достичь кислотного числа 2,0 (определяемого нейтрализацией 2,0 мг KOH/г масла) в ходе Универсального теста на окисляемость (ASTM D4871), обычной меры окисления нефти, было значительно больше для композиции Группы III, чем для продуктов Группы I или II. Более того, эксплуатационные характеристики продукта Группы III, в целом, были те же, что и для масел, разработанных с PAO.

В таблице 3 перечислены различные североамериканские смазочные материалы, рецептуры которых составлены с использованием полностью гидроочищенных базовых компонентов Группы III.

Таблица 3. Высококачественные синтетические продукты, произведенные с использованием полностью гидроочищенных базовых компонентов Группы III.

К числу таких продуктов относятся: моторные масла, технические масла и жидкости для трансмиссии. Они предназначены для работы на тех же уровнях эксплуатации, что и те, которых достигли традиционные синтетические композиции.

Развитие
Заглядывая в будущее, можно сказать, что общая тенденция направлена на развитие смазочных материалов и базовых масел с еще большей чистотой, более низкой испаряемостью и более длительным сроком эксплуатации. Молекулярная структура базовых масел будет проектироваться так, чтобы обеспечить еще более высокие эксплуатационные характеристики смазки. За счет использования более совершенных катализаторов для гидроочистки, качественного подаваемого сырья и совершенствования технологии будет наращиваться избирательность для получения нужного молекулярного состава.

Невероятно, но одним из новых видов сырья для базовых масел является природный газ. В этом десятилетии мы увидим новый тип базовых масел с невиданными эксплуатационными свойствами, произведенный из парафина, извлеченного из природного газа с помощью технологии Фишера-Тропша (см. литературу по теме в конце статьи). На установках, которые будут производить эти сверхсинтетические базовые масла Группы III, будут использоваться новейшие технологии гидроочистки.

Названные GTL, от gas-to-liquids (конверсия природного газа в жидкие углеводороды), такие базовые компоненты уже упоминаются как Группа III+, или “Супер-группа III.” Брэндовое название компании ChevronTexaco для таких продуктов базовые масла FTBOTM (FT означают Фишер-Тропш). Они будут иметь значения коэффициента вязкости значительно выше, чем произведенные из PAO, и их будут использовать для изготовления топливосберегающих, автомобильных или технических масел будущего с большим сроком эксплуатации. Скорее всего, возникнут и другие конкурирующие новые технологии. Уже предложено новое сырье для производства PAO, и качество таких традиционных синтетических масел продолжает совершенствоваться. К несчастью для производителей PAO, их цены на базовые компоненты будут продолжать оставаться относительно высокими, и, наверное, в будущем это вытеснит смазочные материалы, произведенные на основе PAO, на менее крупные специализированные рынки. Под влиянием значительно более низких цен на масла Группы III рынок автомобильных синтетических смазочных материалов в Северной Америке быстро переводит основные объемы производства на базовые компоненты Группы III.

Избранные смазочные материалы высшего уровня, для производства которых необходимы PAO, будут существовать наряду с маслами Группы III так, как они сосуществовали в Европе на протяжении многих лет. Но повсеместное распространение и доступность современных неорганических масел Групп II и III придает дополнительное ускорение изменению рынка смазочных материалов. Новые и усовершенствованные базовые масла дают возможность производителям двигателей и оборудования экономно удовлетворять всевозрастающий спрос на более качественные и чистые смазочные материалы.

По мере того, как технология производства базовых масел развивается и совершенствуется, потребители смогут насладиться еще большей защищенностью своих автомобилей, грузовиков и дорогостоящего оборудования, такого как турбины. Эксплуатационные характеристики смазочных материалов, которых ранее можно было достичь только для применения в узкоспециализированных секторах рынка и в малых объемах с использованием PAO и других специализированных базовых компонентов, в наши дни широко доступны за счет использования масел нового поколения Групп II и III.

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