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合成基礎油-應用(石油情報提供)

發佈日期     2011.08.19

 此篇文章是艾克森美孚台灣區經理發表文章,石油情報-大部份文章都是他發表.

吳世榮

 

談到合成潤滑油的應用，其焦點可能都集中在頂級的車輛引擎潤滑油，尤其是Mobil 1可說是最具代表性的產品。合成潤滑油早先是開發用於航空的潤滑，由於它能承受的溫度範圍遠超過礦物油以及優異的保護效果，所以隨後更提供各類型工業設備嚴苛操作條件下的潤滑使用。不同於礦油是由自然產生的碳氫複雜混合，合成基礎油是人工合成及量身訂製以得到預期特性的分子結構；為了進一步強化特定應用上的需求，再加以最先進的添加劑配方，來成就合成潤滑油在各種不同應用上的潤滑效能。

這些合成基礎油是怎樣分類的呢？有些是以其化學結構的相似性質來區分，而在使用和效能上，卻有相當大的不同。

而不同類型的合成基礎油，其特性和潤滑上的應用，常常就是全然不同的性質，運用上更有特殊的方向。

在此我們將合成基礎油區分為四大類型，分別是：合成碳氫、有機酯、多元醇（聚醇類）和磷酸酯類。這幾類的合成基礎油幾乎是佔了絕大多數合成潤滑油的應用。接下來一一的詳述各合成基礎油的特性和應用。
 

 

 

1.      合成碳氫：在合成碳氫這個類別裡，包括了聚α烯烴Poly-α-Olefins，烷基苯Alkylated Aromatics，聚丁烯Polybutenes，以及環脂肪族Cyclo Aliphatics等四種型態。合成潤滑的成品油有可能是上述單一或多種基礎油掺配選定的添加劑而成。其中前三項的合成基礎油使用量大，過去幾年的需求成長也最快。

 

1.1     聚α烯烴Poly-α-Olefins（PAO）

聚α烯烴是由烯烴類聚合而成的合成基礎油，由低分子量的物質結合形成。最常見的方法是選用乙烯或丙烯，聚合成含10個碳的直鏈烯烴。接著每三到十個這樣的直鏈烯烴（通常是三個的三聚物）進一步的組合（寡聚合以產生低相對分子量聚合物），並且加以氫的飽和而形成聚α烯烴，這就是平滑且強韌的潤滑油，聚α烯烴基礎油廣泛用於掺配車輛用油及工業用潤滑油。聚α烯烴通常結合有機酯或其他的合成複合物作為引擎油，齒輪油，循環油，及液壓油的基礎油。（三聚物：三個單體的聚合產物，如苯C6H6為乙炔C2H2的三聚體。）
 

 

 

       

在工業潤滑應用方面，聚α烯烴可結合有機酯或其他合成複合物作為高溫齒輪和軸承潤滑油，也用於高效潤滑的燃氣渦輪機和螺旋空壓機等。聚α烯烴優異的低牽引係數和高氧化穩定性最適合嚴苛的齒輪潤滑應用，低牽引係數能有效的轉換成能源的效率，最高可達8%，而高氧化穩定性能夠延長換油週期，佐以優良的配方可達礦油6倍的壽命。

聚α烯烴配製的潤滑脂使用溫度寬廣，並且長效潤滑嚴苛的軸承運轉條件。也廣泛的用在民航設備和軍用飛機的多效潤滑脂。

 

1.1.1        聚α烯烴(PAOS)的特性：

‧    高黏度指數，一般均大於135—可以確保油品高溫的強韌油膜和低溫的快速流動潤滑。

‧    優異的低溫流動性—確保低溫啟動時良好的流動性。

‧    流動點極低—低溫時滑油不會稠化或形成固態。

‧    氧化和高溫穩定性極為良好—確保高溫時設備順暢運轉，不會因油品劣化而導致當機。

‧    高溫揮發性低，蒸發損失低微—不因高溫而使油耗上升。

‧    優異的水解穩定性—品質不受水氣影響而造成組成分解改變。

‧    和礦油相容，可適用於設計使用礦油的系統—可以和礦物性油品混合。

‧    一般的油封材料相容性良好—不會破壞油封，造成漏油。

‧    優良的剪力穩定性—使用中油品的黏度不會變稀。

 

1.1.2        聚α烯烴在潤滑油品的應用：

‧    引擎機油              如：Mobil 1, Delvac 1

‧    燃氣引擎機油      如：Mobil Pegasus 1

‧    齒輪油                  如：Mobilube SHC, Mobil SHC 600, Mobilgear SHC

‧    壓縮機油              如：Mobil Rarus SHC 1000系列

‧    冷凍機油              如：Mobil Gargoyle Arctic SHC 200系列

‧    液壓油                  如：Mobil SHC 500系列

‧    燃氣渦輪機油      如：Mobil SHC 800系列

 
 

 

 

1.1     烷基苯Alkylated Aromatics（Alkylbenzenes）

這是由苯烷化的合成方式產生，是另一種廣泛運用的合成碳氫（烷基族群的生成物，通常是具有10~14個碳原子的直鏈石臘組態）。藉由改變烷基族的結構和附著在苯上的位置，可改變最終產品的特性以符合預期效能的要求。

 

在市面上常見的有兩種類別的烷化芳香族。第一種有著較低的黏度指數（附有單一的烷基族），大都和環烷基礦油掺配應用。第二種則是含較多的石臘天性（兩個烷基族）和較高的黏度指數VI，類似PAO的黏度指數。第二種的產品通常稱作二烷基苯是作為潤滑基礎油最典型的烷基苯，用於引擎油、齒輪油和液壓油的掺配在0℃以下的低溫條件應用。

烷基苯也可以用作動力傳送系統，燃氣渦輪機，冷凍空壓機等滑油的基礎油。然而，烷化芳香族受限於重分子的形成，無法產製高黏度的油品。由於這個黏度上的限制，使得在特定的效能運用上無法滿足潤滑使用的要求。

 

1.2.1烷基苯的特性：
 

 

 

‧    黏度指數(VI)比起具有高黏度指數的礦油稍高—高溫時能維持油品的高黏度，而低溫時又有較低的黏度。

‧    優異的低溫流動性和極低的流動點—低溫時保有良好的流動性且不會稠化或固化。

‧    揮發性比起相同黏度的礦油較低，氧化、高溫及水解穩定性更好—蒸發損失低微，高溫時順暢運轉，不會因油品劣化而當機，不易受水污染而劣化。

‧    如同聚α烯烴和礦油相容，可適用於設計使用礦油的系統—可以和礦油相混合。

‧    但是比較不容易和抑制添加劑混合，所以某些潤滑特性可能較差。

 

1.2.2烷基苯在潤滑油品的應用：

‧    引擎機油              如：作為掺配Mobil 1的部分基礎油成分。

‧    冷凍機油              如：Mobil Gargoyle Arctiz SHC 400系列。

＊烷基族的形成是在烷烴同系列的成員中去除一個氫原子而得。

 

（下期續）

 
 

 

 

吳世榮

 

（續上期）

1.1     聚丁烯Polybutenes

聚丁烯是正丁烯和異丁烯在控制的條件下聚合而合成。一般並不將聚丁烯視為合成基礎油，因為它本身的潤滑特性並不好。經由上述程序所產製的低分子量物質具有潤滑的特性，但是其高分子量物質，就是我們常見到的聚異丁烯Polyisobutylenes（PIBs），則大都用作黏度指數增進劑和增稠劑的掺配運用。

1.1.1        聚丁烯的特性：

‧    潤滑特性平平。

‧    黏度指數VI約在70~110之間。

‧    應用上的一項重要特性是分解溫度，當溫度約達300℃時，會完全的分解成氣態的產物，不殘留積垢。

‧    介電能力強。

1.1.2        聚丁烯在潤滑油品的應用：

聚丁烯主要的用途為電氣絕緣油，地下高壓電纜的充填油。在鋁壓延抽伸上用量相當大，尤其是鋁加工後需進行退火的作業。一般是作為添加劑的組成，例如合成潤滑油裡頭黏度增進劑的增稠介質。聚異丁烯則作為低煙二行程機油的主要基礎油成分。

 

1.2     環脂肪族Cycloaliphatics

環脂肪族是合成碳氫的一種，具有特殊的性質而少量用於潤滑上，可見於脂肪族和碳氫所組合成的牽引油液中。環脂肪族具有一封閉的環狀結構（如環己烷）連結著直鏈或支鏈（如烷基族）。

環脂肪是典型具牽引力的油液，在高應力的狀況下會產生如玻璃狀的結構。因為具有高牽引係數可確保高效的剪力傳遞，這個特性被有效的利用在扭力傳動油液的應用中，當油液處於高剪應力時，黏度會大幅的上升。在潤滑的功能方面可以避免熔接及金屬表面之間高負荷導致表層的剝落。

 

1.4.1環脂肪族的特性:

‧    在高剪力的情況下產生高牽引係數。

‧    避免抗磨軸承的滾動件在高負荷和速度操作條件下產生打滑的現象。

 

1.4.2環脂肪族在潤滑油品的應用:

‧    環脂肪族通常用作特殊潤滑油品的添加劑。

‧    作為無段變速系統承受剪力的傳送油液。

 

2.      有機酯Organic Esters:有機酯是最早使用的合成基礎油。在二次大戰期間，德國的化學家用有機酯掺配在礦油中以改善低溫特性並且填補礦油供給量的不足。接著在50年代開始用作航空器的噴射引擎潤滑油，現在則是所有航空噴射引擎潤滑油必要的基礎油。同時也是許多低溫滑脂的基礎油。有機酯含有氧的成分，是由醇類和有機酸反應產生。它可分為雙酯酸和多元酯兩種類別。酯的產生類別則根據作為鹼基的有機酸以及醇（第一級、第二級、第三級）的使用而定。

　
 

 

 

 1.1     雙酯酸Dibasic Acid Easters

雙酯酸是由有機酸二鹼鹽類（具有兩個羧基COOH）和具有一氫氧根的醇類(單一羥基OH)反應形成。從結構來看，雙酯酸將其酸置於中央，而醇則附在尾端。這樣的安排和多元酯是不同的。許多種的雙酯酸的特性是按酸和醇的組分而定。

1.1.1        雙酯酸的特性:

‧    高溫及氧化穩定性良好，剪力穩定性良好。

‧    優異的低溫流動性，低流動點。

‧    吸溼性強，水解穩定性不好，防銹性平平。

‧    黏度指數VI平平。

‧    金屬濕潤性良好，油膜強韌。

‧    和漆類及油封材質會起反應（油封膨脹）。

‧    和礦物油相容。

‧    能將積垢產物溶解懸浮於其中，保持金屬表面潔淨。

‧    揮發度低。

 

1.1.2        雙酯酸在潤滑油品的應用:

‧壓縮機油        如：Mobil Rarus 800系列

‧雙酯酸作為掺配車用引擎油的基礎油成分之一

‧雙酯酸過去常用作舊型噴射引擎油的基礎油，現在大都被多元酯取代。

 

1.2     多元酯Polyol Esters

多元酯是由醇和兩個或多個氫氧根（多羥基醇含一元酸）反應而形成。如上所述，和雙酯酸不同，多元酯的結構是將多元結構置於中央，而酸基的根部附於旁邊。如同雙酯酸一般，多元酯的物理性質也因選擇不同的多元醇或酸而有差異。例如三羥甲醇丙烷Trimethylolpropane及異戊四醇Pentaerythritol兩者是最常用的多元醇，酸則是從動植物油中取得。

 

1.2.1        多元酯的特性:

‧    優異的高溫穩定性優於雙酯類。

‧    低溫特性及水解穩定性和雙酯類很接近。

‧    黏度指數VI可能低於雙酯類。

‧    可能比雙酯類更容易和漆類及油封材質起反應（油封膨脹）。

‧    其他特性和雙酯類很接近。

 
 

 

 

1.1.1        多元酯在潤滑油品的應用:

‧冷凍機油：如Mobil EAL Arctic系列

‧    引擎機油：作為掺配Mobil 1的基礎油成分之一

‧    航空噴射引擎：如Mobil Jet II, 254

‧    多元酯溶解於冷媒(臭氧層親和氟碳HydrofluorocarbonHFC)的特性近年來廣為使用作冷凍機油。多元酯也是R134a(非氯HFC冷媒)冷凍系統選用的潤滑油。同時也是環保生物降解要求的潤滑油。

2.      多元醇Polyglycols

（下期續）

 
  

 

吳世榮

 

3. 多元醇Polyglycols

多元醇這類型的聚合物是合成基礎油分類中，單一產量最大宗且產品特性和應用範圍寬廣的合成基礎油。其中作為潤滑應用的基礎油只不過是總數的十分之一而已。多元醇有多種產品和特性其名稱如：

 

 

‧聚烯烴二醇醚
‧ 聚氧化烯烴二醇
‧ 聚二醇醚
‧ 聚醚Poly-ethers
‧ 二醇

Poly-alkylene glycols ethers
Poly-oxy-alkylene glycols
Poly-glycol ethers
Poly-ethers
Glycols

 

其中聚烯烴二醇醚Poly-alkylene glycols ethers是用作潤滑油最主要的物質，結構比較簡單的如乙二醇Ethylene glycol則作為液壓煞車油。多元醇是聚合物由環氧乙烷Ethylene oxide（EO），環氧丙烷Propylene oxide（PO），或其衍生物產生。主要的原料為乙烯或丙烯，經氧化過程而產生環醚或烯烴基，這些產物再和醇類聚合而形成二醇類的長鏈組分。它的黏度則按鏈結的長度而增加。如果將環氧乙烷（EO），環氧丙烷（PO）所得的醚類按不同的比率混合在一起，對其他液體的溶解性有深遠的影響。例如：

 

 

‧EO:PO = 4:1
‧EO:PO = 1:1
‧EO:PO = 0:1

溶於水，不溶於碳氫
溶於冷水，溶於醇及二醇醚，不溶於碳氫
不溶於水，有條件溶於碳氫

 

上述的比較說明不同類型多元醇的不同應用於:抗凍劑，煞車液，水基液壓油，碳氫氣體壓縮機潤滑油等。

3.1 多元醇的特性：

‧黏度指數VI相當高，通常都高於150。
‧ 牽引係數低。
‧ 高溫的應力作用下，多元醇會分解成氣態的組分。
‧ 低溫流動性良好，流動點約在-20℃至-50℃之間。
‧ 高溫及氧化穩定性平平，可藉由添加劑來強化。
‧ 和礦油及添加劑不易相容，通常少量用以為礦油?配使用。
‧ 會侵蝕漆類和油封材料。
‧ 按乙烯及氧化丙烯的比率，和水或油的溶解性會有不同。

3.2 多元醇在潤滑油的應用：

 

 

‧ 齒輪油
‧ 防火性液壓油
‧ 壓縮機油
‧ 引擎的冷卻液

如：Mobil Glygoyle, Mobil Glygoyle HE系列
如：Mobil Nyvac FR 200（二甘醇Diethylene Glycol）
如：Mobil Glygoyle
如：Mobil Coolant

 

4. 磷酸酯Phosphate Esters（Phosphoric Acid Esters）

第四個主要類型為磷酸酯，通常用作防火性液壓油的用途，由烷基酚（酚類是苯吸附單醇類的化合物）和氧氯化磷（POCl3）反應產生。磷酸酯這類型合成基礎油按苯基所吸附的族群可分成三芳基磷酸酯、三烷基磷酸酯、及混合烷芳基磷酸酯。

4.1 磷酸酯的特性：

‧氧化穩定性普通至良好。
‧ 水解穩定性平平。
‧ 分解產生腐蝕性的磷酸物質。
‧ 侵蝕漆類和油封。
‧ 油體的穩定溫度：
‧ 三芳基磷酸酯150℃~180℃
‧ 烷芳基磷酸酯90℃~120℃

4.2 磷酸酯在潤滑油品的應用：

 

‧ 防火性液壓油

如：Mobil Pyrogard 53

 

5. 其他的合成潤滑油：

合成基礎油除了上述常見的四大類型以外，尚有幾種較為特殊的合成基礎油，成本高昂，少數的特定應用範圍，是各專業化學公司所經手的產品，分別簡述如下：

5.1 矽油Silicones
矽油是存在相當久的一種合成油。黏度指數VI相當高，可達300或更高。化學上屬於惰性、無毒、防火性、防水性和低揮發性。高溫及氧化穩定性優異。然而如果氧化產生，其矽氧化產物如磨料顆粒，極具磨損力。矽油的潤滑特性不佳，因為它的表面張力低，會快速廣泛的擴散覆蓋金屬表面，無法建立有效的潤滑油膜，因而產生較大的遲滯摩擦力量。即使高壓條件下，黏度變化少，潤滑油膜仍舊不足，抗磨保護效果不佳。 矽油可作為高溫滑脂的基礎油。壓縮性較高及黏度溫度變化小，可作為液態彈簧、扭力減震或儀表油使用。車輛油品方面作為符合軍方規格的煞車液及冷卻風扇的離合器油。在化學及潤滑油工業方面用作消泡劑。

5.2 矽酸酯Silicate Esters
矽酸酯具有非常優異的高溫穩定性及黏-溫特性。其缺點為吸濕性較高。可用作熱傳油、絕緣油、減震油和武器的潤滑使用。

5.3 聚苯醚Polyphenyl Ethers
聚苯醚具有優異的高溫特性、低揮發性及抗幅射能力。氧化穩定性直逼300℃，自燃點高達500℃。低溫和黏溫性較差。通常混合其他基礎油作為特殊環境的運用，少數用於高真空泵。

5.4 鹵化液Halogenated Fluids
碳氫有機化合物中氫部分被氯或氟置換所產生的衍生物作為潤滑劑。其特性為化學惰性且不可燃，優異的溶劑穩定性。極優異的高溫及氧化穩定性，甚至在液態氧的催化下仍無反應。揮發性極低。密度大高出礦油甚多。黏溫性較差，黏度受低溫影響變化大。潤滑性佳，具有高負荷效能。
這類型的合成油在純氧中不會燃燒爆炸，可作為氧氣壓縮的潤滑劑，對腐蝕性氣體或物質的潤滑劑或隔離緩衝液。密度高、高溫穩定及抗幅射能力，可作儀表油和其他高科技應用。

6. 使用合成潤滑油注意事項

6.1 由礦物油轉換成合成油的使用：
在上述各項合成油的特性裡頭，油封材質的相容性是一個重要的訊息。因為和礦油不同的是，各類型的合成油對特定的油封材質會有相容性的問題。所以新設備在加入選定的合成油之前，或者原先使用礦油的潤滑系統於改換合成油之前，應該檢視其中所用的油封材質和即將使用的合成潤滑油之間的相容性，確定無誤之後再進行油品的更換。爾後會整理常見的油封材質和適用的合成潤滑油表列供作參考。
同時需確定設備製造廠所要求的潤滑油品系統清淨度。配合專業的協力廠家，確實的按步驟並使用選定的合成潤滑油品作為沖洗油進行沖洗的工作，以除去系統加工或運轉時所殘留的顆粒或污染物。沖洗作業進行的時候，需按時檢查並更新過濾器，直到油品達所要求的清淨程度。
必要時可以在設備機台上放置說明的標示，以提醒現場作業人員該系統已使用某合成潤滑油品作為沖洗和潤滑。 有些機台的油槽內部塗有環氧樹脂之類的覆蓋層，則應該檢視濾芯裡頭所捕捉的細微碎屑是否從這些覆蓋層脫落。因為有些合成潤滑油會和漆類及彈性聚合物反應並溶解。

6.2 油品的管理和儲存：
積極有效的潤滑油品儲存和管理可以發揮最高的效益且精簡勞務和成本合成潤滑油比起一般的礦油價格高出許多更應加以注意避免浪費損失
下列基本的準則可以確保高品質的滑油從生產工廠直到使用的機台潤滑系統裡頭:

‧ 潤滑油的倉儲環境應選擇陰涼處胡且避免灰塵。
‧ 潤滑油避免儲存在極端高溫（酷暑的鐵皮貨櫃）或低溫（寒冬室外）。
‧ 桶裝油品應存放室內以免雨淋日晒。
‧ 在開放空間油桶應水平存放。
‧ 油桶上的產品標籤應保持清晰避免油污。
‧ 不要以用過的空油桶分裝或暫時存放油品。
‧ 每一種油品都應有專有的容器且勿混用。
‧ 桶蓋應隨時保持密閉的狀況。
‧ 使用適當的抽油器及工具取油或滑脂，使用前後要擦拭乾淨。
‧ 使用適當的標示區分油桶以避免人為疏失造成油品誤用。
‧ 確實執行先進先出以避免產品超過效期。
‧ 使用合成潤滑油的機台設備應該用設備標籤標示清楚。