روغن های پایه

روغن های پایه

1.      روغن پایه (Base Oil)

روغنی که به عنوان یک پایه برای روانکار به حساب می آید و پس از اضافه کردن مواد افزودنی به آن، روانکار نهایی به دست می آید روغن پایه نامیده می شود. روغن پایه ها از لحاظ حجمی مهمترین جزء تشکیل دهنده روانکارها می باشند و از لحاظ وزنی به طور متوسط بیش از 95% ساختار یک روانکار را تشکیل می دهند. در برخی از روانکارها (روغن های کمپرسور و هیدرولیک) 99% روغن را روغن پایه و 1% آن را مواد افزودنی تشکیل می دهند. از طرفی، برخی دیگر از روانکارها مانند سیالات فلزکاری، گریس ها یا روغن دنده های صنعتی شامل حدوداُ 30% مواد افزودنی هستند.

روغن پایه را می توان از منابع نفتی یا غیر نفتی به دست آورد. بیشتر روغن پایه مصرفی در جهان امروزه از پالایش نفت خام به دست می آید. از آنجا که بخش عمده ای از روغن پایه های مورد استفاده در تولید روانکارها از منابع نفتی به دست می آید، صنعت روغن پایه به عنوان قسمتی از صنایع نفت به شمار می رود.

ویژگی های روغن های پایه به دست آمده از نفت وابسته به نوع نفت خام و عملیات پالایش است. روغن های پایه نفتی اجزاء شیمیایی خود را چه مطلوب و چه نامطلوب از نفت خامی که از آن طی فرآیند پالایش به دست آمده اند، به ارث می برند. از آنجا که نفت خام حاوی ترکیبات مختلفی از قبیل هیدروکربن های پارافینیک، نفتنیک و آروماتیک و همچنین ترکیبات گوگرددار می باشد، روغن پایه ها نیز متشکل از این ترکیبات هستند. چگونگی تاثیر ویژگی های روغن پایه بر خواص و کارآِیی نهایی در شکل زیر داده شده است.

فناوری روانکاری از زمان بسیار دور پیدایش آن، بیش از سه هزار سال پیش، تا کنون دستخوش مراحل تکامل زیادی بوده است. هرچه این فناوری تکامل بیشتری می یابد، تاثیر کیفیت روغن پایه ها بر کیفیت و کارآیی روانکار نهایی بیشتر می شود. با گذشت زمان و پیشرفت صنایع روانکاری، صنعت روغن پایه ها از سایر صنایع تولید محصولات عمده ی نفتی جدا شده است.

1.      نفت خام و اجزاء آن

به نفتی که مستقیما از چاه استخراج می شود، نفت خام می گویند. نفت خام مخلوطی از ترکیبات مختلف است. نفت خام از باقیمانده جانوران ریز آبزی و گیاهان که همواره با گا در اعماق دریا ته نشین شده اند، تحت فشار و درجه حرارت به وجود آمده است.

بعضی از اجزاء موجود در نفت خام خواص مطلوب در روانکاری دارند، در حالی که بقیه خواص نامطلوب دارند. این اجزاء به طور کلی به دو دسته هیدروکربنی ها و غیر هیدروکربنی ها تقسیم می شوند.

‌أ)        هیدرو کربن ها

هیدرو کربن ها، ترکیباتی آلی که منحصرا از کربن و هیدروژن تشکیل شده اند، هستند و قسمن عمده نفت خام را تشکیل می دهند و شامل دسته های آلکان ها (پارافین ها)، آلکن ها (اولفین ها)، آلی سیکلیک ها (نفتن ها) و آروماتیک ها می شوند.

‌ب)     ترکیبات غیر هیدروکربنی

بسیاری از ترکیبات در نفت خام شامل عناصری غیر از هیدروژن و کربن نیز می شوند که گاهی درون ساختمان حلقه ها و یا در گروه های استحلافی متصل شده به ساختمان هیدروکربن مشاهده می شوند. ترکیبات آلی گوگرددار در نفت خام، از مولکول های هتروکسیل هستند؛ در مقابل عمده مولکول های اکسیژن دار به صورت کربوکسیلیک اسیدها هستند. اسیدهای آلیفاتیک سیر شده (اسیدهای نفتنیک)، تیوفن آروماتیکها و به مقدار ناچیزی از فنول ها و فوران ها نیز ممکن است موحود باشد. البته مولکول های بسیار بزرگ و سنگین رزین ها و آسفالت ها که مخلوطی از ساختمان آروماتیک و هتروسیکلیک هستند، نیز وجود دارند.

چنانچه میزان ترکیبات گوگرددار در روغن پایه زیاد باشد، روانکار نهایی نمی تواند قطعات را در مقابل خوردگی و یا زنگ زدگی محافظت کند. گاهی این ترکیبات گوگردی به حدی فعال هستند که خود باعث ایجاد خوردگی می شوند و نیز موجب تشدید آلودگی های میکروبی در روغن و در نتیجه کاهش عمر روغن می شوند. بنابراین کنترل مقدار گوگرد در روغن پایه و حذف این ترکیبات از روغن پایه اهمیت ویژه ای دارد که در مراحل مختلف پالایش از روغن تا حدودی حذف می شوند.

2.      انواع روغن پایه های معدنی

روغن پایه ها به طورکلی به سه دسته معدنی(Mineral)، سنتزی (Synthetic) و طبیعی (Natural) تقسیم بندی می شوند. روغن پایه های معدنی که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند، شامل دو گروه روغن های پارافینیک و نفتنیک که از تصفیه نفت خام به دست می آیند می باشند.

‌أ)        روغن های پایه پارافینیک

امروزه بسیاری از روانکارهای مورد استفاده در ماشین آلات در جهان از روغن های پارافینیک ساخته می شوند. رپاین روغن ها، هیدروکربن های اشباع شده ای هستند که از به هم پیوستن هیدروژن و کربن تشکیل شده اند. این روغن ها را هیدروکربن های نرمال (زنجیرهای راست زنجیر بلند) و هیدروکربن های ایزو (شاخه دار) تشکیل می دهند.  ممکن است در ساختمان این روغن ها مقادیری روغن های نفتنیک نیز وجود داشته باشد.

از آنجا که مولکول های پارافین می توانند تولید کریستال های واکس در دمای پایین بکنند، در نتیجه روغن های پارافینیکی موتور را با یک فیلم واکس می پوشانند و در موتور تشکیل رسوب می دهند. از اینرو بسیاری از مردم معتقدند که عبارت پارافینیک مترادف و هم معنی با واکس است. در صورتی که اینطور نیست و همانطور که گفته شد، روغن پارافینیک مخلوطی از هیدروکربن های مختلف است و قسمت عمده واکس موجود در آنها توسط فرآیند واکس زدایی از روغن خارج می شود. در مقایسه با روغن های نفتنیک، روغن های پارافینیک دارای خواص زیر هستند:

·         مقاومت بالاتر در مقابل اکسیدشدن

·         نقطه ریزش بالاتر

·         شاخص گرانروی بالاتر

·         فراریت کم و در نتیجه نقطه اشتعال بالاتر

·         وزن مخصوص پایین

‌ب)     روغن های نفتنیک

روغن های نفتنیک هیدروکربن های حلقوی سیرشده یک یا چند حلقه ای می باشند. هر حلقه می تواند دارای 5 تا 6 کربن باشد. این روغن ها در مقایسه با روغن های پارافینیک دارای خواص زیر هستند:

مقاومت نه چندان خوب در مقایل اکسیدشدن

نقطه ریزش پایین تر به دلیل نداشتن واکس

شاخص کرانروی پایین تر

فراریت بالاتر و در نتیجه نقطه اشتعال پایین تر

چگالی نسبی بالاتر

خاصیت حل کنندگی بهتر

روغن های نفتنیک به طورکلی برای محدوده دمایی کم و هنگامی که نقطه ریزش پایین مورد نیاز باشد، مخصوصا در روغن های هیدرولیک، روغن سردکننده ها، روغن های فرآیند تولید لاستیک، روغن های فلزکاری به خوبی در روانکارهای سیلندر برای موتورهای بزرگ و گریس ها قابل استفاده می باشند.

‌ج)     دسته بندی روغن پایه ها بر اساس خواص فیزیکی – شیمیایی

روغن پایه ها تفاوت زیادی با یکدیگر در اجزاء مولکولی و در نتیجه در خواص فیزیکی و شیمیایی (به عنوان مثال خواص گرانروی – دما) دارند. به همین دلیل در سال 1993 انجمن نفت آمریکا (API) یک سیستم تقسیم بندی روغن طراحی و همه روغن پایه ها را بر اساس درصد وزنی ترکیبات سیرشده، درصد وزنی گوگرد و شاخص گرانروی به 5 گروه تقسیم کرده است که در جدول زیر آمده است. باید توجه داشت که روغن پایه فقط بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی دسته بندی می شود و نه بر اساس روش تولید. این بدان معناست که روش تولید به تنهایی بیانگر سطح کیفیت روغن پایه نمی باشد. برای بهبود کیفیت روغن پایه باید درصد ترکیبات سیرنشده و گوگرد موجود در آن کاهش و شاخص گرانروی روغن را افزایش داد. برای دست یافتن به این هدف، از فرآیندهای مختلف پالایش استفاده می شود.

جدول رده بندی روغن های پایه توسط API

گروه درصد وزنی ترکیبات سیر شده درصد وزنی گوگرد شاخص گرانروی روش تولید

I 90> 3/0< 80 - 120 تصفیه بوسیله حلال

II 90≤ 3/0 ≥ 80 - 120 هیدروفرآوری

III 90≤ 3/0 ≥ 120≤ هیدروفرآوری شدید

IV پلی آلفااولفین ها (PAOs)   چند پارش

V همه روغن های پایه به غیر از گروه های 1 تا 4 روش های مختلف

از داده های جدول بالا به نظر می رسد که با حرکت از گروه I به III درصد پارافین ها بیشتر می شود. روغن پایه های گروه 1 با 2 متفاوت است و گروه 3 به طور قابل ملاحظه ای دارای ناخالصی کمتری می باشد (کمتر از ppm 30 گوگرد و کمتر از 10% ترکیبات سیرنشده) و روغن پایه های این گروه (گروه 3) به حدی خالص هستند که تقریبا بی رنگ هستند. روغن های گروه 3، روغن های نامتداول یا روغن پایه های دارای شاخص گرانروی بسیار بالا (VHVI) نیز نامیده می شوند. گروه 4 شامل همه پلی آلفااولفین ها(PAOs) می شود که به صورت خالص و همچنین مخلوط با روغن های پایه معدنی، برای شرایط روانکاری، به کار برده می شوند. گروه 5 شامل همه دیگر روغن پایه هایی که در برگیرنده همه روغن پایه های نفتنیک، روغن های پارافینیک با شاخص گرانروی متوسط و مایعات سنتزی مانند استرها، سیلیکون ها، پلی گلیکول ها و روغن های گیاهی می باشد.

3.      روغن پایه های سنتزی

روغن های سنتزی یا مصنوعی، روغن هایی هستند که از طریق متصل کردن یک یا چند جزء آلی مشخص با وزن مولکولی کم، در شرایط کنترل شده سنتز یا ساخته می شوند. این ترکیب شدن که در شرایط کنترل شده فیزیکی و شیمیایی انجام می شود، باعث می شود روغن سنتزی حاصل، خواص مشخصی داشته باشد که از پیش مورد نظر بوده است. یعنی روغن های سنتزی، روغن های از پیش طراحی شده ای هستند که ساختار و ترکیب شیمیایی آنها طوری است که می توان روغن به دست آمده را روغن مطلوب نامید.

‌أ)        ویژگی های روغن های سنتزی

ویژگی های روغن های نفتی وابسته به نوع نفت خام و عملیات پالایش است. روغن های نفتی اجزاء شیمیایی خود را چه مطلوب و چه نا مطلوب از نفت خامی که از آن توسط فرآیند پالایش بدست آمده اند، به ارث می برند. نفت خام، با توجه به موقعیت جغرافیایی و زمین شناختی محل استخراج نفت، جاوی هزاران ترکیب شیمیایی نا مطلوب می باشد که فرآیند پالایش نمی تواند همه آنها را حذف کند. اسیدهای خورنده، واکس ها، فلزات سنگین، آسفالتین ها، نفتن ها و آروماتیک ها و به همان اندازه تعداد بیشماری از از ترکیبات سولفوره، کلره و نیتروژنه در محصول نهایی باقی می مانند. ترکیبات یاد شده در مجموع دارای خصوصیات مناسب برای کاربرد روانکاری در اغلب استفاده ای موتوری و صنعتی نمی باشند.

تصفیه شدیدتر روغن های نفتی به منظور جداشازی مناسب ترین اجزا برای روانکاری، از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفی نمی باشد و از لحاظ عملی نیز به دلیل نبود فناوری لازم، غیرقابل انجام است. به عنوان مثال یک ترکیب پارافینی 20 کربنه می تواند در حدود 20 میلیون ایزومر داشته باشد که جداسازی چنین گستره ای از مولکول ها با استفاده از روش های صنعتی عملا غیر ممکن می باشد. همچنین در مقایسه با روغن های سنتزی، مولکول های روغن های نفتی از نظر شکل، اندازه و طول بطور قابل توجهی ناهمگون هستند، که این نا مطلوب می باشد. به عنوان مثال وقتی موتور گرم می شود مولکول های کوچکتر تبخیر می شوند در حالیکه مولکول های بزرگتر تمایل به اکسیدشدن نشان می دهند و بر روی سطح موتور رسوب می کنند. هرچه روغن بیشتر تبخیر شود، گرانروی آن افزایش پیدا می کند و باعث ایجاد اشکال در سیستم روانکاری می شود.

بنابراین برای روغنکاری در شرایط سخت و غیر متعارف که در آن روغن های نفتی دارای کارآیی لازم نمی باشند، از روغن های سنتزی استفاده می شود. روغن های معدنی برخلاف مزایایی چون در دسترس بودن و قیمت نسبی پایین تر، دارای معایبی چون اکسیدشدن، و از دست دادن گرانروی در دماهای بالا، منفجرشدن در معرض عوامل اکسید کننده قوی و جامد شدن در دماهای پایین هستند. این ویژگی ها در برخی کاربردها نامناسب و بازدارنده هستند. برای نمونه در موتورهای جت، روانسازهای با فشار بخار کم و در صنایع غذایی و داروسازی روانکارهایی با سمیت پایین مورد نیاز هستند. این موضوع باعث گسترش روانسازهای سنتزی شده است که می توانند گستره دمایی و فشاری قابل توجهی را بدون تغییر در ساختار، تحمل کنند و در عین حال خطر آتش سوزی را نیز کاهش دهند.

‌ب)     انواع روغن پایه های سنتزی

از آنجایی که بعضی از روغن ها با ساختار شیمیایی بسیار شبیه، دارای ویژگی های شیمیایی نا همگون هستند و همچنین بعضی ترکیب های متفاوت دارای خواص روغنکاری مانند هم هستند، گروه بندی روغن پایه های سنتزی با در نظر داشتن همزمان ساختار شیمیایی و ویژگی های شیمیایی، کاری مشکل است. با توجه به این نا هماهنگی، در سال 1993، شابکین (Shubkin) در کتابی که در مورد روانسازهای سنتزی نوشته است، روغن پایه های سنتزی را به شرح زیر دسته بندی کرده است:

آروماتیک های آلکیله کلروتری فلوئورواتیلن آلیفاتیک های حلقوی دی آلکیل کربنات ها

استرها پرفلوئوروآلکیل پلی استرها استرهای فسفاته فسفازین ها

پلی آلفائولفین ها پلی بوتن ها پلی آلکین گلایکول ها سیلاهیدروکربن ها و سیلوکسان ها

‌ج)     هیدروکربن های سنتزی

هیدروکربن های سنتزی، به طور همزمان در ایالات متحده و آلمان توسعه داده شده اند، در آلمان نیاز به روغن های با کارآیی در دمای پایین و کمبود منابع نفتی باعث ایجاد انگیزه برای کار روی هیدروکربن های سنتزی بوده است. امروزه می دانیم که تمام هیدروکربن های سنتزی – و سایر روانکارهایی که از لحاظ اقتصادی مهم هستند – را می توان از اتیلن سنتز کرد (شکل زیر). البته اتیلن خود یکی از مهمترین محصولات پتروشیمی است که به طور عمده با استفاده از روش مولکول شکنی با بخار آب تولید می شود.

1)     پلی آلفااولفین ها (PAO’s)

نامگذاری این دسته از هیدروکربن های سنتزی به عنوان پلی آلفااولفین ها به این علت است که این هیدروکربن ها معمولا از چندپارش آلفا-دکن (Oligomerization of a-decene) و یا مخلوطی از چند آلفااولفین با طول رشته حداقل 6 و یا حداکثر 12 اتم کربن تهیه می شوند. چندپارهای به دست آمده از آنها، همانند هیدروکربن های پارافینی شاخه دار و سیرشده هستند. مرحله بعدی تولید پلی آلفااولفین ها شامل هیدروژن دار کردن کاتالیستی اولفین های سیر نشده می باشد. این کار با استفاده از کاتالیست های سنتی مانند نیکل بر روی پنبه کوهی و یا پالادیم روی آلومینا انجام می شود. در مرحله سوم یا همان مرحله نهایی، چند پارهای سیرشده با استفاده از تقطیر جدا سازی می شوند. چند پارش آلفا-دکن یا مخلوط آلفااولفین ها، همیشه مخلوطی از ایزومرها را به دست می دهد که شاخه دار تر از آن هستند که مورد انتظار می باشد. این شاخه دارتر شدن ناشی از نوآرایی مولکول های آلفااولفینی است. از آنجا که این نوآرایی ها بین مولکولی هستند، وزن مولکولی محصولات به دست آمده را می توان در یک گستره مشخص در نظر گرفت.

پلی آلفااولفین ها شماری از ویژگی های یک روانکار هیدروکربنی ایده آل را که می توان آنها را با در نظر گرفتن ساختار شیمیایی، پیش بینی کرد، برآورده می سازند. گرانروی آلکان های راست زنجیر با افزایش طول زنجیر به شدت افزایش می یابد. این روند در مورد نقطه ریزش و شاخص گرانروی نیز صادق می باشد. شاخه های جانبی بلند ویژگی تغییرات گرانروی با دمای روانکار (V-T) را بهبود می بخشد. با توجه به این تغییرات، پلی آلفااولفین ها دارای برتری هایی از جمله محدودیت گستره دمای جوش، دمای ریزش بسیار پایین، شاخص گرانروی بیشتر از 135 برای همه درجه های روغن با گرانروی کینماتیک بیشتر از 2 سانتی استوک در دمای 100 درجه سانتیگراد، هستند.

فراریت پلی آلفااولفین ها در مقایسه با روغن های نفتی با ویسکوزیته یکسان کمتر می باشد و همچنین این روغن های پایه سنتزی دارای مقادیر بسیار کمی از ترکیبات سیرنشده و آروماتیک چند حلقه ای می باشند. میزان ناخالصی های سولفوره و نیتروژنه در این روغن ها بسیار ناچیز می باشد.

با همه این اوصاف، در برخی از آزمایش های اکسیداسیون، پلی آلفااولفین های عاری از مواد افزودنی در مقایسه با روغن های نفتی، مقاومت کمتری در مقابل اکسیداسیون از خود نشان داده اند. به نظر می آید این موضوع به خاطر مقادیر کم آنتی اکسیدان های طبیعی باشد که در طول فرآیند های مختلف پالایش جان سالم به دربرده اند و در روغن های پایه نفتی باقی مانده اند.

پاسخ دهی و سازگاری پلی آلفااولفین ها به آنتی اکسیدان ها و همیاری آنها به EP/AW ها، نسبت به فرآورده های نفتی بهتر است. از طرف دیگر قطبیت کم این ترکیبات باعث حلالیت کمتر افزودنی های قطبی در این محصولات می شود. این مسئله می تواند مشکلاتی برای تورم و بادکردن آب بند ها و درزبندها ایجاد کند.

امروزه پلی آلفااولفین ها به طور وسیعی به عنوان روغن های اتومبیل مورد استفاده قرار می گیرند. این در حالی است که استفاد مرسوم آنها تا بیش از این در صنایع هوافضا و کاربردهای طولانی مدت بوده است. این روغن ها معمولا با یکی از استرهای آلی ترکیب شده و به عنوان روغن های پایه در روغن های یاتاقان، روغن های دنده، قابل استفاده در دماهای بالا و روانکارهای توربین های گاز کوچک مورد استفاده قرار می گیرند.

2)     استرهای اسیدهای کربوکسیلیک

روغن های بر پایه استر برای استفاده درموتورهای جت در طول جنگ جهانی دوم ساخته شدند. از آنجا که گروه های کربوکسیلیک دارای ممان دو قطبی بزرگی هستند، باعث کاهش فراریت و افزایش نقطه اشتعال این روغن های روانکار می شوند. از طرفی به خاطر این که پیوند های گروه COO از پایداری حرارتی بیشتری نسبت به پیوند       C-C برخوردار هستند، وجود این گروه ها در ساختار شیمیایی روغن باعث پایداری حرارتی آن می شود. قابلیت حل کنندگی، روانسازی و زیست تخریب پذیری مزایای دیگری هستند که وجود گروه های کربوکسیلیک باعث آن می شوند. معایبی که حضور این گروه در روغن باعث آن می شودعبارتند از: پائین آمدن پایداری آبکافتی و واکنش دادن با فلزها و آلیاژهای حاوی مس و سرب.

اصول تهیه ی همه ی استرهای اسیدهای کربوکسیلیک از یک نوع است:

1-      اسید کربوکسیلیک با مقداری اضافی از الکل در حضور یک کاتالیست واکنش داده می شود. این کاتالیست ها می توانند اسیدهایی معدنی که بصورت ایده آل روی یک جامد جذب سطحی شده اند، باشند. تبادل گرهای یونی، اسیدهای لوئیس مانند بورتری فلوئورید و هیدروکسیدهای آمفوتریک مانند هیدروکسید آلومینیوم، از جمله کاتالیست هایی هستند که می توانند مورد استفاده قرار گیرند.

2-      برای جابجایی جهت تعادل به سمت محصولات، آب واکنش در طول فرآیند گرفته می شود.

3-      اسید باقیمانده ی واکنش توسط کربنات سدیم یا هیدروکسید کلسیم خنثی و توسط فیلتراسیون حذف می شود و استرب دست آمده تقطیر می شود.

استرهای دی کربوکسیلیک اسید، عبارتند از استرهایی که از واکنش کربوکسیلیک اسیدهای دو عامله و الکل ها بدست می آیند. این استرها را، دی استر نیز می نامند. دو نوع از این مولکول های استری برای استفاده در روانکارها بسیار مناسب هستند:

4-      استرهای حاصل از الکل های شاخعه دار نوع اول با دی کربو کسیلیک اسیدهای راست زنجیر (مانند شکل زیر).

دی (2-اتیل هگزیل) آدیپات

5-   استرهای حاصل از الکل های راست زنجیر نوع اول با دی کربوکسیلیک اسیدهای شاخه دار (مانند شکل زیر).

دی اون دسیل (2و2و4-تری متیل) آدیپات

الکل هایی که برای تولید روغن های دی استری استفاده می شوند را می توان با هیدروفورمیلاسیون اولفین ها توسط کربن مونوکسید و هیدروژن بدست آورد.

      دی کربوکسیلیک اسیدهای مورد نیاز را نیز می توان با استفاده از اکسیداسیون روغن های گیاهی و یا شکافت شیمیایی هیدروکربن های حلقوی سیر شده، توسط اکسیژن بدست آورد. به عنوان مثال برای بدست آوردن اسیدهای آزلاتیک و سیاسیک می توان از اکسیداسیون ملایم روغن کرچک استفاده کرد. همپنین می توان ادیپیک اسید را از شکافت سیلکوهگزان توسط اکسیژن بدست آورد.

      دی استرهای راست زنجیر، دارای رفتار V-T بهتر و شاخص گرانروی بالاتری نسبت به روغن های معدنی هستند. با افزایش میزان شاخه دار شدن این ویژگی ها دچار افت می شوند ولی با این حال خواص دمای پائین بهبود می یابند. استرهای با کمترین میزان شاخه ای شدن، دارای مهمترین خواص هستند. بویژه استرهایی که در ساختار شیمیایی شان گروه های متیل در همسایگی گروه کربو کسیلیک قرار می گیرند.

      استرهایی که در اطلاف گروه های کربوکسیلیک دارای ممانعت فضایی هستند (استرهای محافظت شده) از پایداری حرارتی و آبکافتی مناسبی برخوردار می باشند. با کمک کربودی ایمیدها، پایداری آبکافتی می تواند بیشتر هم بشود. در دماهای پائین گرانروی استرها از یک تابع زمانی پیروی می کند و مواد افزودنی می توانند تأثیر منفی برروی گرانروی و نقطه ریزش داشته باشند. با بکارگیری متاآکریلات ها به عنوان بهبود دهنده های شاخص گرانروی، می توان به مقادیری بین 170 تا 180 برای شاخص گرانروی دست پیدا کرد. همچنین بکارگیری استرهای پیچیده به عنوان بهبود دهنده های شاخص گرانروی باعث می شود که با میزان کمتری از تخریب مولکولی ناشی از تنش برشی مواجه باشیم. گرچه ظرفیت تحمل بار استرها بطور عمومی دو برابر ظرفیت تحمل بار روغن های نفتی است، ولی مواد افزودنی معمولاً برای بهبود کارآیی فشار پذیری به استرها افزوده می شوند.

      دی استرها بدون تأثیر منفی بر روی گرانروی در دمای پائین یا رفتار نیوتونی روغن موتورها، می توانند رفتار

 V-T این روغن ها را بهبود بخشند. این روغن ها برای موتورهای دیزل نیز مناسب می باشند. این استرها همچنین به عنوان افزودنی های روان کننده برای گریس ها و ارتفاء دهنده های سطح سازگاری پلی آلفااولفین ها با کشپارها، اهمیت زیادی پیدا کرده اند.

      استرهای پلی ال، استرهایی هستند که از واکنش اسیدهای کربوکسیلیک با الکل های چند عامله بدست می آیند. از

 دهه ی 1930نئوپنتیل گلایکول (2و2– دی متیل- 1و3– پرویان دی ال)، تری متیل – اولتان و – پرویان (1و1و1- تریس (هیدروکسی متیل)- اتان و- پرویان) وپنتااریتریتول (2و2- بیس (هیدروکسی متیل)- 1.3- پرویان دی ال) به عنوان پایه های الکلی این استرها شناخته می شده اند. در کناز پایداری حرارتی و پایداری در برابر اکسیداسیون، این استرها دارای خواص خوب V-T، رانسازی مناسب و خواص گرانروی فوق العاده در دمای پائین هستند. پایداری حرارتی و پایداری در برابر اکسیداسیون استرهای پلی ال به این دلیل است که پایداری حرارتی گروه OH نوع اول بیشتر از گروه OH نوع دوم است و مشتقات هیدروکسی دار نئوپنتان تنها دارای OH های نوع اول هستند. وجود زنجیرهای کوتاه باعث پائین آمدن نقطه ی ریزش این ترکیبات می شود، وجود اتم های از نوع سوم H و C در ساختار یک مولکول بطور همزمان حمله ی اکسیژن به مولکول را تسهیل می کنند. استرهای پلی ال از آنجا که حاوی هیچگونه کربن یا هیدروژن نوع سوم نمی باشند و هیچ هیدروژنی در موقعیت بتا (ß) ندارند در مقابل اکسیداسیون توسط اکسیژن و گرما پایدار می باشند. وجود هیدروژن در موقعیت های + باعث تسهیل شکافت حرارتی مولکول استری می شود.

      از دهه ی 1960 استرهای پلی ال به عنوان روانکارهای دمای بالا مورد توجه قرار گرفته اند. این روغن ها در موتورهای جت با سرعت بالا، به کار می روند.

3)     فسفات استرها

فسفات استرها از سال 1920 به صورت تجاری تولید شده اند و به عنوان افزودنی های روان کننده، نرم کننده و سیالات پایه سنتزی برای روغن های هیدرولیک و کمپرسور مورد استفاده قرارمی گیرند. اولین مصرف این مواد در روانکاری به صورت افزودنی های ضد سایش بوده است. پیشرفت های بعدی در سیستم های کنترل هیدرولیک، بخصوص در جنگ جهانی دوم، فسفات استرها را به عنوان سیالات هیدرولیک با کمترین قابلیت اشتعال پذیری معرفی کرد. استرهای اسید ارتو فسفریک دارای فرمول عمومی OP(OR)3هستند که در آن R یک گروه آلکیلی یا آریلی و یا مخلوطی از ترکیبات آریل و آلکیل می باشد.

خواص فیزیکی فسفات استرها به طورقابل توجهی بسته به انتخاب گروههای استخلافی مختلف، تغییر می کند. این گروه های استخلافی طوری گزینش می شوند که در یک کاربرد معین، فسفات استربدست آمده بهترین کارایی را داشته باشد.

فسفات استرها بیشتردر مواردی به کارمی روند که از غیر قابل اشتعال بودن آنها بیشترین استفاده صورت گیرد. چون در مقایسه با دیگرسیالات پایه این سیالات نسبتا گران می باشند.

فسفات استرها از واکنش کلرید فسفوریل با فنل ها یا الکل ها ( یا سدیم فنوکسید ها / آلکوکسیدها، که کمتر مرسوم هستند) تولید می شوند:

3 ROH+ POCL--------OP(OR)3+HCL

تولید اولیه این استرها با استفاده از برش های <اسید کلرزیلیک خام> یا <اسید های قطران> بدست آمده از تقطیر باقیمانده قطران ذغال سنگ، انجام می شده است. این خوراک مخلوطی از کرزول و مقادیر قابل توجهی از ارتو- کرزول می باشد. از آنجا که ارتوکروزول موجود دراین استرها، اثرات زینباری بر روی اعصاب انسان دارد، امروزه از برش های کنترل شده ای از قطران ذغال سنگ که در آنها محتویات ارتوکروزول و دیگر ارتو-n- الکیل فنول ها به طور قابل توجهی کاهش یافته است، استفاده می شود. فسفات استرها یی که از برش های قطران ذغال سنگ بدست می آیند را فسفات استرهای طبیعی و موارد دیگر این ترکیبات را که از مواد اولیه ای با خلوص بالا تهیه می شوند را فسفات استرهای سنتزی می گویند.

تعداد زیادی از فسفات استرهای مدرن سنتزی می باشند و ازمواد مشتق شده از فراورده های پتروشیمی تهیه می شوند. به طور مثال الکل ها با استفاده از فرایند اکسو از –a اوفین ها بدست می آیند و فنل های ایزوپروپیله یا ترشیوبوتیله از واکنش فنل ها با پروپیلن یا بوتیلین تهیه می شوند.

واکنش الکل یا فنیل با کلرید فسفوریل، محصولی خامی را تولید می کند که معمولا پس از شستشو، تقطیر، خشک کردن و رنگ زدایی، محصول نهایی را بدست می دهد. از آنجایی که تری آلکیل استرهای با وزن مولکولی کم درآب محلول اند، برای شستشو و جداسازی آنها باید از تکنیک های غیر آبی استفاده کرد. برای تولید آلکیل آریل استرها، واکنش گرهای الکل و فنول به طور مجزا به ظرف واکنش افزوده می شوند. این واکنش به صورت مرحله ای انجام می شود و دمای واکنش تا حد امکان باید پایین نگه داشته شود تا از واکنش های استری شدن تبادلی جلوگیری شود.

خواص فیزیکی فسفات استرها با توجه به ترکیب درصد مخلوط و نوع استخلاف های آلی، وزن مولکولی وتقارن ساختاری آنها تغییرمی کند. فسفات استرها گستره ای از مایعاتی با گرانروی کم و محلول در آب تا جامداتی غیر محلول و دیرگداز را در بر می گیرند. کاربرد استرهای فسفات بیشتر به دلیل خواص اشتعال پذیری کم و روان کنندگی خوب آنها است. ولی این کاربردها با توجه به پایداری حرارتی، پایداری آبکافت، شاخص گرانروی و خواص دمای پایین آنها، محدود می شوند.

از نظر پایداری آبکافتی، آریل استرها برتری دارند. افزایش طول زنجیر و درجه شاخه دار شدن گروه آلکیل، پایداری آبکافتی را بطور چشمگیری بهبود می بخشد. هر چه گروه استخلافی ممانعت فضایی بیشتری ایجاد کند، تهیه استر مربوطه مشکلتر می شود . ولی از طرف دیگر شاخه دار شدن باعث افت قابل توجهی در شاخص گرانروی می شود. آلکیل آریل فسفات ها نسبت به تری آریل یا تری آلکیل استرهای فسفات، تمایل بیشتری به آبکافت از خود نشان می دهند. از آنجا که اسیدهای حاصل از آبکافت استرها می توانند باعث خوردگی و همچنین تسریع برخوردهای بعدی مولکول ها شوند، آبکافت استرها اثرات جدی و نامطلوب راایجاد می کند. پایداری گرمایی تری آریل فسفات استرها به طور قابل توجهی از تری آلکیل فسفات استرها بیشتر است. تری آلکیل فسفات استرها با مکانیزمی شبیه به مکانیزم تجزیه حرارتی کربوکسیلیک اسیدها دچار تجزیه ی حرارتی می شوند.

4)     پلی آلکیلن گلیکول ها

اولین پلی آلکیلن گلیکول های مناسب برای روانکاری در طول جنگ جهانی دوم تهیه شده اند. پلی آلکیلن گلیکول ها از واکنش اپوکسید ها (معمرلا اتیلن و پروپیلن اسید) و ترکیباتی که دارای هیدروژن فعال هستند( مثلا الکل و آب ) در حضور یک کاتالیست قلیایی ( مانند سدیم یا پتاسیم هیدروکسید) بدست می آیند.تفاوت در نسبت اپوکسید و گروه های انتهایی منجر به تولید محصولات مختلف می شود. بسپارهایی که گروه های آلکیلن بصورت نامنظم روی آن توزیع شده اند، با استفاده از مخلوط آلکیلن اکسیدها تولید می شوند. اضافه کردن جداگانه ی آلکیلن اکسیدهای متفاوت به واکنش باعث تولید هم بسپارهای دسته ای می شود. از آنجا که اتیلن اکسید از پروپیلن اکسید واکنش پذیر تر است، هم بسپارهای اتفاقی میل دارند که واحد های پروپیلن اکسید را در انتهای زنجیره های خود داشته باشند.

پلی آلکیلن گلیکول ها دارای حداقل یک گروه هیدروکسیل در یک سر مولکولشان هستند. بنابراین می توان آنها را الکل به حساب آورد. تعداد گروه های هیدروکسیل رامی توان با بکارگیری آب یا آغازگرهای چند عاملی افزایش داد. همانطور که می دانیم الکل ها (عامل های هیدروکسیل) در واکنش به اسیدها تولید استر و در واکنش با اولفین ها و اسیدهای معدنی قوی، تولید اثر می کنند.

از آنجا که پیوند کربن- اکسیژن از پیوند کربن- کربن قویتر است، پلی آلکین گلایکول ها خواص حل کنندگی متفاوتی نسبت به هیدروکربن ها از خود نشان می دهند. با افزایش تعداد واحد ها ی اتیلن اکسید در ساختار پلی الکیلن گلیکول ها، امتزاج پذیری آنها با آب افزایش می یابد. انحلال پذیری این ترکیبات در آب به دلیل برقرار شدن پیوند هیدروژنی بین هیدروژن مولکول آب و جفت الکترون های غیر پیوندی اکسیژن در واحد اتیلن اکسید است. محلول هایی که از انحلال پلی آلکیلن گلیکول ها در آب بدست می آیند، عملا اشتعال ناپذیر هستند.

خاصیت نمگیری پلی آلکیلن گلیکول ها وابسته به محتویات هیدروکسیلی آن هاست. این ویژگی با افزایش وزن مولکولی و تعداد پیوند های اتری کاهش می یابد. از طرفی ترکیبات پلی آلکیلن گلیکول به طور کلی در هیدروکربن ها ی آروماتیک قابل حل هستند.

وزن مولکولی و چگالی پلی آلکیلن گلیکول ها تا حد زیادی به فرایند تولید بستگی دارد. این بدان معنی است که می توان این دو ویژگی مهم را با کنترل روش تولید و بکارگیری محدودیت هایی ظریف در فرایند واکنش، به سمت مقادیر دلخواه هدایت کرد. این امکان طراحی و کنترل محصول نهایی، پلی آلکیلن گلیکول ها را از سایر روانکارها متمایز کرده است.

نقطه ریزش پلی آلکیلن گلیکول های با وزن مولکولی کم که دارای 50 درصد پروپیلن اکسید هستند، می تواند تا C◦65- پایین برود. گروه های متیل جانبی عامل اصلی در جلوگیری از گسترش کریستالیزاسیون هستند. از طرف دیگر نوع خالص پلی اتیلن گلیکول های با وزن مولکولی بالا، جامداتی مومی شکل با نقطه ریزش نزدیک  C◦4+ هستند. محدوده گرانروی سینماتیک پلی آلکیلن گلیکول ها در دمای C◦40 از 8 تا 100000 سانتی استوک است. نمودار رفتار V-T روغن های پلی آلکیلن گلیکول بر خلاف نمودار مربوط به روغن های معدنی که یک خط راست می باشد، نشان می دهد که گرانروی این ترکیبات چه در دماهای پایین و چه دردماهای بالا دارای مقادیر زیادی است. مقدار شاخص گرانروی (VI) پلی آلکیلن گلیکول ها حول و حوش 200 می باشد. البته پلی اتیلن گلیکول های با جرم مولکولی زیاد می توانند شاخص های گرانروی حداکثر تا 400 نیز داشته باشد.

گرم کردن ادامه دار پلی آلکیلن گلیکول ها تا دماهای بالاتراز  C◦150منجر به وابسپارش این ترکیبات می شود. آلدهید های ناشی از این وابسپارش طی یک مرحله دیگربه اسید تبدیل می شوند. البته این یک مزیت است که محصولات حاصل از وابسپارش، انحلال پذیر یا فرار هستند، ولی می دانیم که اسیدها خورنده هستند. مقادیر بسیار کمی از فلزات قلیایی و قلیایی خاکی، این تخریب( وابسپارش) راتسریع می کند. با افزودن آنتی اکسیدان های آمینی از این تخریب تا حد زیادی جلوگیری به عمل می آید، به طوری که می توان از روغن بدست آمده بعنوان سیالات انتقال حرارت تا دمای C◦250 استفاده کرد. افزودنی های ضد زنگ وفشارپذیر (EP) برای استفاده در پلی آلکیلن گلیکول ها باید دارای مقاومت قابل توجهی در برابر آب باشند.

ماهیت قطبی پلی آلکیلن گلیکول ها ، تمایل زیادی در این ترکیبات برای چسبیدن به سطح فلز ایجاد می کند. براین اساس لایه های نازک روانکار در فشارهای سطحی بالا نیز بدون تغییر باقی می مانند. این خاصیت درروانکارها و سیالات تراشکاری به کار می آید. این ترکیبات از آنجا که به راحتی توسط شستشو با آب پاک می شوند، انتخاب مناسبی برای استفاده در کاربردهایی است که نیاز به شستشو هست و روغن های دیگر محدودیت استفاده دارند. کم بودن مقدار سمیت پلی آلکیلن گلیکول ها، مزیتی است برای این ترکیبات که امکان استفاده از آنها در صنایع دارویی، غذایی، آرایشی و توتون و تنباکو را فراهم می سازد.

5)     مخلوط روغن های سنتزی

امروزه تعداد کمی از روانکارها هستند که تنها شامل یک نوع روغن پایه می باشند. چون اولا، مخلوط کردن چند روغن پایه با خواص مختلف می تواند منجر به تهیه روغنی با کارایی و خواص مطلوب شود. دوما، بسیاری از روغن های پایه سنتزی با قطبیت بیشتر برای روغن های با قطبیت کمتر ب عنوان یک ماده افزودنی محسوب می شوند. مثل استرها در هیدروکربن ها و برعکس. در روانکارهای تغلیظ شده، مانند گریس ها حتی روغن های پایه ای که در هم امتزاج پذیر هم نمی باشند را می توان بصورت مخلوط با هم استفاده کرد.

آدرس این کتاب :