§ 7.2. Синтетические моторные масла

Синтетические масла представляют собой индивидуальные химические вещества или смесь ограниченного количества веществ, близких по химическому составу и физическим свойствам.

Использование синтетических масел открывает широкие возмож-ности для повышения удельных параметров, экономичности и эф­фективности ДВС. Это особенно важно, если учесть, что моторные масла на нефтяной основе находятся на пределе своих возможностей по ряду важнейших эксплуатационных свойств, а современные синтетические масла по тем или иным свойствам обладают значительно лучшими показателями. Например, некоторые синтетические масла имеют высокий индекс вязкости (150 — 170); низкую температуру застывания (—65°С и ниже), вязкость при температуре 250 — 300 °С в 2—3 раза большую, чем у равно-вязких им при 100 °С нефтяных масел, высокую термическую стабильность при практическом отсутствии образования отложений и потерь на испарение, хорошими смазочными свойствами и Т.П. (табл. 7.9).

Таблица 7.9

В настоящее время большинство синтетических масел используют в ДВС в виде смесей с нефтяными маслами. Основным препятствием для широкого внедрения синтетических масел является относительно высокая стоимость их изготовления. Однако история техники пока­зывает, что развитие технологии в конечном итоге всегда позволяет добиться значительного снижения стоимости производства продуктов массового спроса. В ближайшем будущем синтетические моторные масла будут получать все более широкое применение.

К наиболее исследованным видам синтетических моторных масел относятся: углеводородные, диэфирные, полиалкиленгликолевые, диалкилбензольные, фосфорорганические, жировые, галогенуглеводородные и кремнийорганические масла.

Углеводородные масла. Синтетические углеводородные масла со­держат в своей базовой части отдельные группы углеводородов, присутствующих также в нефтяных маслах. Отличие заключается в том, что углеводороды, входящие в нефтяное масло, получают путем выделения их из нефти, в которой они содержатся в готовом виде, а углеводороды, входящие в синтетические моторные масла, полу­чают путем синтеза. Вследствие этого открывается возможность в значительной мере влиять на фракционный и групповой составы базового синтетического углеводородного масла, а следовательно, бо­лее эффективно регулировать его эксплуатационные свойства.

Диэфирные масла. Практически по всем эксплуатационным свойствам (индекс вязкости, температуры вспышки, самовоспламенения и застывания, смазочные свойства, стойкость к окислению) эти масла превосходят нефтяные, уступая им по более агрессивному воз­действию 1ы резиновые изделия. Особо важное положительное качество диэфирных масел — их высокая термостабильность и практическое отсутствие испарения, что позволяет создавать на базе этих масел долгоработающие моторные масла, которые можно использовать без замены (с минимальным доливом) в течение пол­ного ресурса двигателя. Хорошие смазочные свойства объясняются тем, что молекулы ди- и полиэфирных масел содержат полярные группы. Это обеспечивает образование на поверхности металла сма­зочной пленки из молекул базового масла.

В настоящее время получены и исследованы различные диэфиры, многие из которых могут быть основой высококачественных масел. С увеличением длины углеродной цепи диэфирных масел повыша­ется их вязкость и температура застывания и уменьшается угол наклона ВТХ. Синтетические масла на основе диэфирных могут быть использованы как в чистом виде, так и в смеси с нефтяными мас­лами. Эти масла находят широкое применение в авиации. Благодаря тому что диэфирные масла обладают оптимальным для моторных масел сочетанием эксплуатационных свойств, можно ожидать их широкого применения в перспективных типах автотракторных двига­телей.

К промышленным синтетическим моторным маслам относится масло ВНИИНП-7 (v₁₀₀ = 7,8 — 8 мм²/с). Оно состоит из диэфирной основы (базовое масло), в которую введены полимерные заглуша­ющие присадки, комплексная противоизносная и противозадирная присадка, а также антиокислительная и антикоррозионная присадки. Масло рассчитано на работу без замены в течение нескольких тысяч часов. Оно обладает хорошей ВТХ, низкой температурой застывания (—60 С) и хорошими смазочными свойствами. Это объясняется наличием поверхностно-активных свойств у базового масла и вве­дением в него противоизносной присадки.

Полиалкиленгликолевые масла (другие названия — полигликоли, полиэфиры, полиоксиалкиленгликоли). По большинству эксплуа­тационных свойств они в значительной степени превосходят нефтя­ные — обладают относительно лучшими противоизносными и противозадирными свойствами, малой коксуемостью, испаряемостью и коррозионной агрессивностью, высокими температурами вспышки и воспламенения, хорошей ВТХ и низкой температурой застывания (от —50 до —65⁰С); практически не образуют смолистых со­единений в присутствии кислорода до температуры 450 °С; обладают хорошими естественными моющими свойствами. В зависимости от длины и структуры молекулярной цепи вязкость полигликолей может изменяться в очень широких пределах (от 6 до 10 000 мм² /с при 50 °С).

Важная особенность полигликолей состоит в том, что они и отличие от большинства синтетических масел практически не ока­зывают коррозионного воздействия на металлы и совместимы с синтетической и натуральной резиной. Полигликоли смешиваются во всех отношениях с водой и нерастворимы в углеводородах.

Сырьем для производства полигликолей служат непредельные га­зообразные углеводороды (этилен и пропилен), которые получают нз природного углеводородного газа и промышленных газов нефте­перерабатывающих заводов.

Чистые полигликолевые масла, являясь длинноцепными полиме­рами, склонны к термической и механической деполимеризации. Эти отрицательные свойства устраняют путем введения соответствующих стабилизирующих присадок. Вследствие высокой стоимости сырья и производства применение полигликолевые масел в настоящее время ограничивается областями, где их высокие эксплуатационные свой­ства имеют определяющее значение.

Полиэтиленовые масла и этилен-нефтяные сополимеры по экс­плуатационным свойствам аналогичны синтетическим углеводород­ным маслам и в целом сходны с высокоиндексными нефтяными маслами, благоприятно отличаясь от них меньшей коксуемостью и более низкой температурой застывания. Эти масла получают полимеризацией этилена. Для использования в ДВС вязкие полиэтиленовые масла смешивают с высокоочищенными дистиллятными маслами, в результате чего получают высококачественное мо-горное базовое масло.

Диалкилбензольные масла превосходят нефтяные по смазочным свойствам, индексу вязкости, температуре застывания и термической стабильности, не уступая им по остальным эксплуатационным свой­ствам. Их получают из алкилбензолов с прямой цепью. Диалкилбенюльные масла используют в качестве всесезонных моторных масел для дизельных и бензиновых двигателей в районах с холодным климатом. Можно ожидать достаточно широкого применения этих насел в перспективных ДВС.

Фосфорорганические масла представляют собой сложные эфиры ортофосфорной кислоты. Они превосходят нефтяные масла по сма­зочным свойствам, огнестойкости, антиокислительным и антикор­розионным свойствам. На поверхности металла образуют хорошо противостоящие износу пленки из фосфидов металлов, благодаря чему значительно увеличивается срок службы узлов трения.

Жировые масла. Смазочные материалы органического происхож­дения на основе растительных и животных жиров — жировые масла - обладают высокими смазочными свойствами и в этом отношении являются одними из лучших смазочных веществ. Они обладают высокой коррозионной агрессивностью и склонностью к образованию отложений и смол. Последнее обстоятельство является причиной ограниченного применения жировых масел в ДВС.

Большинство жировых масел нерастворимо в нефтяных маслах, однако с помощью специальной обработки касторового масла получают продукт, растворимый в нефтяном масле. Такая смесь используется в высокофорсированных двигателях с относительно малым ресурсом (например, двигателях гоночных машин). Моторные масла со значительной долей (до 90 %) касторового масла широко приме­нялись в авиации в 30 — 40-х годах. Такие масла носят название кастролей.

Отмеченные ранее тенденции к переходу на восстанавливаемые природные ресурсы, к которым, в частности, относятся органические жиры, делают экономически и экологически целесообразным исполь­зование органических жиров в качестве сырья для переработки на углеводородные составляющие базового масла. К таким маслам относится, например, высококачественное синтетическое авиационное моторное масло, состоящее на 85 — 87 % из бутилового эфира, жирных кислот касторового масла и на 13—15% из полимеризованного соевого масла. Это масло имеет вязкость при 100 °С 14,9 мм /с, индекс вязкости 130—135 и температуру застывания —50 °С.

Галогенуглеродные масла. К этой группе относятся фтор- и хлорсодержащие углеводородные масла, основой которых являются соответствующие галогенопроизводные углеводородов. Эти масла имеют хорошие смазочные свойства, инертны к воздействию кислот и щелочей, обладают высокой термоокислительной и термической стабильностью, минимальной (практически нулевой) коррозионной агрессивностью и склонностью к образованию отложений. Эти каче­ства объясняются тем, что галогены образуют более прочные моле­кулярные связи, нежели кислород. Отсюда проистекает химическая пассивность этих веществ — они не горючи, не вызывают коррозии, не боятся действия агрессивных компонентов, не образуют осадков и стабильны до 500 — 550 °С. Галогенуглеродные масла получают фторированием (замещением молекул водорода на фтор) углеводо­родов различных нефтяных фракций.

Недостатками фторуглеродных масел являются низкая темпера­тура кипения, высокая температура замерзания и значительное изменение плотности по температуре. Эти недостатки исключают возможность применения фторуглеродных масел в ДВС. Однако повышенные требования к физико-химической стабильности мотор­ного масла, предъявляемые рядом перспективных типов топлив и двигателей, обусловливают целесообразность работ по устранению этих недостатков. Завершение работ позволит получить на базе фто­руглеродных соединений высокоэффективное масло, обладающее большим моторным ресурсом.

Лучшими по сравнению с фторуглеродными мае и/ми С10Й1 «нами по ВТХ, температуре кипения и смазочной способности обладают хлорфторуглсродные масла. Их получают при замещения водорода в углеводородной молекуле частично на фтор, а частично n.t хлор. В состав хлорфгоруглеродных масел входит 21 —23% углерода. 31 - 33 % фтора и 45 — 48 % хлора. Эти масла превосходят фторорганические по индексу вязкости и смазочным свойствам, но уступают им по термической и химической стабильности.

Кремнийорганические масла. Большие перспективы применения в качестве смазочных масел имеют полимерные кремнийорганические соединения, называемые полисилоксанами или силиконами. Вещества на основе таких соединений — кремнийорганические масла — обладают высокой термостабильностью и низкой коррозионной агрессивностью. Важной особенностью кремнийорганических масел является их хорошая ВТХ. Для сравнения: одно из лучших нефтяных моторных масел М-бз/ЮП (вязкость при 100°С равна 10 мм /с, индекс вязкости 120) при охлаждении от + 100°С до —18°С увеличивает свою вязкость в 500 — 600 раз и застывает при температуре —30 °С; кремнийорганическое масло, имеющее ту же вязкость при 100 °С, при охлаждении до —18 °С увеличивает свою вязкость только в 6 — 7 раз и застывает при температуре —60 °С.

О днако кремнийорганические масла имеют плохие смазочные свойства. Этот недостаток можно уменьшить путем введения противоизносных и противозадирных присадок. Кремнийорганические соединения используют для получения их комбинированных соединении с фтором — кремний органических фторэфиров. Эти соединения сочетают хорошую ВТХ, свойственную кремнийорганическим веществам, с достоинствами фторсодержащих масел.

Характерным отличием полисилоксанов от углеводородов является то, что полисилоксаны имеют в своей основе цепочку из череду­ющихся атомов кремния и кисло­рода — силоксановую группировку

— Si — О — Si — О —

К атомам кремния, входящим в силоксановую группировку, присоединены органические ради­калы, строение и состав которых определяют физические и хи­мические свойства полисилоксанов. Полисилоксаны, в состав которых входят метильные радикалы, ха­рактеризуются особо высокими термоокислительными свойствами — они не теряют своих свойств в течение 1500 ч работы в при­сутствии воздуха при температуре 250 °С. Полисилоксаны химически инертны по отношению во многих химически агрессивным компо­нентам (азотная и серная кислоты и пр.) и обладают высокой сопротивляемостью к механическому воздействию при работе под большими нагрузками и при высоких скоростях сдвига.

Вязкостно-температурные характеристики некоторых синте­тических масел в сравнении с характеристиками нефтяных масел приведены на рис. 7.1.