Эстеры в масле

И автовладельцы, и многие работники сферы автосервиса слышали об эфирных маслах, но редко кто может правильно объяснить, что это такое. Более того, одни свято верят в полезность и незаменимость масел на эстеровой основе, другие считают это очередным маркетинговым ходом. Попробуем разобраться.

Если коротко, эстеры являются сложными эфирами – продуктами нейтрализации карбоновых кислот спиртами. Однако начинать статью так разумно было бы неправильно. Для начала необходимо упомянуть, какими бывают базовые масла для производства моторных и трансмиссионных масел.

Базовые масла, или по-другому – основы моторного или трансмиссионного масла, производятся:

• путём перегонки нефти;
• путем синтеза из газа или органических кислот.

Первые традиционно называются минеральные, а вторые – синтетические базовые масла. 

По классификации Американского института нефти (API) базовые масла делятся на пять категорий:

Группа I – базовые масла, полученные методом селективной очистки и депарафинизации растворителями (обычные минеральные). Типовые характеристики: индекс вязкости: 80-100; температура вспышки: 190–205°С.

Группа II – высокорафинированные базовые масла, с низким содержанием ароматических соединений и парафинов, с повышенной окислительной стабильностью (оливки, прошедшие гидрообработку – улучшенные минеральные). Типичные параметры: индекс вязкости: 115-125, температура вспышки – 205-215°С.

Группа III – базовые масла с высоким индексом вязкости, полученные методом каталитического гидрокрекинга (НС-технология). В ходе специальной обработки улучшают молекулярную структуру масла, приближая по своим свойствам базовые масла группы III к синтетическим базовым маслам IV группы. Не случайно масла этой группы относят к полусинтетическим (а некоторые компании даже к синтетическим базовым маслам). Типичные параметры: индекс вязкости: 125-160, температура вспышки – 210-225°С.

Группа IV – синтетические базовые масла на основе полиальфаолефинов (ПАО). Полиальфаолефины, получаемые в результате химического процесса, имеют характеристики однообразной композиции, очень высокую стабильность окисления, высокий индекс вязкости и не имеют молекул парафинов в своем составе. Типичные параметры: индекс вязкости: 140°С, температура вспышки – 250°С.

Группа V – другие базовые масла, не вошедшие в предыдущие группы. В эту группу входят другие синтетические базовые масла и базовые масла на растительной основе. Типичные параметры: индекс вязкости: 180-200; температура вспышки: 250–330°С.

Химический состав минеральных оснований зависит от качества нефти, пределов выкипания отбираемых масляных фракций, а также методов и степени их очистки. Минеральная основа – самая дешевая. Это продукт прямой перегонки нефти, состоящий из молекул разной длины и разного строения. Из-за этой неоднородности – нестабильность вязко-температурных свойств, высокая испаряемость, низкая устойчивость к окислению. Минеральная основа – самая распространенная в мире моторных масел.

1. Исходные нефтепродукты, дистиллированные в специальной вакуумной перегонной колонне, делятся на дистилляты и вакуумные газойлы.

2. Молекулы воскообразных вакуумных газойлов поступают в гидрокрекинговую установку для гидрирования.

3. При сверхвысоких значениях давления и температуры (300 кПа, 540°C) молекулы нефти становятся химически активными. 

4. Водород добавляется к молекулам, чтобы полностью исключить примеси. Происходит перегруппировка молекул, в результате чего получается исключительный базовый компонент для готовых смазочных материалов.

5. Преобразованный компонент явно светлее по цвету, поскольку он более чистый.

6. Нежелательные парафиновые углеводороды молекулярно перестраиваются, что придает базовому маслу устойчивость к гелеобразованию и отличную прокачку даже при экстремально низких температурах.

7. Водород используется снова для удаления ароматических углеводородов и оставшихся легких примесей. Он также помогает стабилизировать молекулярную структуру вновь базового компонента, чтобы обеспечить повышенную устойчивость к окислению и более длительный срок службы смазки.

Совершенствование минеральных базовых масел производится по двум основным направлениям. Первый, при котором масло очищается только до такой степени, чтобы в нем осталось оптимальное содержание смол, кислот, серных соединений, азота и дополнительно вводятся присадки для улучшения некоторых функциональных свойств. Такой метод не позволяет получить масла достаточно высокого уровня качества. Второе направление, при котором базовое масло полностью очищается от всех примесей и производится молекулярная модификация методом гидрокрекинга. В результате получается масло, обладающее ценными свойствами для тяжелых режимов работы (высокая устойчивость к деформациям сдвига при высоких скоростях, нагрузках и температурах, высокий индекс вязкости и стабильность параметров).

К какому классу относить такие масла? По цене "гидрокрекинг" ближе к "минералке", а по качеству, как уверяет продавец, ничуть не хуже "синтетики". Но мы же понимаем, что если бы дело было именно так, такое дорогое удовольствие, как синтетическое масло, вымерло бы как класс… Гидрорекинговое масло ближе к минеральному не только по цене, но и по способу получения, потому что оно тоже производится из нефти. Чем же она тогда лучше? Как следует из названия, она проходит более глубокую обработку с помощью гидрокрекинга. А на первых этапах ее производство ничем не отличается от производства минерального масла. Из обычного минерального масла разнообразными физико-химическими методами удаляются нежелательные примеси типа соединений серы или азота, асфальтеновые (битумные) вещества и ароматические полициклические соединения, усиливающие коксование и зависимость вязкости от температуры. Депарафинизацией удаляются парафины, повышающие температуру застывания масел. Однако понятно, что удалить все ненужные примеси таким методом невозможно – грубо говоря, это и является причиной наихудших свойств минералки. Обработка масла может продолжиться и дальше. Ведь остались еще ненасыщенные углеводороды, ускоряющие старение масла из-за окисления, да и примеси тоже остались. Гидроочистка (воздействие водородом при высокой температуре и давлении) превращает ненасыщенные и ароматические углеводороды в предельные, что увеличивает устойчивость масла к окислению. Таким образом, масло, которое прошло гидроочистку, имеет дополнительное преимущество.

А гидрокрекинг – это еще более глубокий вид обработки, когда одновременно протекает несколько реакций. Каких? Удаляются те же ненавистные серные и азотистые соединения, длинные цепочки разрываются (cracking – крекинг, в дословном переводе – взлом) более короткие с однородной структурой, места разрывов в новых укороченных молекулах насыщаются водородом (гидрирование). Отсюда и название – "гидрокрекинг". Таким образом, при гидрокрекинге очевидны все признаки синтеза – создание из исходного сырья нового соединения, с новой структурой и свойствами. Поэтому гидрокрекинг часто называют НС-синтезом.

Транспортировка на Ачинский НПЗ (Россия) реактора гидрокрекинга. Вес установки – 1 300 тонн плюс автопоезд, предназначенный для его перевозки – еще полторы тысячи тонн. Это, в общем-то, вес хорошей пятиэтажки.

Но не все так просто. Некоторые компоненты нефти, обычно считающиеся вредными, местами могут быть ценными. К примеру, смолы, жирные и нафтеновые кислоты улучшают липкость и устойчивость адсорбционной пленки масла и тем самым улучшают смазывающую способность масла. Некоторые соединения серы и азота обладают антиокислительными свойствами. Таким образом, при глубокой очистке масла некоторые его смазывающие, антиокислительные и антикоррозионные свойства могут ухудшиться. Эта неприятность исправляется специальными присадками, добавляющими уже на оливосмешивающих заводах.

Итак, гидрокрекинговые масла – это продукты перегонки и глубокой очистки нефти. Гидрорекинг отвергает все "ненужное", ну а если увлекается что-то "полезное", необходимые свойства придаются с помощью присадок. Но четко отфильтровать ненужные примеси сложно, поэтому имеет место большее нагарообразование и содействие коррозии у гидрокрекинговых масел по сравнению с синтетикой. Гидрорекинговое масло получается близким по качеству к "синтетике", но скорее стареет, теряет свои свойства. Зато они обладают высоким индексом вязкости, противоокислительной стойкостью и устойчивостью к деформациям сдвига, а от износа часто может защищать даже лучше, чем синтетическая. С другой стороны, синтетика более однородна в смысле линейности углеводородных цепей, что дает преимущества, например, температуры замерзания.

Есть еще один аспект. Гидрорекинг – процесс каталитический, как, впрочем, так и синтез. Но если первый идет, например, на никеле, то второй – на углероде. Понятно, что углерод в этом смысле лучше, поэтому масло будет лишено нежелательных примесей соединений катализаторов.

Самое интересное, что подавляющее большинство моторных масел, которые позиционируются как полусинтетические, а также полностью синтетические, не что иное, как гидрокрекинговые масла. Это общая тенденция крупнейших производителей масел. Программа BP (кроме Visco 7000), Shell (кроме 0W-40), большинство масел Castrol, Mobil, Esso, Chevron, Fuchs построены на гидрокрекинге. Многие очень известные марки с полным спектром масел, использующих только гидрокрекинг.

Полусинтетика – это смесь минеральных и синтетических базовых масел, и может содержать в своем составе от 20 до 40 процентов "синтетики". – нет. Также нет никаких предписаний, какой синтетический компонент (базовое масло группы III или группы IV) использовать для изготовления полусинтетического смазочного материала. По своим характеристикам эти масла занимают промежуточное положение между минеральными и синтетическими маслами, то есть их свойства лучше обычных минеральных масел, но хуже синтетических.

Синтетические масла обладают исключительно удачными вязко-температурными характеристиками. Это, во-первых, гораздо ниже, чем у минеральных, температура застывания (-50°С, -60°C) и очень высокий индекс вязкости, облегчающий запуск двигателя в морозную погоду. Во-вторых, они обладают более высокой вязкостью при рабочих температурах свыше 100°C – благодаря этому масляная пленка, разделяющая поверхности трения, не разрушается в экстремальных тепловых режимах. К другим преимуществам синтетических масел можно отнести повышенную устойчивость к деформациям сдвига (благодаря однородности структруры), высокую термоокислительную стабильность, т.е. откладываемые на горячих поверхностях), а также небольшие по сравнению с минеральными маслами испарение и расход угара. Важно и то, что синтетика требует введения минимального количества загущающих присадок, а особенно высококлассные ее сорта не требуют таких присадок вообще, следовательно, эти масла очень устойчивы – ведь разрушаются в первую очередь именно присадки. Все эти свойства синтетических масел способствуют снижению общих механических потерь в двигателе и уменьшению износа деталей. Кроме того, их ресурс превышает ресурс минеральных в 5 и более раз. Основным фактором, ограничивающим применение синтетических масел, является их высокая стоимость. Они в 3-5 раз дороже минеральных.

Все присадки являются растворами металлов (кальция, цинка и т.п.), разведенных в минеральной базовой основе. Присадки разводятся ВСЕГДА в минеральном базовом масле, поскольку оно лучше всего сочетается со всеми типами присадок. Количество присадок в моторном масле варьируется в зависимости от назначения масла в количестве от 20 до 45%. Таким образом, абсолютно все моторные масла, даже полностью синтетические (Fully synthetic) на самом деле являются смешанными!

В качестве синтетической базы выступают обычно полиальфаолефины (ПАО) или эстеры, или их смесь.

ПАО – это углеводороды с длиной цепочки около 10…12 атомов.

Эстеры представляют собой сложные эфиры – продукты нейтрализации карбоновых кислот спиртами. Сырье для производства – растительные масла, обычно рапсовое или кокосовое. Эстеры имеют ряд преимуществ перед всеми другими известными основаниями. Во-первых, молекулы эстеров полярны, то есть электрический заряд распределен в них так, что молекула сама ”прилипает” к металлу. Во-вторых, вязкость эстеров можно ставить еще на этапе производства основания: чем более тяжелые спирты используются, тем больше получается вязкость. Можно обойтись без любых загущающих присадок, которые "выгорают" в ходе работы в двигателе, приводят к "старению" масла. Современная технология позволяет создавать полностью биологически разлагаемые масла на основе эстеров, так как эстеры являются экологически чистыми продуктами и легко утилизируются. Однако все эти плюсы могут показаться слишком дорогим удовольствием. Эстерова база стоит в 5…10 раз дороже минеральной!

Итак, опишем подробнее, что практически означает применение эстеровых масел?

С чего мы начинаем ежедневную эксплуатацию автомобиля? Конечно же, с запуска двигателя. Скрытые от нашего глаза и наших ощущений. Главная из них – оливное голодание при холодном пуске двигателя. масло стекает в картер и при старте двигатель первые секунды работает без смазки. И только когда масло будет распределено по системе, сухое трение металла о металл прекращается. .

По сравнению с полиальфаолефинами, являющимися простыми углеводородными цепочками, молекулы эфиров полярны – электронная плотность смещена к атому кислорода карбонильной группы. Отсюда – важнейшее преимущество масел на эфирной базе: отрицательно ионизированный атом кислорода непременно притянется к металлической поверхности смазываемых деталей, поскольку кристаллическая решетка любого металла или сплава состоит только из положительно ионизированных и нейтральных атомов.

Себестоимость эфирного основания в 5-10 раз выше минеральной, ведь ее производство включает несколько стадий. Сырьем обычно служит масло из копра кокосовых орехов или семян рапса, которые подвергают гидролизу, отделяя глицерин и получая нужные карбоновые кислоты.

Заключительный этап – этерификация, т.е. взаимодействие кислоты со спиртом. вязкость. Кстати, в этом заключается второе главное преимущество эстеров над полиальфаолефинами: здесь можно легко изменять вязкость конечного продукта, применяя тот или иной спирт.

Дополнительно варьировать свойства масла можно, изменяя и кислотный радикал R, что еще больше повышает себестоимость – тогда и карбоновые кислоты приходится синтезировать. Поэтому чаще применяют растительные, благо кокосовых пальм на Земле хватит на проворные масла.

При определенных сочетаниях радикалов получаются экологически чистые биоразлагаемые эфиры: они дороже "минералки" уже в 15 раз. Сделанное на их основе масло, попав в грунт, за 21 день разлагается бактериями на 85%, хотя для получения экологического сертификата достаточно уже 66-процентного распада.

Второе важное свойство – стабильность эстеровых масел при разных температурах, позволяет защитить двигатель во всех диапазонах температур. Но от чего зависит вязкость в любом другом масле?

Для поддержания вязкости в пакеты присадок моторных масел входят специальные загустители. Они представляют собой спиралевидные молекулы, которые как раз и действуют по принципу спиралевидной пружины. Когда масло подвергается воздействию высоких температур, спираль расширяется, но до определенного уровня, держащего вязкость масла в пределах допустимого. При воздействии низких температур молекулы загустителя не дают маслу загустеть, действуя в обратном направлении. Эта технология отлично работает до тех пор пока загустители не срабатывают от механических воздействий на них. После этого стабильность вязкости масла зависит исключительно от его основания. К тому же следует помнить, что чем больше присадок в масле, тем больше шлакообразование, что всегда плохо для двигателя.

Самый высокий индекс вязкости эфирных масел напрямую связан со спиртовой составляющей эфиров – ее плотность влияет на вязкость конечного продукта. Таким образом, применяя более или менее плотные спирты в производстве эстеровой базы, разработчики, как уже говорилось, сначала задают параметры вязкости масла. И ненадежные загустители больше не нужны. Это означает, что масла на эстеровой основе не зависят от наличия загустителей и их вязкость будет стабильной от начала и до конца эксплуатации.

Эстеровая основа имеет высокие показатели температуры вспышки, что резко сокращает расход масла на угар. Ее показатели высокотемпературного смещения масляной пленки значительно превосходят показатели любых традиционных масел, включая созданные на основе ПАО синтетические базы.

Еще одно из важнейших требований при эксплуатации агрегатов, нуждающихся в смазке – прочность масляной пленки. Именно от того, насколько она прочна, зависит защита пар трения от износа. Для этого приведем цифры максимальной нагрузки, которую выдерживают масляные пленки (при вертикальных ударах):

• минеральная база – 900 кг/см2;
• синтетика (ПАО) – 6500 кг/см2;
• синтетика (эстеры) – 22000 кг/см2.

Отчетливо видно, что масляная пленка эстеровой основы примерно в три раза прочнее по сравнению с синтетической PAO-базой.

И, кроме всего сказанного, эфирные масла показали наилучшее сопротивление окислению, которое неизбежно с применением низкокачественного топлива (т.е. практически любого топлива из АЗС Украины).

Подытоживая, можно сказать, что эфирные масла действительно очень отличаются от своих собратьев. Перечислим кратко основные их свойства и положительные последствия:

1. Эффект прилипания к металлу – безопасный запуск двигателя.

2. Постоянная вязкость масла – постоянное давление масла и защита двигателя.

3. Самая прочная масляная пленка – увеличение мощности и защита от износа.

4. Высокая температура вспышки – снижение расхода масла.

5. Лучшая устойчивость к окислению – сохранение основных свойств масла в течение всего интервала эксплуатации.

Ну и еще раз напомним о недостатках, один из которых перерос в миф. А именно – утрата основных свойств и текучести при взаимодействии эстеровых соединений с водой. При этом естеровое масло превращается в желе. Шокирующие снимки и предупреждения появляются в форумах, и пугают автолюбителей "коварными" естеровыми маслами, которые при попадании капли воды выходят из строя. Но разочаруем любителей "детективного жанра". Для того чтобы довести эфирное масло до такого состояния, потребуется объем воды, равный объему масла. Абсурдным выглядит случайное попадание такого количества влаги в систему. А небольшое количество конденсата, который может образоваться в системе от перепада температур, абсолютно безвредно. Он быстро улетучивается при достижении рабочих температур масла и выводится через систему вентиляции картера.

И, как уже говорилось, главный недостаток эстеровой базы – это ее стоимость. 100% эстеровая основа – это теория, а не практика. Но даже небольшое содержание этой составляющей наделяет масло всеми свойствами, проявляющимися в той или иной степени, о которых мы говорили выше. Содержание эстеров в моторных маслах обычно ограничено несколькими процентами (редко – более 10%), и применяются они только в самых совершенных продуктах, обычно составляющих вершину товарного ряда компаний-лидеров.

Возьмите на заметку! Слово "эстер" в химии – это такое же широкое понятие как "спирт". А спирт бывает и пищевой этиловый, и ядовитый метиловый (он же деревянный). кислоты с какой-нибудь гидрокарбоновой группой. естер, но на основе азота, а не углерода. В общем можно набрать в Google название большинства известных марок масел вместе со словом ester и убедиться, что эстеры применяют почти все. там намешаны, потому что их смазочные и пленкообразующие свойства могут значительно отличаться.

Приведем примеры. Ярким представителем производителей эстеровых масел является бельгийская компания XENUM. Пять продуктов компании: Xenum WRX 7.5W40, VX 5W30 и серия масел X1 Ester Hybrid вязкостей 5W-30, 5W-40, 5W-50 содержат в своем составе эфиры.

Если смотреть на "сухие цифры", то вряд ли увиденное поразит воображение. Точки замерзания и вспышки, вязкие показатели на основных контрольных точках (40 и 100°C), показатели HTHS (высокотемпературная вязкость при 150°С) – все это может быть в тех же пределах, что и у ПАТ-собратьев. Главный показатель – это стабильность свойств! И это можно узнать только с помощью анализа отработанного масла.

Но никакие цифры не покажут вам эффект прилипания. Разве что увеличенный моторесурс двигателя, который вы сможете увидеть значительно позже. Не стоит забывать и о том, что чем больше эстеров в масле, тем стабильнее остается его вязкость! Именно наличие эстеров позволяет вышеупомянутым маслам Xenum способствовать экономии топлива (6-19%), увеличивать мощность двигателя (3-6%), снижать шумность и износ деталей.

Итак, стоит ли покупать дорогие эфирные масла? Вопрос личный для каждого. Но, исходя из всего вышесказанного, можно сказать безусловно – эфирные масла для тех, кто купил автомобиль не на 2-3 года с перспективой перепродать. Они нужны скорее тем, кто берет автомобиль надолго, и видит в покупке и замене маслу не просто очередное ТО, а надежное вложение в долговечность двигателя.