深圳市润万鑫科技有限公司

登录
13714072848

联系我们

深圳市润万鑫科技有限公司
联系人:周先生
手机:137 1407 2848
电话:0755-2955-4583
传真:0755-2955-4290
邮箱:zyz86@126.com
联系QQ:2224694279
地址:深圳市光明新区公明街道公常路543号聚财产业园

扫微信,了解更多

品牌动态

当前位置:首页 > 新闻中心 > 品牌动态

如何理解基础油

文章来源:深圳市润万鑫科技有限公司人气:2495发表时间:2019-02-20

                                              如何理解基础油

矿物油

 

矿物油系成本最低的基础油,因为其生产过程与成本远较合成油为简单低廉。

矿物油几乎完全由碳氢化合物(烃分子, hydrocarbonate)组成。

 

在石油分馏过程中,依沸点低-->高分别生产出石油气、汽油、煤油、柴油、燃料重油,透过常压(或加压)加热的分馏塔分离,剩下的残渣则再送入真空分馏塔进行分馏。

 

这个原因是燃料重油的分馏温度已近700°F,更高的温度会直接分解残渣,从而无法分馏出所需的碳氢化合物。

真空分馏出来的润滑基础油称为直出油(straight run),因为它的碳氢分子结构并未被提炼过程所改变。

直出油不能够直接用来生产工业用润滑油、润滑脂。

 

因为其含有大量杂质(如氮化物、氧化物等等)、酸性物质与不饱和烃,酸性物质会侵蚀机件、不饱和烃会使润滑油快速氧化(特别是在80~100°C以上的温度),氧化的基础油具有酸性、且会形成油泥。

 

直出油含有大量分子结构相异的的碳氢化合物,而现代的工业用润滑油、润滑脂,需要使用的是分子结构相对整齐单纯的碳氢化合物。


矿物油的炼制

 

直出油必须经过精炼过程才能成为工业润滑油脂的基础油。

精炼过程有传统式(使用溶剂)与非传统式(氢化)两大流派,两者都是去沥青(Deasphalting)、去芳香烃(Aromatic extract)、脱腊(Dewaxing)、去除异质化物(Heteroatoms)的流程,只是使用的方法不同。

溶剂法技术成本低,但产出的基础油仍含有大量不饱和键,只能产出API Group I的初级矿物油;

氢化法成本高,但可在过程中将碳氢化合物(烃)改造成石化工程师希望的结构,以及更高的饱合率。

 

氢化法分为三大类:加氢精制(Hydrofinishing)、加氢处理(Hydrotreating)、氢化裂解(Hydrocracking)。

加氢精制 & 加氢处理

加氢法是溶剂法的改良,加氢精制法是以氢化反应取代溶剂法中的黏土来去除异质化物,其产出的基础油较为清澈。

加氢处理则是在脱腊步骤以氢化法取代溶剂法来去除直出油内的蜡分子。

两者都会稍微改变分子结构,所产出的基础油分子与直出油中的烃分子已略有不同。

 

加氢精制仍只能制备API Group I等级基础油,而加氢处理法已可制出API Group II等级。

溶剂法与加氢法生产的矿物油,含有的烃分子包含直炼烷基的石蜡基(Paraffin)、含苯环的芳香基(Aromatic),以及含指环烃的环烷基(Naphthene)。

 

其中芳香基的润滑性能最为低下,石蜡基最优良,对直线轴承也是比较好的。

因此基础油中石蜡烃的比例即决定了此基础油的大部品质。

环烷烃有良好的低温特性,但VI值低,且环状烃分子的润滑性能与稳定性不佳。

 

石蜡(en:paraffin)

可以用来指涉好几种完全不同的石化产品,就有机化学定义而言,石蜡(paraffin)等于烷(alkane),也就是化学式CnH2n+2的饱合烃:

 

·        在美国、加拿大、澳洲、新西兰,石蜡油(paraffin oil)一般指的是煤油(kerosene),也就是航空燃油与家用取暖油;

 

·        固体石蜡(paraffin wax)指的是炼油过程中萃取出来的固态石蜡烃,一般含有20~40个碳原子,主要为直烷结构但也包含一些支链甚至环烷,纯萃的石蜡可食用,是医疗和皮肤保养、食物保存的常用化学品(例如凡士林)

 

·        液态石蜡(liquid paraffin)在英国指的是医用石蜡油,在美国称为白油,也就是润滑工业所制造的石蜡基油,去除了对人体有害的环烷基的矿物油;

 

·        石蜡基油(paraffinic)在石化工业,特别是润滑油部门,指的是真空分馏出来的高饱和率、低环烷烃含量的矿物油,上述的医用石蜡油是一般石蜡基油再纯化的产物。

 

氢化裂解

 

氢化裂解以常压分馏出的燃油(一般是取重真空燃油等级Heavy Vacuum Gas Oil)为原料,而非杂质极多的真空分馏直出油。

 

氢化裂解是以高压氢气(例如3000psi)在触媒作用下将原料油中的烃分子转化成较合适的结构,芳香族(aromatic)与环烷族(naphthene)在这个过程中会被转换成石蜡(paraffinic)烃分子,异质化物同时也在这个过程中被气化移除; 第二步是加氢脱蜡; 最后的加氢处理(hydrotreating)是将氢化裂解与加氢脱蜡过程中打破的碳键修补完成、提高饱和率。

 

氢化裂解生产出的矿物基础油,其品质可达到API Group II或III。除了饱和率高不易氧化、石蜡烃比例高润滑性能较优、杂质较少之外,黏度指数(VI)亦较高,代表其黏度随温度变化的程度小于溶剂法与氢化法生产的矿物油。

 

由于氢裂矿物油与其它矿物油有很大的物理性质与润滑性能的差距,且其分子结构已经在制程中被改造过,因此某些润滑油品牌认为也可以将氢裂制成的矿物油称为合成油。这个命名问题在法律上是无限制的。

 

合成油

 

严格意义上的合成油,必须是从小分子单元聚合反应而成的。

 

绝大多数的合成油都是以乙烯为初级原料,虽然乙烯并非只能从原油或天然气中裂解获取,但只有石化工业能稳定大量地供应乙烯,因此合成油的成本与供应仍然与石油市场非常密切相关。

 

作为基础油的合成油,有合成烃、合成酯、聚二醇、硅油、氟化油、磷酸酯、聚醚等等多个族群。

 

合成烃

 

合成烃是最普遍、成本最低的合成油,在未特别指明的情况下,对消费者销售的合成机油、合成车用齿轮油,90%都是以合成烃作为主要基础油。

 

合成烃(Synthetic Hydro Carbon, SHC)基本上是石蜡基矿物油的合成版本,然而以合成法制备与石油裂解精制,仍然有很大的不同。首先异质化物几乎不存在,碳键饱和率达到近乎完美,分子量的分布非常集中。

 

·        矿物油的分子量呈钟形曲线分布,因为小分子量的烃分子较易挥发,因此其平均分子量(以及黏度)便会随之提升,合成烃具有分子量较统一的优势,挥发率较低且稳定。

 

矿物油的碳炼形状混乱,使其分子间阻力较大,因此在同黏度的情形下,合成烃润滑油的阻力明显低于矿物润滑油,相对地矿物油的抗压性却又高于合成烃,因为矿物油分子较不易被剪应力所挤开。

 

合成烃是非常多种不同的烃分子的统称,目前最普遍的合成烃是聚-a-烯烃(Polyalphaolefin,PAO),其次为多烷基环戊烷(Multiply Alkylated en:Cyclopentane, MAC)

 

后者因具有超低挥发率而为真空工程所爱用,但其润滑能力无法与PAO相比。

 

PAO主要的缺点是难以溶解很多常用的添加剂,由于大多数润滑剂的润滑效果主要取决于添加剂,PAO的这个缺点是无法被接受的。

 

因此绝大多数标榜PAO的润滑油(例如引擎机油)都添加了5%左右的有机酯油或矿物油来帮助溶解添加剂。

PAO一般可在130~150°C的温度持续工作数百小时至数千小时。

其黏温指数一般在120~150间。

PAO具有很好的低温性能,因此需要低温起动或寒带工作的设备、汽车零组件偏好采用以PAO作为基础油的润滑油脂。

 

某些橡胶浸泡PAO后的收缩率明显大于石蜡基矿物油,这在早期合成机油兴起时造成了一些汽车的漏油困扰,后来工程师发现通常在这种情形下少量有机酯有助于降低橡胶的收缩率,加上有机酯对于很多PAO溶解力有限的添加剂都有良好的溶解力,因此现代很多合成机油均添加了~5%的有机酯。[1]

 

半合成油

 

通常是矿物油与PAO的混合,但没有标准定义PAO含量在多少%以上才能被称为半合成。

 

应用

PAO基础油广泛应用于低温、中高温的各种工业、汽车零件上,最大的用途显然是车用机油与车用齿轮油。

在API分类上PAO属于 Group IV。

任何其它不属于PAO的合成油均统归类于Group V。

 

合成酯

 

酯(ester)是醇与酸的反应产物,一般工业润滑油脂所使用的合成酯油更常被称为有机酯,表示该酯油是以碳基酸制作的,以有别于以无机酸,例如磷酸、氮酸、硼酸、硫酸和醇类反应制成的无机酯,例如磷酸酯。

 

有机酯油同样是很多含“酯”官能基的碳氢氧化合物的统称,最常被用来制作基础油的有机酯,包含双基酸酯(en:Dibasic ester, DBE)、多元醇酯(en:Polyolester,POE),后者又是一个大家族的统称。

 

由于酯官能基很容易被附加在各种复杂的烃分子上,因此“酯油”的涵盖范围非常广。

 

因为有机酯是含义广泛的统称,以有机酯为主的基础油没有一致的特性。

 

工业用有机酯润滑油具有耐高温(~200°C仍有数百~数千小时的工作寿命)、抗压性强、易溶解各种添加剂(视具体采用哪一种有机酯而定)、很高的VI值的优点,但也有可能腐蚀某些种橡/塑胶材质(不同种的酯可配合使用的橡塑胶也不一定)。

 

很多有机酯呈半极性,即具备界面活性剂的特点,因此低黏度酯油可以用来作为油泥的溶解清洁剂。

 

半极性的特点使酯油分子的极性端对金属有良好的附着力,因此酯油分子也可以用来制成油性添加剂(Oiliness Additive,Friction Modifier,减摩剂)。

 

有机酯的另一特点,是唯一可以做成符合CEC L-33 A-93定义的“可生物分解”润滑油。

 

酯油的水解

 

醇+酸酯+水是可逆反应,因而以有机或无机酯为基础油的润滑油脂需注意避免过于潮湿的使用环境,高湿度环境常常导致酯的水解。

 

应用

基于其高VI值的特点,某些需要在较大温度变化范围内工作的机件便会选用有机酯油。

 

同黏度的有机酯油形成的油膜厚度厚于矿物油或PAO,因此在高速或高温应用下,有机酯油相当受到欢迎。

 

有机酯油常被制成高温或高速轴承润滑脂,以及高温链条油。

 

剪切损失

在剪切应力下黏度低于原有黏度

 

以汽车机油为例,溶剂法与氢化法制造的矿物油仅符合单级标准,最多达到20W30。

而常见的5W40意味其基础油VI高达140~145,这即使是PAO也是不容易办到的,因此机油制造商便在较低黏度(例如5W20)机油之中加入VI提升剂,这是一种高分子聚合物,在低温时对基础油没有影响,在高温时VI提升剂舒展开来使油体更加黏稠,而达到5W40的复级效果。

 

不过VI提升剂不耐剪切应力,在高应力作用下VI提升剂即失效,也就是说在高剪切速度下使用VI提升剂的机油其黏度会比标识值为低,所形成的油膜厚度也较薄。

 

因此SAE的机油黏度级数(20~60)有定义在剪切应力下的最低黏度,以避免机油厂商添加太多的VI提升剂。

有机酯油可制成VI高达250的基础油,不用添加VI提升剂即轻松满足高负荷引擎的极端需求(冷车时黏度不可过厚、全速运转时黏度不因高温而过薄)。

因此酯类基础油制成的机油均标榜“零剪切损失”。

 

 

聚二醇

 

聚二醇油(Polyglycol)俗称聚乙二醇油,为环氧乙烷(Ethylene oxide,EO)与环氧丙烷(Propylene oxide, PO)所聚合而成的。

 

若聚合反应中EO比例远高于PO,则会制成亲水性的聚二醇油,反之则会制成与其它烃类油相溶的油。

 

在润滑工业上,亲水性的聚烷基二醇醚(Polyalkylene Glycol ethers, PAG)是聚二醇油中使用最为普遍的。

 

由于PAG油含有大量羟基(Hydroxyl),使得PAG油是极性液体,亲水而斥非极性油,且有相对固定的沸点。

 

聚二醇油(例如PAG)非常适合用来作为高效能齿轮油的基础油,特别是对高滑动比齿轮(例如:蜗齿(worm gear)、戟齿(hypoidgear)而言,使用PAG基础油制成的齿轮油,可以非常显著地提升效率、降低工作温度。

 

PAG油的VI值可达200~300,表示同黏度等级的PAG在高温下有较高的黏度与油膜厚度,因此非常适合作为高温齿轮箱之齿轮油。

 

PAG油具有极性,一般其沸点在220~240°C之间,与烃、酯类油的挥发模式不同(随温升而有逐渐升高的挥发率),PAG油在沸点以上会完全蒸发。

 

尽管PAG油具有强大的滑动摩擦润滑能力,它的缺点也非常显著,导致其应用受限:

 

1. 多数常见的橡、塑胶偏极性,会受到PAG侵蚀而膨胀或干缩,仅有非极性橡胶如EPDM, IIR与非极性塑胶PE, PP等可以配合PAG油脂;

2. 单元漆会被PAG侵蚀剥落;

3. 轻金属(如铝合金)在应力作用下会被PAG油侵蚀、破裂;

4. PAG油亲水,因此过滤系统无法将水从PAG油中分离出来

o    烃基油含水量>400ppm,齿轮箱轴承即可能损坏,而PAG油即使含水量达1000ppm仍不会有显著影响。


然而若齿轮箱持续进水,PAG油被水所稀释却无法分离,其润滑能力会急速下滑

 

应用

PAG油最常见的应用就是高效率齿轮箱油、热导油。

 

磷酸酯

磷酸酯(Phosphate Ester)油属于无机酯,除了当作润滑基础油之外,也常被橡塑胶工业用来加入产品作为阻燃增塑剂。

 

磷酸酯是所有非极性基础油中最不易被点燃的,它的挥发率低、燃点高、燃烧热值低,即使起火也会自行熄灭。

 

磷酸酯油抗磨耗性能优良,但是成本极高、VI值低、易水解、对很多密封件材质(橡塑胶)有极强的侵蚀性,因此其用途非常受限制。

应用

磷酸酯油大多用来制作需要高抗燃性能的液压油(例如航空液压油)、涡轮机循环油等。

 

硅油

 

最常见的硅油(Silicone oil)是聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane)与苯甲基硅油(Phenylmethyl silicone)。

 

硅油具有所有油种中最高的VI值(可超过500),可以在粗~中度真空中工作、是电的良好绝缘体、化学安定性很高、可耐200~250°C高温、与硅橡胶以外的弹性材料都相容。

 

但硅油的缺点也很多,其表面张力是所有油种中最低的,因此非常容易渗漏损失,且油膜强度非常弱,同黏度条件下硅油的抗压抗磨性远逊于其它油种。

 

硅油在所有需要精美烤漆的产线都需要严格管制,因为硅油容易渗漏,黏附在任何接触到硅油的物体(例如:人手)上就几乎无法清除,当微量硅油被转移到未烤漆的工件表面上之后,该工件的烤漆就注定失败。

 

硅油无法以任何溶剂简单去除,因此最好的办法就是全厂禁用硅油。

 

硅油又称电气杀手,因为硅油分子在高温下会交联(crosslink)聚合成高分子聚合物,由于摩擦点在微观尺度下,真正的接触点有非常高的闪点温度,可能达到600~1000°C,因此在接触点表面会逐渐覆盖一层极薄的硅胶,若电气开关或插座上沾到了硅油,在多次开关切换或插拔后,硅胶膜便可能导致整个接点绝缘。

 

若必须使用,则以苯甲基硅油较合适[2]

 

应用

硅油最常见的润滑应用,是橡塑胶阀芯/密封环润滑脂、橡塑胶脱模剂、氧气工厂一般润滑油脂、低温(<50°C)专用、水龙头阀心(主要是陶瓷片)润滑脂、真空设备密封橡胶润滑 等。

 

无论是哪一种应用,硅油与硅油制成的润滑脂都只能承受极轻度的摩擦。

 

由于单枪把手式水龙头的冷热水是由同一阀芯流出,为避免出冷水与出热水时把手扭阻力(使用者的手感)差异过大,阀芯必须使用高VI值润滑脂,而硅油有最高的VI值,且硅油的低表面张力使得其很难被水流所完全冲走,因此水龙头行业几乎一律使用硅油制成的润滑脂来润滑阀芯。

 

全氟聚醚

 

氟素油,或称氟化油,是全氟聚醚(Per-Fluororated Poly Ethers, PFPE)的俗称,也称作全氟烷醚(Per-Fluoro Alkylether, PFAE)或全氟聚烷醚(Per-FluoroPoly Alkylether, PFPAE)。

 

全氟聚醚是所有润滑基础油类别中最昂贵的族群,目前全世界只有四间公司能够商业化量产各种全氟聚醚基础油:DuPont, Solvay Solex, Daikin, NOK。

 

全氟聚醚基本上是将烃分子的氢原子以氟原子取代而成,主要使用的原料除烃类外,还有大量HF,因此制造全氟聚醚是化学工业中相当危险的部门。

 

全氟聚醚的密度一般在~1.9g/cm3,是其它所有基础油种的几乎两倍重。

 

其高密度弥补了低表面张力的缺点,使其在接触点仍有较同样是低表面张力的硅油为高的抗压性。

 

但高密度的性质配合其高公斤单价的缺点,使得采用全氟聚醚的成本远高于任何其它油种。

 

全氟聚醚物理、化学性质非常安定,这使得它对各种添加剂的溶解度很低,这也增加了全氟聚醚润滑产品的开发困难。

全氟聚醚分为性质差异很大的两大族群,根据分子链是否有分支,概可分为线性型(linear)与分支型(branched)两类。[3]

 

·        线性型成本较高、抗压性较低,但阻力较低、VI值较高(最高可达350)、适用于相当低温的环境,也可以在200~220°C温度长时间工作。

 

·        分支型全氟聚醚较为普及、可耐较高温度(280~300°C)、抗压性较强,低温时阻力偏高

全氟聚醚可在200°C以上的高温持续工作数百甚至数千小时,有所有润滑基础油中最低的蒸气压(10-8~10-16mbar),不受任何酸碱物质侵蚀、不被任何溶剂(除了氟氯碳化物以及低黏度全氟聚醚之外)稀释,与任何橡塑胶均相容,几乎完全不氧化,对任何固体均有良好附着性(因表面张力低),对辐射也有最好的抵抗能力。

 

此外,全氟聚醚的介电强度也是所有基础油种中最高的,因此常用在电力设施中的高压开关上。

 

全氟聚醚的聚合单元对其润滑性能、化学稳定性有一定影响,例如以纯以丙基/异丙基为单元组成的全氟聚醚,其安定性低于丙基/异丙基与甲基单元交错形成的聚醚分子。

 

全氟聚醚在用来制造润滑脂时,绝大多数选择直径0.1~0.5µm的聚四氟乙烯(Poly Tetra Fluoro Ethylene,PTFE)作为增稠剂,由于全氟聚醚本身的高分子量,加上聚四氟乙烯的阻隔作用,使得氟化润滑脂有极佳的抗压抗磨性能。

 

应用

汽车工业、高温工业设备是全氟聚醚的主要使用产业。

 

下列几种工况条件是全氟聚醚的主要适用环境:

 

1. 持续150~280°C的高温,且需要3个月~1年以上的保养周期(甚或终生免保养)

2. 中~高真空(压力<10-3mbar)

3. 高电压(>1kV)的电气接点(高压开关、插头)

4. 非常宽广的工作温度变化范围(最低可达-70°C)

5. 酸、碱、有机溶剂的侵蚀环境

6. 5~10年甚至更长的使用寿命

7. 高辐射环境

 

 

聚醚         

 

醚(ether)是两个分子链以氧原子连接而成,非常多种化学品均带有醚官能基。

 

在润滑基础油领域,聚二醇与全氟聚醚也属于广义上的聚醚,但如果仅称聚醚,一般指的是聚苯醚(en:Polyphenyl ether, PPE)

 

聚苯醚可以耐的温度甚至高于分支型PFPE,有同样低的挥发率与低蒸气压,但聚苯醚的润滑性能非常低下(难以附着在金属上),且VI值低。

 

目前聚苯醚制成的通用型或高效能工业用润滑油脂尚属罕见。

                            

 

应用

航空液压油、高真空泵用油、电气接点润滑、高温或辐射环境润滑等

 

 

相溶性

相溶性(miscibility),或相混性,是不同润滑基础油先后换用或混和使用时必须注意的原则,各种常用基础油相互间的相溶性如下:

 

矿物油

PAO

有机酯 

PAG

硅油     

PFPE

矿物油

  

一般

可         

╳  

PAO

一般

可   

有机酯

一般   

可 

一般

一般可

特例可

PAG

一般可

 

硅油

 

PFPE

特例可

 

 

推荐资讯
分享到:
点击次数:  更新时间:2019-02-20
关注我们,您可以了解更多...

网站地图技术支持: 传匠科技

2018 深圳市润万鑫科技有限公司 版权所有粤ICP备13065723号

扫描二维码,关注我们

关闭