روغن پایه Base Oil و مواد افزودنی

 روغنی که به عنوان یک پایه براي 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 Base Oil 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 هاي 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 فلزکاري ، گریس ها یا روغن دنده هاي صنعتی شامل حدوداُ %30 مواد افزودنی هستند . روغن پایه Base Oil 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 اي از روغن پایه هاي مورد استفاده در تولید روانکارها از منابع نفتی به دست می آید ، صنعت روغن پایه Base Oil به عنوان قسمتی از صنایع نفت به شمار می رود . ویژگی هاي روغن هاي پایه به دست آمده از نفت وابسته به نوع نفت خام و عملیات پالایش است . از آنجا که نفت خام حاوي ترکیبات مختلفی از قبیل هیدروکربن هاي پارافینیک ، نفتنیک و آروماتیک و همچنین ترکیبات گوگرد دار می باشد ، روغن پایه Base Oil ها نیز متشکل از این ترکیبات هستند. بعضی از اجزاء موجود در نفت خام خواص مطلوب در روانکاري 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.

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

ترکیبات غیر هیدروکربنی
بسیاري از ترکیبات در نفت خام شامل عناصري غیر از هیدروژن و کربن نیز می شوند که گاهی درون ساختمان حلقه ها و یا در گروه هاي استخلافی متصل شده به ساختمان هیدروکربن مشاهده می شوند . ترکیبات آلی گوگرد دار در نفت خام از مولکول هاي هتروسیکل هستند ؛ در مقابل عمده مولکول هاي اکسیژن دار به صورت کربوکسیلیک اسیدها هستند . اسیدهاي آلیفاتیک سیر شده (اسیدهاي نفتنیک) ، تیوفن آروماتیکها و به مقدار ناچیزي از فنول ها و فوران ها نیز ممکن است ٢ موجود باشد. البته مولکول هاي بسیار بزرگ و سنگین رزین ها و آسفالت ها که مخلوطی از ساختمان آروماتیک و هتروسیکلیک هستند نیز وجود دارند . چنانچه میزان ترکیبات گوگرد دار در روغن پایه Base Oil زیاد باشد ، روانکار نهایی نمی تواند قطعات را در مقابل خوردگی و یا زنگ زدگی محافظت کند . گاهی این ترکیبات گوگردي به حدي فعال هستند که خود باعث ایجاد خوردگی می شوند و نیز موجب تشدید آلودگی هاي میکروبی در روغن و در نتیجه کاهش عمر روغن می شوند . بنابراین کنترل مقدار گوگرد در رروغن پایه Base Oil و حذف این ترکیبات از روغن پایه Base Oil اهمیت ویژه اي دارد که در مراحل مختلف پالایش از روغن تا حدودي حذف می شوند.


















​​​​​​​
​​​​​​
انواع روغن پایه Base Oil  معدنی
روغن پایه Base Oil ها به طورکلی به سه دسته معدنی Mineral ، سنتزي Synthetic و طبیعی Natural تقسیم بندي می شوند. روغن پایه Base Oil هاي معدنی که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند ، شامل دو گروه روغن هاي پارافینیک و نفتنیک که از تصفیه نفت خام به دست می آیند می باشند.

روغن هاي پایه پارافینیک
امروزه بسیاري از روانکارهاي مورد استفاده در ماشین آلات در جهان از روغن هاي پارافینیک ساخته می شوند . این روغن ها را هیدروکربن هاي نرمال (زنجیرهاي راست زنجیر بلند) و هیدروکربن هاي ایزو (شاخه دار) تشکیل می دهند. ممکن است در ساختمان این روغن ها مقادیري روغن هاي نفتنیک نیز وجود داشته باشد. از آنجا که مولکول هاي پارافین می توانند تولید کریستال هاي واکس در دماي پایین کنند ، در نتیجه روغن هاي پارافینیکی موتور را با یک فیلم واکس می پوشانند و در موتور تشکیل رسوب می دهند . از اینرو بسیاري از مردم معتقدند که عبارت پارافینیک مترادف و هم معنی با واکس است.

روغن هاي نفتنیک
روغن هاي نفتنیک هیدروکربن هاي حلقوي سیر شده یک یا چند حلقه اي می باشند . هر حلقه می تواند داراي 5 تا 6 کربن باشد. این روغن ها در مقایسه با روغن هاي پارافینیک داراي خواص زیر هستند : مقاومت نه چندان خوب در مقابل اکسید شدن ، نقطه ریزش پایین تر به دلیل نداشتن واکس ، شاخص گرانروي پایین تر ، فراریت بالاتر و در نتیجه نقطه اشتعال پایین تر ، چگالی نسبی بالاتر و خاصیت حل کنندگی بهتر . روغن هاي نفتنیک به طورکلی براي محدوده دمایی کم و هنگامی که نقطه ریزش پایین مورد نیاز باشد ، مخصوصا در روغن هاي هیدرولیک ، روغن سردکننده ها ، روغن هاي فرآیند تولید لاستیک ، روغن هاي فلزکاري به خوبی در روانکارهاي سیلندر براي موتورهاي بزرگ و گریس ها قابل استفاده می باشند.

روغن پایه Base Oil سنتزي
روغن هاي سنتزي 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 سنتزي حاصل ، خواص مشخصی داشته باشد که از پیش مورد نظر بوده است . یعنی روغن هاي سنتزي ، روغن هاي از پیش طراحی شده اي هستند که ساختار و ترکیب شیمیایی آنها طوري است که می توان روغن به دست آمده را روغن مطلوب نامید.











​​​​​​​
تقسیم بندی روغن های پایه بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی در API

روغن پایه Base Oil گروه I
-  براساس تكنولوژي­هاي قديمي Solvent Refining و Solvent Dewaxing توليد مي­شوند.
-  از روش استخراج با حلال به دست مي آيند.
-  حاصل از پالایش نفت خام است.
 
روغن پایه Base Oil گروه II
-  حاصل از پالایش نفت خام است.
 
روغن پایه Base Oil گروه III
-  حاصل از پالایش نفت خام است.
-  گروهی است که بیشترین میزان فرآیند بر روی آن انجام گرفته است.
-   گران‎ترین است .
-   بالاترین عملکرد را در میان روغن‌های معدنی حاصل شده از نفت خام داراست.
-   از فناوري توليد Hydroprocessing بهره مي برد وVI يا شاخص گرانروي آنها از120 بزرگتر باشد.
-  روغن‌های پایه گروه III که به روش هایدرکراکینگ شدید و یا هایدروایزومریزاسیون تولید می‌گردند خواصی بسیار نزدیک به روغن‌های سینتتیک گروه IV دارند و تولیدکنندگان روانکارها می‌توانند بر روی محصولات تولید شده با این روغن‌های پایه از کلمه ”سینتتیک” استفاده نمایند.

روغن پايه Base Oil گروه IV 
-  از پلي آلفا الفين ها (PAOs) تشكيل شده است .
-   سینتتیک پایه PAO بوده و به روش شیمیایی ساخته می‌شوند.

 روغن پایه Base Oil گروه V
-  مي تواند شامل ماده پايه با كيفيت پايين مانند نفتنيك (Naphthenic) و يا با كيفيت بالا مانند استرها باشد.
-  استرها، گلایکول‌ها و سایر روغن‌های پایه که مشخصات آنها مطابق چهار گروه اول نمی‌باشد جزء گروه V این طبقه‌بندی محسوب می‌شوند.
-  روغن‌های نفتنیـک نیز که شاخص گـرانروی آنها به دلیـل پایین بودن درصد مواد پارافینی در ترکیب آنها، پایین می‌باشد جزء این گروه محسوب می‌شوند.
-  روغن‌های پایه نفتنیک از نفت خام‌هایی تولید می‌گردند که فاقد مواد پارافینی بوده و دارای درصد بالایی مواد نفتنیک (حلقه‌های اشباع) باشند.

افزودنی ( ادتیو ) های روغن موتور
افزودنی ها ترکیبات شیمیایی هستند که به روغن موتور افزوده شده اند تا خصوصیات خاصی را در آن ایجاد کنند، بعضی از افزودنی ها خواص جدیدی در روغن موتور ایجاد می کنند و بعضی از افزودنی ها خواصی را که در روغن موتور وجود دارند بهبود بخشیده و برخی دیگر نرخ تغییرات ناخواسته ای را که در طول استفاده از روغن موتور در آن اتفاق می افتد کاهش می دهند. 
در طول سالیان افزودنی های روغن موتور به عنوان حلال مشکلات مختلف موتور شناخته شده و برای جلوگیری از خوردگی، سایش، اصطکاک، تعلیق دوده، خنثی کردن محصولات اسیدی حاصل از احتراق و غیره به کار برده شدند، همچنانکه روغن موتورها تخصصی شدند و افزودنی های روغن موتور دیزلی از روغن موتور بنزینی جدا شد، زیرا نیاز به پراکنده کردن دوده توسط روغن موتور در موتورهای دیزلی بیشتر می باشد.
در این مقاله به ادتیوها یا مواد افزودنی که بیشتر در روغن موتور کاربرد دارند پرداخته می شود، اگرچه برخی از آنها چند کاره می باشند، مانند بهبود دهنده شاخص گرانروی که به عنوان کاهش دهنده نقطه ریزش نیز عمل می کند یا مواد ضد سایش که به عنوان بازدارنده خوردگی نیز عمل می کنند، اما ما فقط به عملکرد و نقش اصلی آنها می پردازیم.

بهبود دهنده های شاخص گرانروی (Viscosity Index Improver)
شاخص گرانروی یک عامل مهم در مشخص کردن کیفیت و توانایی یک روغن برای کاربرد در گستره های مختلف دمایی است. تغییر کم شاخص گرانروی در درجه حرارات های متفاوت، یکی از ویژگی های مهم روانکارهاست که با افزودنی های بالابرنده ی شاخص گرانروی تا حد زیادی قابل دسترس خواهد بود. بهبود دهنده های گرانروی معمولا پلیمرهایی هستند که وزن مولکولی آن ها به طول زنجیرشان بستگی دارد. این پلیمرها در دماهای بالا تغییر شکل می دهند و حلالیت شان در روغن با افزایش دما بیشتر می شود. افزایش گرانروی روغن به وزن مولکولی و غلظت مورد استفاده بهبود دهنده های گرانروی در فرمولاسیون روغن مورد نظر بستگی دارد. در عمل وزن مولکولی g/mol 250،000 – 10،000، استفاده می شود و غلظت های کاربردی نیز بین 3 تا 25% وزنی است.

بازدارنده های اکسیداسیون (Anti Oxidants)
روغن ها به طور طبیعی در طول زمان کارکرد اکسید می شوند و این امر موجب افزایش گرانروی و در نهایت افزایش اصطکاک و سایش می شود. بازدارنده های اکسیداسیون موادی هستند که تا حد مطلوبی می توانند موجب جلوگیری یا به تاخیر انداختن اکسیداسیون و در نتیجه موجب افزایش عمر مفید روغن شوند. اکسیداسیون هیدروکربن های موجود در روغن توسط رادیکال های آزاد پروکسی و آلکیل رادیکال ها، اتفاق می افتد. موادی که طی این فرایند ممکن است تولید شوند عبارتند از: آلکیل هیدرو پرکسید ها، دی الکیل پروکسید ها، الکل ها، آلدهید ها، کتون ها، کربوکسیلیک اسید ها و استرها.
پس از به وجود آمدن این مواد، واکنش های پلیمریزاسیون نیز ممکن است صورت گیرد و ترکیباتی با وزن مولکولی بالا تولید شود و در نهایت منجر به افزایش گرانروی روغن شود. بیشتر ترکیبات حاصل از اکسیداسیون روغن، اسیدی هستند که می توانند سبب خوردگی و سایش شوند.
مکانیسم عملکرد بازدارنده های اکسیداسیون به این صورت است که رادیکال های آزاد را از بین می برند و به این ترتیب ترکیبات رادیکالی را به غیررادیکالی تبدیل کرده و واکنش را خاتمه می دهند. البته این ترکیبات می توانند با غیر فعال کردن سطوح فلزی مانند آهن و مس که بیشترین کاربرد را در ساخت ماشین های مهندسی دارند، باعث تاخیر در اکسیداسیون شوند.
​​​​​​​
مواد پایین آورنده ی نقطه ریزش (Pour Point Depressants)
بیشتر روغن ها ممکن است دارای واکس های محلولی باشند که با سرد شدن روغن شروع به تشکیل کریستال کنند. مواد پایین آورنده ی نقطه ی ریزش از تشکیل کریستال ها و رسوب کردن آن ها جلوگیری می کنند. این مواد برای کارایی روغن در دمای پایین بسیار حیاتی هستند، به خصوص زمانی که روغن پایه ی استفاده شده در ساخت روغن، از نوع پارافینیک باشد. این مواد اندازه و چسبندگی ساختمان های کریستالی را کاهش می دهند و باعث پایین آمدن نقطه ی ریزش می شوند. از نظر ساختمانی بسیار شبیه به بهبود دهنده های شاخص گرانروی می باشند.

مواد افزودنی پاک کننده و معلق کننده (Dispersants and Detergents)
این نوع مواد افزودنی که معمولا DD یا HD نامیده می شوند، جز جدانشدنی روغن موتور های بنزینی و دیزلی هستند. مهم ترین وظایف این افزودنی ها عبارت است از:
– خنثی کردن اسید های ناشی از احتراق
– جلوگیری از تشکیل لاک بر روی سطح قطعات موتور
– جلوگیری از تجمع و لخته شدن ذرات دوده ناشی از احتراق و به دنبال آن جلوگیری و به تاخیر انداختن تشکیل لجن


ضد کف ها (Anti foams/ Defoamers)
سرعت زیاد حرکت روغن و ایجاد اغتشاش هنگام کار دستگاه های صنعتی و موتورها، باعث ورود هوا به داخل روغن و تشکیل کف می شود. کف تشکیل شده که ممکن است پایدار هم باشد، بر سیستم روانکاری تاثیر گذاشته و موجب صدمات جبران ناپذیری می شود. وجود حباب های هوا باعث ایجاد سایش حفره ای و انتقال نامناسب روغن درون سیستم های روانکاری می شود. علاوه بر این، عمر روانکار را نیز کاهش می دهد. در مورد کف ها ابتدا باید تفاوت بین کف سطحی و کف داخلی را بدانیم. کف سطحی با ضدکف کنترل می شود.
کف زداها نسبت به روغن پایه Base Oil ی استفاده شده در روانکار کشش سطحی کمتری دارند و معمولا در روغن های پایه قابل حل نیستند. در نتیجه روی سطح پخش شده و این عمل سبب می شود که بعد از گذشت مدتی از زمان استفاده یا نگهداری همچنان پایدار بمانند. کف های داخلی همان حباب های کوچک هوا در داخل روغن هستند. متاسفانه کف زداهایی که باعث از بین رفتن کف های سطحی می شوند، عامل پایداری کف های داخلی می باشند. خاصیت رها کردن حباب هوا، توسط مواد افزودنی بهبود پیدا نمی کند بلکه بیشتر باید در ساخت روانکار و استفاده از روغن پایه Base Oil​​​​​​​ مورد استفاده قرار گیرد. ضدکف معمولا به میزان خیلی کم (ppm 5000-500) به روانکار اضافه می شوند. میزان اضافه کردن ضدکف ها بسیار مهم است چرا که اگر بیش ازحد اضافه شوند، باعث کف کردن روغن خواهند شد.

امولسی فایر ها و دی امولسی فایر ها(Emulsifiers and Demulsifiers)
در مواردی که نیاز است تا دو فاز امتزاج ناپذیر در یکدیکر را به یک فاز تبدیل کنیم از امولسی فایرها استفاده می شود که در واقع موجب تشکیل یک امولسیون می شوند. مثلا در سیالات کارگاهی و برشکاری نیاز است تا مایع مورد استفاده (آب صابونی) متشکل از روغن و آب باشد تا هم باعث خنک شدن شود و هم روانکاری را انجام دهد. اما وقتی که دو فاز کم امتزاج پذیر تحت شرایطی به یک فاز تبدیل می شوند تا کارخاصی را انجام دهند و پس از آن نیاز است تا کاملا از یکدیگر جدا شوند، از دی امولسی فایر استفاده می شود. عمده ی مصرف این افزودنی، در روغن های صنعتی است.
​​​​​​​
اصلاح کننده اصطکاک (Friction Modifiers)
این افزودنی ها موادی هستند که در روغن موتور اصطکاک را کاهش می دهند، مکانیسم عملکرد آنها مانند افزودنی هایی است که بازدارنده خوردگی و زنگ زدگی هستند که لایه روان کننده با دوام را از طریق جذب بر روی سطح و ارتباط با روغن موتور به وجود می آورند.موادی که معمولا برای این منظور به کار می روند زنجیره های بلند اسیدهای چرب و مشتقات آنها و همچنین ترکیبات مولیبدن می باشند. به علاوه افزودنی های ضد اصطکاک، سایش را نیز کاهش می دهند به ویژه در دمای پایین که مواد ضد سایش غیر فعال هستند، در ضمن در بهینه سازی مصرف سوخت نیز نقش دارند.

افزودنی های ضد سایش و فشار بالا (Anti-wear and extreme-pressure additives)
عوامل ضد سایش در روغن موتور نسبت به عوامل فشار بالا ( EP ) دمای فعالیت پایین تری دارند، ترکیبات آلی سولفور و فسفرمانند پلی سولفیدهای آلی، فسفات ها، دی تیو فسفات ها، و دی تیو کاربامات ها معمولا به عنوان افزودنی های ضد سایش و فشار بالا ( EP ) استفاده می شوند. از آنجاییکه قدرت موتورها افزایش یافته است نیاز به مواد ضد سایش بیشتر شده است. حفاظت موتور از خوردگی یکی از کارکردهای اولیه روغن موتور می باشد و خوشبختانه افزودنی هایی که برای مهار خوردگی در روغن موتور استفاده می شوند خاصیت ضد سایش متوسطی نیز دارند، این عوامل ضد سایش معمولا نمکهای سرب زنجیره بلند اسید کربوکسیلیک می باشند و اغلب در ترکیب با مواد حاوی سولفور استفاده می شوند. 








​​​​​​​


​​​​​​​
​​​​​​​​​​​​​​