Разложившийся «элемент»

Для того, чтобы понять что такое разложение масла необходимо хорошо понимать фундаментальные основы получения смазочного материала. Как известно, большинство смазочных масел содержат базовую основу - или минеральную, или синтетическую, и присадки, которые используются, чтобы улучшить существующие свойства базового масла, предупредить нежелательные свойства масла или добавить некоторое новое положительное свойство готовому смазочному материалу. В зависимости от вида смазочного материала, концентрация присадок может быть в пределах от 0,1 процента к 0,3 проценту для турбинного масла, и до 30 процентов для моторных масел, например, в маслах для высокомощных дизельных двигателей. Проблема разложения масел лежит в плоскости двух проблем – разложение базового масла и срабатывание присадок.

Как минеральные, так и синтетические углеводородные базовые масла разлагаются вследствие действия следующих четырех механизмов: окисления, термической деструкции, давления при высоких температурах (высокотемпературного напряжения) и гидролиза. Все механизмы являются результатом изменений молекул базового масла на основе законов фундаментальной химии. Однако изменения, которые происходят, часто различны по своей химической природе, что подтверждается результатами исследований отработанного масла. По этой причине, очень важно знать какая вероятность протекания того или иного механизма.

Окисление – это наиболее общий химический процесс, не только в химии смазочных материалов, но и в природе в целом. Окисление - химическая реакция молекулы масла с кислородом, который присутствует в окружающем или поступающем воздухе. Окисление масла не имеет никаких отличий от других обычных реакций окисления, например ржавления. Точно так же, как ржавления и другие коррозионные процессы влияют на замену металлических элементов, окисления смазывающих материалов, приводит к катастрофической и постоянной химической реакции в молекулах базового масла. В случае окисления масла, реакция приводит к последовательному добавлению кислорода к молекулам базового масла, с образованием множества химических соединений, включая альдегиды, кетоны, гидроперекиси и карбоновые кислоты. Скорость, с которой молекулы базового масла вступают в реакцию с кислородом, зависит от ряда факторов. Возможно наиболее критический - температурный. Подобно многим химическим реакциям, скорость окисления увеличивается по экспоненте с увеличением температуры. Для большинства минеральных масел, скорость окисления увеличивается в два раза для каждых 10 C при увеличении температуры выше 75 C. Из-за этого, синтетические масла часто предпочитаются для высоких температурных применений, чтобы предотвратить быстрое окисление масла. Следует также обращать внимание на тот факт, что минеральные базовые масла должны содержать как можно меньшее количество ароматических соединений. Вследствие того, что ароматические соединения менее устойчивые, нежели парафиновые молекулы они более склонны к насыщению кислородом. Поэтому процесс окисления для таких базовых масел будет происходить быстрее, что приведет к деструкции молекул масла. Тщательно управляя химической структурой молекул базового масла, производители базовых масел (например, базовых масел гидрокрекинга или синтетических – полиальфаолефинов) могут ограничивать количество активного водорода и атомов углерода, и, следовательно, улучшать полную окислительную устойчивость базового масла.

Продукты окисления масла могут привести к непредсказуемым последствиям. Наличие карбоновой кислоты может вызывать кислотную коррозию. Увеличение кислотного числа, что косвенно говорит об усилении окисления масла, обычно предвещает формирование шлака и нагара. Шлак и нагар образовываются, когда кислородсодержащие побочные продукты реакции, типа гидроперекисей и карбоновых кислот, объединяются, чтобы образовывать большую молекулярную разновидность. Когда множество таких молекул объединяется, процесс называется полимеризацией и приводит к формированию больших молекул с большим молекулярным весом. Поскольку вязкость масла прямо связана с размером молекул, любая степень полимеризации приведет к увеличению вязкости. Полимеризация может продолжиться до такой степени, что твердый материал – шлак и нагар будут образовываться в масле в большом количестве. При этом молекулы станут слишком большими, чтобы оставаться жидкостью.

Термическая деструкция и высокотемпературное напряжение встречаются гораздо реже, чем окисление. Термическая деструкция обычно происходит, когда базовое масло входит в контакт с горячими поверхностями в пределах смазанного участка. Внезапное и быстрое увеличение температуры может происходить из-за адиабатического сжатия пузырей вовлеченного воздуха в насосах, подшипниках и других герметичных окружающих средах смазки. Когда это происходит, слой масла, которое входит в контакт с горячей поверхностью механизма, или пузырь сжатого воздуха может химически изменять молекулы масла. Термическая деструкция происходит при температурах более 200 C. В случае высокотемпературного напряжения необходимо давление на 250 psi выше атмосферного давления. Поскольку термическая деструкция обычно происходит в отсутствии значительных количеств кислорода, то такие же побочные продукты как при окислении не обнаруживаются. Однако, термическая деструкция приводит к взаимодействую материалов поверхностей с маслом, как в форме физического взаимодействия, так и химическим реакциям.

При некоторых обстоятельствах, где тепловое нагревание серьезно и длительно, молекулы базового масла могут образовывать горячие трещин. Образование горячих трещин можно представить как “разъедание” углеродистой основы атомов масла. Поскольку вязкость масла прямо связана со средним размером молекул, то обильное образование горячих трещин может приводить к снижению вязкости масла.

Гидролиз – это просто химическая реакция молекулы базового масла с водой. Точно так же как окисление, гидролиз базового масла приводит к постоянной химической реакции в молекуле базового масла, и, следовательно, изменение в его химических и/или физических свойствах. Базовые масла типа сложных эфиров наиболее склонные к гидролизу. Их химические связи делают сложные эфиры потенциально восприимчивыми к гидролизу при определенных обстоятельствах, приводя к распаду связи сложного эфира. В этом случае возникают побочные продукты реакции, такие как кислоты. А они, не только причиняют увеличение коррозионности масла, но и могут также катализировать дальнейшую реакцию.