Nieustanny pęd do zwiększania niezawodności samochodów, zmniejszania zużycia środków smarowych i paliw, a więc obniżenie kosztów eksploatacji, powoduje ciągłe podwyższanie wymagań w stosunku do parametrów jakościowych wytwarzanych olejów smarowych i kolejne modyfikacje klasyfikacji jakościowych.

Zaostrzone wymagania obowiązujące w odniesieniu do produktów gotowych są przenoszone na ich komponenty. Początkowe zwiększenie ilości wykorzystywanych dodatków uszlachetniających podczas komponowania olejów smarowych, czy późniejsze zastępowanie ich pakietami dodatków uszlachetniających nowej generacji dziś jest już niewystarczające. Obecnie tendencje ogólnoświatowe zmierzają do zmiany jakości stosowanej bazy olejowej, co pociąga za sobą zmiany technologii ich produkcji.

Jakość olejów bazowych

Oleje bazowe są głównym składnikiem olejów smarowych, decydującym w dużej mierze o ich właściwościach użytkowych. Mogą zawierać jeden komponent lub być mieszaniną komponentów. Indywidualnie komponenty olejów bazowych określa się jako oleje podstawowe. Zawartość olejów bazowych w środkach smarowych (finalnych) waha się w szerokich granicach, zależnych od ich zastosowania i wymaganej zawartości dodatków uszlachetniających. Do niedawna oceniano, że średnia zawartość bazy w olejach silnikowych kształtowała się na poziomie od 70 do 85% i w miarę wzrostu wymagań finalnych olejów smarowych wykazuje tendencję malejącą.
Jakość olejów bazowych na przestrzeni lat uległa dużym zmianom, wynikającym ze wzrastających wymagań stawianych olejom smarowym. Głównym stymulatorem tych zmian był postęp w konstrukcji samochodów, maszyn i urządzeń, związany z dążeniem do optymalnego wykorzystania zasobów surowcowych, szczególnie oszczędności energii oraz wzrastające wymogi ochrony środowiska.
Zmiany te obejmowały:
- wzrost jakości olejów smarowych zapewniający prawidłowe warunki smarowania coraz bardziej wysilonych węzłów tarcia;
- przedłużanie żywotności oleju i wydłużenia okresów jego wymiany.
Znajdujący się w obiegu olej smarowy jest stale narażany na działanie wielu czynników, np. wysokiej temperatury, dużego ciśnienia, które w znaczny sposób przyspieszają proces jego utlenienia i rozkładu.
Do początku lat sześćdziesiątych dla olejów bazowych istotne znaczenie miało zapewnienie właściwości lepkościowo-temperaturowych i odporności na starzenie, poprzez doskonalenie procesu rafinacji. Dalszy wzrost właściwości funkcjonalnych olejów smarowych miał miejsce na drodze modyfikacji naturalnych własności olejów bazowych, poprzez coraz szersze wprowadzenie dodatków uszlachetniających typu inhibitorów utleniania i korozji, modyfikatorów lepkości, dodatków smarowych, detergentowo-dyspergujących i innych.
Do niedawna dominującą rolę na rynku środków smarowych odgrywały bazy mineralne jako olej podstawowy. Olej ten jako mineralny surowiec do produkcji olejów silnikowych ma już ugruntowaną pozycję. Przełomowe znaczenie dla jakości olejów smarowych miało wprowadzenie w latach siedemdziesiątych procesów głębokiej przebudowy struktury węglowodorowej olejów bazowych. W latach osiemdziesiątych w USA i Kanadzie, a później w Europie dominujące znaczenie miały procesy hydrotreatingu i hydrokrakingu oraz odparowania katalitycznego, później przewagę zyskały procesy hydrokrakingu i hydroizomeryzacji prowadzące do olejów o wysokich wskaźnikach lepkości rzędu 120÷130. Około 70% światowej produkcji baz II i III grupy jest wytwarzanych tą metodą.
W tym samym okresie na szeroką skalę wprowadzono w USA, później w Europie syntetyczne polialfaolefinowe oleje bazowe PAO grupy IV, stosowane do wytwarzania syntetycznych olejów silnikowych najwyższych klas jakościowych. Różnorodność procesów rafineryjnych stosowanych do otrzymywania olejów podstawowych spowodowała konieczność ich jednoznacznej klasyfikacji. Stosowane do produkcji środków smarowych oleje podstawowe dzieli się na grupy wg klasyfikacji API, której kryteria przedstawiono w tabl. 1.
Przy stosowaniu tej klasyfikacji przyporządkowanie olejów podstawowych do grupy I zachodzi wówczas, gdy spełniony jest co najmniej jeden z podstawowych warunków. Natomiast przyporządkowanie olejów podstawowych do grupy II i III zachodzi przy spełnieniu wszystkich warunków jednocześnie. Oleje mineralne osiągnęły praktycznie kres swoich możliwości, dlatego do produkcji środków smarowych stosuje się przeważnie bazy półsyntetyczne i syntetyczne.
W latach dziewięćdziesiątych istotne znaczenie zyskały problemy związane z ochroną środowiska oraz ograniczeniem energochłonności. Spowodowały one przełamanie bariery ekonomicznej i coraz szersze wprowadzenie do produkcji olejów smarowych baz syntetycznych, szczególnie polialfaolefinowych oraz estrowych. Wadą natomiast jest ich stosunkowa wysoka cena. W celu pogodzenia wymagań stawianych olejom podstawowym, a kosztami ich produkcji wprowadzono tzw. oleje półsyntetyczne. Oleje te są mieszaniną oleju mineralnego i syntetycznego, przy czym ilość tego ostatniego na ogół nie przekracza 30%(m/m). Najczęściej stosowanymi syntetycznymi olejami bazowymi w większości zastosowań są mieszaniny estrów i polialfaolefin.

Zalety estrowych olejów bazowych i porównanie ich właściwości użytkowych z właściwościami olejów mineralnych i polialfaolefin

Podstawowe zalety estrowych olejów bazowych to:
- właściwości wysokotemperaturowe;
- właściwości niskotemperaturowe;
- charakterystyka lepkościowo-temperaturowa;
- odparowalność;
- smarność;
- podatność na rozkład biologiczny;
- zdolność do rozpuszczania dodatków;
- własności przeciwzatarciowe.
Porównując te właściwości z właściwościami olejów mineralnych i polialfaolefin można je sklasyfikować w sposób podany w tabl. 2.
Wśród wad estrowych olejów bazowych wymienia się często ich tendencję do spęczania tworzyw elastomerowych. Wyniki tych badań zamieszczono w tabl. 3.
Porównanie właściwości użytkowych tych olejów wymaga kilku słów komentarza. Estry mają lepsze właściwości od olejów mineralnych z punktu widzenia utrzymywania silnika w czystości i w przeciwdziałaniu tworzeniu się substancji nierozpuszczalnych (szlamów). Jednakże estry, a także polialfaolefiny wymagają stosowania dodatków zapobiegających utlenianiu w celu utrzymywania lepkości i liczby kwasowej w wymaganych granicach. Wynika to z faktu, że estry i polialfaolefiny inhibitory utleniania zaleca się stosowanie bezpopiołowych inhibitorów utleniania, fenolowych lub aminowych. Odparowalność estrowych olejów bazowych jest zdecydowanie najniższa. Dla estru poliolu o lepkości rzędu 4,4 mm2/s w 100OC odparowalność zmierzona w teście Nocka nie przekracza 2%.
Zastosowanie oleju bazowego mineralnego lub syntetycznego do smarowania silników spalinowych nie zapewnia właściwej ich pracy, dopiero dodanie pakietu dodatków uszlachetniających (związków o złożonej budowie) umożliwia spełnienie wymagań smarowania nowoczesnych silników.
Względy ochrony środowiska spowodowały wzrost znaczenia procesów rerafinacji olejów przepracowanych. Rerafinacja zalecana jest dyrektywami Unii Europejskiej jako preferowany kierunek utylizacji olejów przepracowanych. Należy w tym miejscu podkreślić, że syntetyczne oleje bazowe, oprócz spełniania praktycznie wszystkich wymagań stawianych olejom podstawowym, posiadają jeszcze jedną istotną zaletę, a mianowicie wysoką zdolność do biodegradacji w porównaniu z podstawowymi olejami mineralnymi. Ma to duże znaczenie ze względu na stale wzrastające zapotrzebowanie na oleje podatne na rozkład biologiczny (oleje do silników zaburtowych, do łańcuchów, płyny hydrauliczne). Ponadto oleje te znajdują zastosowanie do smarowania maszyn i urządzeń pracujących na terenach ujęć wody czy parkach narodowych. Obecnie w Europie coraz większe znaczenie zyskuje produkcja i zastosowanie olejów roślinnych, w mniejszym stopniu olejów estrowych.
Głównymi stymulatorami zachodzących zmian w jakości olejów bazowych są: postęp w konstrukcji samochodów, maszyn i urządzeń oraz wzrastające wymogi ochrony środowiska. Tendencja do podwyższania trwałości olejów smarowych i ich kompatybilności ze środowiskiem stanowić będzie w przyszłości główny stymulator ukierunkowujący rozwój olejów bazowych. Ponadto przyszłość olejów bazowych będzie zależna od dostosowania procesów rerafinacji do zmieniającej się jakości olejów smarowych, zawierających coraz większe ilości olejów syntetycznych i dodatków uszlachetniających. Najbardziej prawdopodobną wydaje się dominacja olejów syntetycznych typu estrów, polialfaolefin i poliglikoli. Ich specyfikacja będzie zapewne determinować charakter zapotrzebowania na przyszłościowe dodatki uszlachetniające do środków smarowych. Odrębnym zagadnieniem, na które zwraca się coraz to większą uwagę jest stopień wykorzystania pierwotnego potencjału jakościowego olejów w eksploatacji.

dr inż. Janusz Jakóbiec
mgr inż. Grzegorz Wysopal
Instytut Technologii Nafty - Kraków