روغن‌های پایه سنتزی، که در تولید روانکارهای سینتتیک استفاده می‌شوند، از ترکیبات شیمیایی خاصی ساخته می‌شوند که معمولاً مشتق شده از نفت خام هستند.این روغن‌های پایه از طریق واکنش های شیمیایی ترکیبات مختلف با وزن مولکولی پایین ساخته می‌شوند تا محصولی با خواص مورد نظر به دست آید.بنابراین، برخلاف روغن‌های نفتی که مخلوط‌های پیچیده‌ای از هیدروکربن‌های طبیعی هستند، روغن‌های پایه سنتزی ساخت بشر بوده و دارای ساختار مولکولی کنترل‌شده با خواص قابل پیش‌بینی هستند.هر یک از روغن‌های پایه سنتزی اصلی از نظر خواص شیمیایی و فیزیکی، ساخت و تولید، شیمی، خواص کلیدی، کاربردها و اثرات آنها هنگام استفاده در محیط زیست توصیف شده‌اند.
بسیاری از ترکیبات به عنوان روغن‌های پایه احتمالی برای روانکارهای سنتزی مورد بررسی قرار گرفته‌اند، در سال 1962 بیش از 25 مورد شناسایی شدند که هشت نوع از آنها اهمیت عمده‌ای دارند و در این متن مورد بررسی قرار می‌گیرند:
1. هیدروکربن‌های سنتز شده (پلی آلفا اولفین‌ها)
2. استرهای آلی (دی‌استرها و پلی‌ال استرها)
3. پلی گلیکول‌ها
4. فسفات استرها
5. سیلیکون‌ها
6. پلی بوتن‌ها
7. آروماتیک‌های آلکیله
8. مخلوط‌ها
چهار روغن پایه اول بیش از 90 درصد از روغن‌های سنتزی مورد استفاده در سراسر جهان را تشکیل میدهند.سه روغن پایه اول فقط حاوی اتم‌های کربن، هیدروژن و اکسیژن هستند.دو روغن پایه اول بیشترین اهمیت را برای مهندسان ماشین‌آلات در کارخانه‌های مدرن دارند.
روغن‌های هیدروکربنی سنتزی
روغن‌های هیدروکربنی سنتزیکه دارای پایه پلی آلفا اولفین (PAO) هستند، بسیاری از بهترین خواص روانکاری روغن‌های نفتی را ارائه میدهند، در حالیکه معایب آنها را ندارند. حتی بهترین روغن‌های معدنی حاوی موم‌هایی هستند که در دمای پایین ژل می‌شوند و اجزایی دارند که در دمای بالا تبخیر می‌شوند یا به راحتی اکسید می‌شوند. روغن‌های پایهPAOاز طریق ترکیب شیمیایی آلفا اولفین‌های خطی با وزن مولکولی پایین متفاوت ساخته می‌شوند تا محصولی با خواص فیزیکی مورد نظر به دست آید.آنها شبیه به روغن‌های پارافینی شاخه‌دار متقاطع معدنی هستند زیرا از کربن و هیدروژن کاملاً اشباع شده تشکیل شده‌اند.این ترکیباتسنتزی دارای ساختار مولکولی کنترل‌شده با خواص قابل پیش‌بینی هستند.آنها در چندین گرید ویسکوزیته موجود هستند و از محصولات برای کاربردهای دمای پایین تا آنهایی که برای مصارف در دمای بالا توصیه می‌شوند، متغیر هستند.این ترکیبات به دلیل پایداری هیدرولیتیکی، پایداری شیمیایی و سمیت پایینشان مورد توجه هستند.
چندین روش برای الیگومریزاسیون آلفا-اولفین‌ها مورد بررسی قرار گرفته است، که مهم‌ترین آنها فرآیندهای رادیکال آزاد، کاتالیست زیگلر و کاتالیست کاتیونی فریدل-کرافتس هستند. پس از الیگومریزاسیون، محصولات غیر اشباع از مخلوط واکنش جدا می‌شوند، مونومر ناخواسته حذف می‌شود و سپس واسطه با استفاده از کاتالیست‌های نیکل یا پالادیوم ساپورت شده هیدروژنه می‌شود. با روشتقطیر گریدهای ویسکوزیته مورد نیاز به دست می آیند، که معمولاً 2، 4، 6 یا 8cStدر دمای 100 درجه سانتی‌گراد هستند.
استرهای آلی
استرهای آلی از نوع دی‌اسید یا پلی‌ال هستند. دی‌اسیدها دارای ویسکوزیته پایدار در برابر برش در محدوده دمایی گسترده‌ای (90- درجه فارنهایت تا 400 درجه فارنهایت) میباشند. همچنین استحکام بالای فیلم روغن، خواص مرطوب کنندگی فلز و فشار بخار کم در دماهای بالا از جمله ویژگی های این ترکیبات هستند.آنها به راحتی افزودنی‌ها را می‌پذیرند و استفاده از آنها را در بسیاری از کاربردهای تجاری و به ویژه به عنوان روانکارهای کمپرسور افزایش میدهند.
پلی‌ال استرها دارای بسیاری از مزایای عملکردی استرهای دی‌اسید هستند و می‌توانند حتی در دماهای بالاتر استفاده شوند. آنها عمدتاً به عنوان روانکارهای دمای بالا، برای توربین‌های صنعتی و در برخی کاربردهای هوافضا استفاده می‌شوند.
اثر مستقیم گروه استر بر خواص فیزیکی یک روانکار، کاهش فراریت و افزایش نقطه اشتعال است که ناشی از گشتاورهای دوقطبی قوی به نام نیروهای لاندن است که روانکار را به هم متصل می کند. حضور گروه استر همچنین بر سایر خواص از جمله موارد پایداری حرارتی، پایداری هیدرولیتیکی، حلالیت، روانکاری و زیست تخریب پذیری اثر گذار است.
پلی گلیکول‌ها
پلی گلیکول‌ها یکی از اولین روانکارهای سنتزی توسعه‌یافته بودند.پلی گلیکول‌ها را می‌توان از اتیلن اکسید، پروپیلن اکسید یا مخلوطی از هر دو تولید کرد. پلیمرهای پروپیلن اکسید در هیدروکربن محلول و در آب نامحلول میباشند، در حالی که اتیلن اکسید در آب محلول و در هیدروکربن نامحلول هستند.در بسیاری از کاربردها، خواص فیزیکی محصول نهایی را می‌توان با تنظیم نسبت اتیلن اکسید و پروپیلن اکسید در ساختار مولکولی نهایی مهندسی کرد.
پلی گلیکول‌ها دارای ویسکوزیته و خواص دمایی عالی هستند و در کاربردهایی از 40- درجه فارنهایت تا 400 درجه فارنهایت استفاده می‌شوند و تمایل کمی به تشکیل لجن دارند.کاربرد اصلی روانکارهای پلی گلیکول در کمپرسورهایی است که گازهای هیدروکربنی را کنترل می‌کنند.این به دلیل خواص رقیق‌کنندگی غیر هیدروکربنی ذاتی در پلی گلیکول‌ها است.تمایل پلی گلیکول‌ها به آب منجر به جداسازی ضعیف از آب می‌شود.
آلکیل آروماتیک‌‌ها
سه نوع آلکیل بنزن برای استفاده به عنوان روغن‌های پایه یا در ترکیب با آنها در دسترس هستند:
1) دی آلکیل بنزن‌های تولید شده به عنوان محصول جانبی در تولید دودسیل بنزن خطی یا تری‌دسیل بنزن، خوراک سولفوناسیون برای تولید مواد شوینده آنیونی
2) دی آلکیل بنزن‌های تولید شده از این آلکیلات‌های شوینده در واکنش بیشتر با آلفا-اولفین‌ها
3) آلکیل آروماتیک‌های سنتز شده از بنزن و اولفین‌های زنجیره کوتاه مانند پروپیلن
ویژگی‌های این روغن‌ها که به صورت جداگانه یا در ترکیب با هم آنها را برای کاربردهای خاص مناسب می‌سازد ترکیب شیمیایی بدون گوگرد، نقطه ریزش کم، پایداری حرارتی خوب در مقایسه با روغن‌های معدنی است.علاوه بر این، آلکیل آروماتیک‌های سولفونه شده، مانند نوع3در بالابه عنوان نمک‌های سدیم، امولسیفایر در مایعات فلزکاری و به عنوان دترجنت در روغن‌های موتور خودرو استفاده می‌شوند.
پلی بوتن
پلی بوتن ها که در روانکارها مورد استفاده قرار می گیرند، عمدتاً از ایزوبوتن تشکیل شده اند و اغلب به عنوان پلی ایزوبوتن یا "PIBs" شناخته می شوند. در مقایسه با سیالات پلی اولفینی با ویسکوزیته برابر، پلی بوتن ها دارای خواص فیزیکی متفاوتی نسبت به PAO ها هستند که معمولاً از آلفا-اولفین های با زنجیره مستقیم و وزن مولکولی بالاتر سنتز می شوند. پلی بوتن های با وزن مولکولی پایین در مواردی استفاده می شوند که قابلیت تجزیه و سوختن کامل آنها بدون باقی ماندن رسوب، مزیت محسوب می شود. پلی بوتن ها به عنوان هیدروکربن ها، با روغن های معدنی بر اساس اصل "مشابه در مشابه حل می شود" سازگار بوده و دارای خواص ترشوندگی فلز خوب و استحکام بهبود یافته فیلم روغن هستند. پلی بوتن ها دارای طیف گسترده و متنوعی از کاربردها هستند. در کاربردهای روانکاری، آنها به عنوان بهبود دهنده شاخص ویسکوزیته(VII)، و در سنتز متفرق کننده ها، مانند سوکسینیمیدهایPIB، مورد استفاده قرار می گیرند.
در ویسکوزیته یکسان، پلی بوتن در مقایسه با PAO و استر، دارای فراریت بیشتر، مقاومت کمتر در برابر اکسیداسیون و شاخص ویسکوزیته پایین‌تری است. این امر محدودیت‌های پلی بوتن را به عنوان یک روغن پایه سنتزی واقعی نشان می‌دهد. به عنوان مثال، استفاده از پلی بوتن با ویسکوزیته پایین به عنوان روغن پایه برای روغن‌های موتور محفظه میل‌لنگ مناسب نیست. پلی بوتن ها به عنوان سیال پایه اصلی برای روغن‌های دو زمانه، روانکارهای کمپرسور پلی اتیلن فشار قوی، روانکارهای فلزکاری و گریس‌های تخصصی استفاده می‌شوند. در این کاربردها نیاز اصلی، دود کم، رسوب کم یا سمیت پایین است، در حالی که فراریت و مقاومت در برابر اکسیداسیون از اهمیت کمتری برخوردار هستند. در سطوح دیگر، گریدهای ویسکوزتر پلی بوتن در تنظیم ویسکوزیته و بهبود شاخص ویسکوزیته و برای ایجاد چسبندگی، خاصیت ارتجاعی برای گریس‌ها و روغن‌های خودرویی و صنعتی کم مصرف استفاده می‌شوند.
فسفات استرها
فسفات استرها، استرهای آلی هستند که در صورت استفاده با افزودنی‌های به دقت انتخاب‌شده، گروهی از روغنهایسنتزی را تشکیل میدهند که می‌توانند در مواردی که مقاومت در برابر آتش مورد نیاز است، استفاده شوند.حتی در صورت اشتعال، فسفات استرها فقط در صورتی به سوختن ادامه میدهند که شرایط شدید مورد نیاز برای احتراق حفظ شود.برخی از فسفات استرها در حضور رطوبت و گرما کمتر پایدار هستند.محصولات ناشی از تخریب این روغن‌ها، خورنده هستند و به رنگ‌ها و لاستیک‌ها حمله می‌کنند. شاخص ویسکوزیته (VI) ضعیف، محدوده دمای عملیاتی را برای فسفات استرها محدود می‌کند.
سیلیکون‌ها
سیلیکون‌ها سال‌هاست که وجود دارند و مزایای متعددی به عنوان روانکار ارائه میدهند.سیلیکون‌ها مقاومت عالی در برابر حرارت، پایداری اکسیداسیونی مناسب و فراریت کم دارند.سیلیکون‌ها از نظر شیمیایی بی اثر هستند و سازگاری الاستومریخوبی دارند.خواص روانکاری ضعیف فلز_فلز و هزینه بالا، استفاده از آنها را به کاربردهای تخصصی محدود می‌کند که در آن خواص منحصر به فرد و عملکرد بالای آنها مورد نیاز است.
مخلوط روانکارهای سنتزی
مخلوط روانکارهای سنتزی با یکدیگر یا با روانکارهای نفتی نتایج سینرژیکی قابل توجهی دارند.در حقیقت، بسیاری از روانکارهای سنتزی که فروخته می‌شوند، از مخلوطی از دو یا چند ماده پایه برای افزایش خواص محصول نهایی تشکیل شده‌اند.
روانکارهای سنتزی از اواخر دهه 1950 به طور پیوسته در صنعت مورد استفاده قرار گرفتند.امروزه در بسیاری از کاربردها، این دسته از روانکارهابرای سازندگان کمپرسور شناخته شده هستند.این امر به ویژه در کمپرسورهای هوای پیچشی و پره‌ای چرخشی صادق است.
در حالی که بیشترین موارد کاربرد صنعتی روغن ها در زمینه کمپرسور هوا بوده است، بسیاری از کاربردهای صنعتی دیگر نیز از نظر اقتصادی قابل توجیه هستند.روانکارهای سنتزی در حال حاضر در کمپرسورهایی که موادی متنوع مانند آمونیاک، هیدروژن، گازهای هیدروکربنی، گاز طبیعی، هیدروژن کلرید، نیتروژن و بسیاری دیگر را فشرده سازی می‌کنند، استفاده می‌شوند.
روانکارهای سنتزی محدود به کمپرسورها نیستند، بلکه در جعبه‌دنده‌ها، پمپ‌های خلا، شیرها، پمپ‌های دیافراگمی و سیستم‌های هیدرولیک نیز استفاده می‌شوند.روانکارهای سنتزی در کاربردهایی که نیاز به روانکاریکارآمدتر و ایمن‌تر دارند یا شرایط محیطی که استفاده از محصولات با روغن پایه معدنی غیرممکن است، استفاده می‌شوند.
خواص و مزایای روغن‌های سنتزی
روانکارهای سنتزی بسیاری از بهترین خواص روانکاری روغن‌های معدنی را ارائه میدهند اما معایب آنها را ندارند. در حقیقت، سنتتیک‌ها دارای مزایای زیر نسبت به روانکارهای معدنی هستند:
• پایداری حرارتی و اکسیداسیونی بهبود یافته
• مشخصات ویسکوزیته-دمای مطلوب‌تر
• ویژگی فراریت کمتر
• انتقال حرارت بهتر
• نقطه اشتعال و دمای احتراق خودکار بالاتر
تجربه به وضوح نشان می‌دهد که این مزایا منجر به مزایای اقتصادی زیر می‌شوند:
• افزایش عمر روانکار (معمولاً چهار تا هشت برابر بیشتر از روغن‌های معدنی)
• مصرف کمتر روانکار به دلیل فراریت کم آن
• کاهش تشکیل رسوبات در نتیجه پایداری اکسیداسیونی دمای بالای خوب
• افزایش محافظت در برابر سایش منجر به کاهش تعمیر و نگهداری
• کاهش مصرف انرژی به دلیل افزایش راندمان روانکاری
• کاهش خطر آتش‌سوزی
روغن‌های پایه سنتزی، در حالی که بسیاری از ویژگی‌های مورد نیاز برای روانکاری خوب را دارند، برای استفاده مطلوب نیاز به تقویت با افزودنی‌ها دارند.یک فرمولاتور باتجربه طیف وسیعی از نیازمندی‌ها را در نظر می‌گیرد:
متفرق کننده ها
نگهداری ذرات تشکیل‌دهنده رسوب نامحلول در روغن که به صورت داخلی و خارجی تولید می‌شوند، مهم است. این مکانیسم، تمایل به تشکیل رسوبات در مناطق کلیدی ماشین‌آلات را کاهش می‌دهد.افزودنی‌هایی که ویژگی‌های پراکندگی را القا می‌کنند، "متفرق کننده ها" و "پاک کننده ها" نامیده می‌شوند. یک متفرق کننده با این مشخصه از یک پاک کننده متمایز می‌شود که غیرفلزی است، هنگام سوختن روغن خاکستر باقی نمی‌گذارد و می‌تواند مقادیر بیشتری از آلاینده‌ها را در حالت تعلیق نگه دارد.
محافظت از سطح فلز در برابر زنگ زدگی و خوردگی
باید از زنگ زدگی رطوبتی و خوردگی اسیدی برای عمر طولانی سطح جلوگیری شود.فیلم روغنی مفید است، اما این فیلم به راحتی در سطح فلز توسط قطرات آب و اجزای اسیدی جایگزین می‌شود.افزودنی‌هایی که تمایل بیشتری به سطح فلز نسبت به آب یا اسید دارند، در روغن‌ها برای جلوگیری از زنگ زدگی و خوردگی استفاده می‌شوند و معمولاً "بازدارنده های زنگ زدگی" نامیده می‌شوند.
پایداری اکسیداسیون
روغن‌ها در حین استفاده، به ویژه در شرایطی که در معرض جو قرار دارند یا اکسیژن وجود دارد، تمایل به غلیظ شدن دارند. این پدیده از نظر شیمیایی "اکسیداسیون" نامیده می‌شود.
اکسیژن با مولکول روغن واکنش داده و یک واکنش زنجیره‌ای را آغاز می‌کند که باعث بزرگ‌تر شدن مولکول شده و در نتیجه سیالیت را کاهش می‌دهد.شرایطی که به فرآیند اکسیداسیون کمک می‌کنند عبارتند از گرما، مواد شیمیایی کاتالیز کننده اکسیداسیون و هوادهی.افزودنی‌هایی که فرآیند اکسیداسیون را کند می‌کنند، "بازدارنده های اکسیداسیون" یا "آنتی اکسیدانت" نامیده می‌شوند.
جلوگیری از سایش
به طور اجتناب‌ناپذیری، سطوح فلزی روانکاری شده با هم تماس پیدا می‌کنند.هر زمان که سرعت حرکت نسبی به اندازه کافی کم باشد، فیلم روغن در جای خود باقی نمی‌ماند.این مورد همچنین می‌تواند در صورتی اتفاق بیفتد که بارگذاری روی یکی یا هر دو سطح به گونه‌ای باشد که فیلم روغن تمایل به خارج شدن داشته باشد.هنگامی که سطوح فلزی متحرک با هم تماس پیدا می‌کنند، برخی از ذرات سایش جابه‌جا می‌شوند و سایش آغاز می‌شود. افزودنی‌هایی که یک فیلم محافظ روی سطوح تشکیل میدهند، "افزودنی سایش" نامیده می‌شوند.
بهبوددهنده‌های شاخص ویسکوزیته
بهبوددهنده‌های شاخص ویسکوزیته جهت بهبود روابط ویسکوزیته/دما، یعنی کاهش تأثیر دما بر تغییر ویسکوزیته، عمل می‌کنند.
آنتی فوم ها
آنتی فوم ها( ضدکف ها) به حباب‌های هوای به دام افتاده اجازه میدهند تا زمانی که به سطح روغن می‌رسند، راحت‌تر فرو بریزند.آنها از طریق کاهش کشش سطحی فیلم روغن عمل می‌کنند.
سورفکتانت‌ها
سورفکتانت‌ها (مواد فعال سطحی ) توانایی روغن را برایتماس با سطح فلز بهبود می‌بخشند.
عوامل قلیایی
عوامل قلیایی، قلیائیت ( خاصیت بازی) روغن‌هایی که این ویژگی برای آنها مطلوب است، فراهم می‌کنند.
منابع:
1) H.P. Bloch, K.E. Bannister (2016), Practical lubrication for industrial facilities: Chapter 7. Synthetic lubricants (CRC Press)
2) R. M. Mortier, M. F. Fox, S. T. Orszulik (2010), Chemistry and Technology of Lubricants: Part I. base oils (Springer)
