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| 第二章 石油及合成基潤滑油脂 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 石油基潤滑油脂之來源與製造│各種石油基潤滑產品簡介│合成液體潤滑油│潤滑脂
→ 合成油的起源 合成 基礎油的分類 合成油的混合 各類合成油與礦物油的比較與使用效益 合成油的應用與建議
合成基礎油按組成的物質可以分成下列五類: ● 合成碳氫化合物類 (Synthesized Hydrocarbon Fluids - SHFs) ● 有機酯類 (Organic esters) ● 聚乙二醇類 (Polyglycols) ● 磷酸酯類 (Phosphate esters) ● 其他合成潤滑液 (Other synthetic lubricating fluids) 前四類的總用量約超過目前合成油使用量的九成，第五類合成油一般是使用在特殊的用途而使用量也較少所以價格昂貴，例如：矽類油(Silicones)、矽酸酯(Silicate esters)、聚苯基醚(Polyphenyl ethers)、過氟烷多醚類 (Perfluoroalkyl Polyethers - PFPE)、氟碳油(Fluorocarbon) 等。 將各類合成油詳述如下: 1. 合成碳氫化合物類 (Synthesized Hydrocarbon Fluids - SHFs) 本類合成油乃成長最快速的合成油，它是由原油所衍生的物質製造出的純碳氫化合物，用量較多的有聚-α-烯烴(Polyalphaolefins- PAOs )、烷基芳香烴(alkylated aromatics)、聚丁烯(polybutenes)，用量少較特殊的有環脂族基油(cycloaliphatics)。 A. 聚-α-烯烴（Polyalphaolefins- PAOs） 一般由低分子量的乙烯組合成烯烴(olefin)，再經由低聚合反應(oligomerization)過程及氫化穩定而成。由於結構穩定所以有很高的黏度指數值(通常高於135)、優越的熱與氧化穩定性及低溫流動性、流動點極低、極佳的剪切力及水解穩定性、低揮發性、與礦物油可相容、與一般通用油封相容且不會引起澎漲、PAO已被廣泛的使用於車用與工業用合成油。PAO經常會與有機酯或與其他合成油混成合成基礎油用於製造引擎機油、齒輪油、循環油、液壓油、氣渦輪機油、空壓機油等，PAO也與礦物油調配成半合成油以提昇礦物油的性能。比起礦物油PAO還有兩項特別的優點：內磨擦較低所以有較低的拖曳係數( traction coefficients)、更高的氧化穩定性，所以廣泛使用於齒輪應用上，較低的拖曳係數比礦物油有較高的能源效率(可高達8%)，因有較高的氧化穩定性可以有更長的換油週期，若配合添加劑的調配在無污染物下換油週期可比礦物油延長六至八倍。它可調配為適用於溫度寬廣的液壓油、動力傳動油及熱媒油，PAO與無機類稠化劑如黏土調製的潤滑脂可適用於負載嚴苛的長效型滾動軸承，航空潤滑方面也廣泛使用此類合成潤滑脂。PAO也使用於現今通訊最重要的光纖纜線的保護膠體內，以阻絕溫度與溼度的侵害，在各類合成油中以PAO在近幾年成長最快，年增長率為10%左右。最新正在研發的聚內烯烴(Polyinternalolefins - PIOs)與PAO極為相似，都是由線型烯烴經低聚合反應與氫穩定而成，但不同的是PIOs 是以氫裂解的石蠟基礎油為原料製成故其成本將較低，目前尚未對PAO的市場優勢構成威脅。 B. 烷基芳香烴（Alkylated Aromatics） 將芳香烴，通常是苯，加以烷化也是合成碳氫化合物的重要來源。在苯與適當的烯烴如丙烯在催化劑的反應下製造出合成烷基苯( Alkylbenzenes)，此類油具優異的低溫流動性與低流動點，與礦物油比較其黏度指數值與VI值高的礦物油相當或更高些，揮發性較低，高溫氧化穩定性與水解穩定性均較佳，添加劑的溶解性也較佳，與礦物油可相容。此類合成油應用最廣的是在冷凍壓縮機油上，但也應用於引擎機油、齒輪油、液壓油、動力傳動油、空壓機油及氣渦輪機油等。 至於成本較低的二烷基苯(Dialkylbenzenes)也使用於不同的工業用途上，如變壓器油等。 C. 聚丁烯（Polybutenes） 雖然許多此類合成油應用在潤滑方面，但該類合成油有時並不以合成碳氫化合物類來討論。聚丁烯是丁烯與異丁烯經聚合反應而成，但因主要是包含異丁烯，所以也經常以聚異丁烯(Polyisobutenes- PIBs)來表示。其黏度指數值介於70與110之間，抗氧化能力較PAO與烷基芳香烴差些，在溫度超過200°C後，聚合體即開始解化而產生氣體物質，潤滑性普通，主要的用途在於絕原油應用上，例如地下高壓電纜油；也應用於二行程機油、鋁焠火前的壓滾與抽擠油、氣體壓縮機油、開放型齒輪油等。 D. 環脂族基油（Cycloaliphatics） 此合成碳氫化合油使用的數量較少，因具有高拖曳係數值可說是拖曳油的代名詞。其在高壓力下會形成如玻璃狀般的結構而傳遞剪切力，故可避免金屬接觸的熔接，現今主要的應用在於無段變速驅動上，藉由油剪切力的阻抗，而將力矩由驅動器傳遞到被驅動器上，因其較高的拖曳係數值可以比傳統油有較高的動力設定值，當傳統潤滑油會因速度及負荷狀況而使滾動軸承產生打滑的現象時，使用該油將可避免掉這種現象。 2. 有機酯類（Organic Esters） 有機酯類是含氧的化合物，由有機酸與醇反應而生成，它一直是一種重要的合成油，比其他合成油歷史更久遠，可追溯到二次大戰時德國用以補充礦物油的不足，1950年代時首次使用於航空噴射引擎上，也是現今基本上所有航空噴射引擎機油的合成油，兩種普遍使用的有機酯類有二元酸酯與多元酯。 A. 二元酸酯類合成油（Dibasic Acid Esters） 是由二元酸與一元醇或一元酸與二元醇反應製成，該二元酸酯類合成油具良好的金屬濕潤性，有高油膜強度、高熱氧化穩定性、高剪力穩定性，可溶解油內產生的沉積物使金屬表面清淨。該二元酯油其水解穩定性及防銹性能普通，如由不同種類的油品轉換成此類油時需先將系統洗淨，與礦物油可相容。該類合成油原為較老舊Type I噴射引擎機油所發展，適用於軍用噴射引擎，現今大都被多元酯類合成油所取代了。該二元酯油亦使用於車用引擎機油和空壓機油，也可用於航空用潤滑脂上。 B. 多元酯類合成油（Polyol Esters） 是由二元醇與一元酸反應製成。多元酯類合成油比二元酸酯類合成油有較佳的高溫穩定性，但低溫特性與水解穩定性則相當，黏度指數值與揮發性相當或略低些，對油漆較具侵蝕性，會使油封澎漲。該類合成油為 Type II噴射引擎機油所發展，但也適用於空壓機油，也與合成碳氫化合物類油調配使用，因為它有與氫氟碳(HFC) 冷煤相容的優點，現今也廣泛使用於冷凍壓縮機油上，對於使用無氯HFC的冷煤，如 R134a 的冷凍系統也可適用，也使用於對環境敏感的產品，例如需要使用可生物分解型的液壓油或潤滑油上。 3. 聚乙二醇類（Polyglycols） 聚乙二醇類油產品包括很廣，也具各種的特性，是現今最大的單一類組合成油，它有多種不同的名稱：有聚烯烴基二醇(Polyalkylene glycol -簡稱PAG)、多醚類(Polyethers)、聚乙二醇醚(Polygloycol ethers)、聚烯烴基二醇醚(Polyalkylene glycol ethers)等，後兩種說法就潤滑油而言是最完整且正確的。有少量簡單的乙二醇如乙烯與聚乙烯乙二醇也使用於煞車液上，聚乙二醇是由乙烯氧化物(ethylene oxide EO)及丙烯氧化物 (propylene oxide PO)，或他們的衍生物所組成的聚合物體，本類型聚合物的特性是欲得到良好的水溶性，但會因EO與PO此兩物質的比例不同產生不同的溶解性。因EO是親水性，而PO是親油性，如欲得到較佳的水溶性時，EO比愈大，其水溶性愈大，如欲兼具油溶性，PO也應有相當比例。例如EO：PO=4：1可溶於水，但不溶於碳輕化合物；EO：PO=1：1可溶於冷水、酒精及乙二醇酯，但不溶於碳輕化合物；EO：PO=0：1不溶於水，,但視狀況可溶於碳輕化合物。此也可解釋不同種類的聚乙二醇間的差異與不同的用途：包括車用抗凍液、剎車液、水性液壓液、碳氫氣壓縮機油、高溫軸承油等。除了乙烯氧化物與丙烯氧化物外，丁烯氧化物也用於製成聚乙二醇中，含特定的性質且可溶於油，但成本較高且其拖曳係數值也較低。聚乙二醇有一項優點是它在高溫氧化的狀況下可完全分解成揮發物，這使得在中至高溫條件下產生較少的油垢物，或在一些極高溫條件下完全沒有油垢物的產生。它有優越的黏溫特性，VI值通常在200左右，雖然在低溫下它的黏度要比其他合成油要增高些，但流動點相對是低的；高溫穩定性表現較不突出，在溫度超過150° C時即開始分解，但這可以加抗氧化劑來改善。它的熱傳導性高，通常與礦物油或適用於礦物油的添加劑並不相容，對油漆類具侵蝕性，油封澎漲性低，在液壓及煞車系統可使用天然或合成橡膠油封。對於溶水型的乙二醇類，油封的選擇要留意其是否是與水相容。即使是本身不含水的乙二醇液也可能會吸收空氣中的水氣，聚乙二醇的應用分成溶水型與非溶水型兩種，溶水型最大量的使用是在煞車液上，其他主要的應用有防火性液壓油或金屬加工液上。防火性液壓油是與水混合以提供它的防火性， 非溶水型聚乙二醇則應用於熱媒油或是某些工業用液壓油、高溫循環機油上，它也應用於螺旋型冷凍壓縮機或碳氫氣的壓縮機上。 4. 磷酸酯類（Phosphate Esters） 磷酸酯類也是一種常用的合成油，通常區分成烷基磷酸酯、芳基磷酸酯、烷基芳基磷酸酯三類磷酸酯，它是由磷氯化物與酚或醇反應而成。它的一項主要的特性是它比礦物油有更優越的防火性，它的潤滑性也極佳，特別是在鋼鐵面上。高溫穩定性普通，水解穩定性也僅普通，但它可以藉與環氧化物(epoxides)而提高，利用離子交換及真空脫水處理，水解現象可以消除。磷酸酯本身通常不具腐蝕性，但它的熱分解物具腐蝕性，雖然流動點與揮發性都低，但黏溫特性表現較差(低VI)，對油漆類也具侵蝕性，對很多油封具澎漲性，和礦物油的相容視其酯的不同有好與差的不同。它的比重是大於1的，如遭水污染，水是浮在油上的，也因此泵動損失會較一般比重低於1的油大些。它的成本較高，黏度也受到限制，而且只與少數密封材料如含氟彈性物、環氧樹脂及聚樹脂相容，由於相容性不佳及環保上的限制，此類合成油發展性不佳。磷酸酯類油的主要應用在於各類防火性液上，例如商用飛機的液壓油，及很多工業用防火性液壓油上；磷酸酯類油也可用於會產生高溫排氣的壓縮機上，以避免因使用傳統礦物油可能產生的火災或爆炸的情況，有一些磷酸酯也應用於潤滑脂或成為抗磨及減磨的添加劑。 5. 其他合成潤滑液 (Other synthetic lubricating fluids) A. 矽類油（Silicones） 矽類油是屬於較老的一種合成油，包括甲基矽油、乙基矽油、甲基苯基矽油、甲基氯苯基矽油等，它的結構也是一種聚合體，不過其中碳分子由矽分子取代而成。矽類油有很高的黏度指數值，有些高達300或更高，具低的流動點和良好的低溫流動性，化學穩定性高、無毒、具排水及防火性、揮發性低、油封膨脹性低、被壓縮性比礦物油佳、在非常高溫下仍具優異的熱氧化穩定性，如受氧化時其矽氧化物具有刮蝕性。一般矽類油一項主要的缺點是它的表面張力較低，使油易於在金屬尤其在鋼鐵表面上大量擴展，這使得有效的黏附性潤滑油膜不易形成，故邊界潤滑性極差。不幸的是矽類油也同時對於抗磨減磨的添加劑也不太相容，一些較新進發展的矽類油已出現改善這些缺失的曙光—利用它表面張力低易擴散的特性、卻也是碳氫油類理想的消泡劑。以矽類油為基礎油，可調配成適用於高溫及適用溫度寬廣的潤滑脂，它也可製成特殊的潤滑脂與潤滑橡膠物件，同時也非常適用於塑膠軸承的潤滑。利用它較佳的被壓縮性及黏溫特性，可製成適用於減震器內的液壓液，它也可製成煞車液及電閘與變壓器油，一些較新的矽類油也使用於壓縮機油。 B. 矽酸酯（Silicate Esters） 矽酸酯有極佳的熱穩定性，如添加適當的抗氧化劑也可表現很好的抗氧化性，具極優的黏溫特性，流動點低、揮發性低、潤滑性普通。矽酸酯使用受限的主要原因是它對水分解的阻抗能力較差，有少量的矽酸酯使用於熱煤油及介電體(dielectric)冷卻液，有一些特殊液壓油也以矽酸酯為基礎來調配。 C. 聚苯基醚類（Polyphenyl Ethers） 聚苯基醚類是有機物質，有極優的高溫特性及具潤滑油中最優越的抗輻射性，熱穩定性可高過800°F (450°C )，溫度提昇時仍具極優的抗氧化性，正常常溫下具有較高的黏度，卻影響了它的使用性，少量的聚苯基醚類使用於熱媒油及高真空泵浦油，或製成抗輻射潤滑脂。 D. 過氟烷多醚類（Perfluoroalkyl Polyetthers - PFPE） PFPE 的密度幾乎是烴類油的兩倍，它與大部分的其他油類不相容，具不燃性，有優良的黏溫特性與低流動點、水解穩定性極佳、化學惰性極佳，包括與橡膠材質的油封不會有化學作用；其剪切穩定性比其他聚合體潤滑， 但在鋼鐵表面與在邊際潤滑的狀況下表現則不良。因它具高熱與氧化穩定性及低溫特性，也能抗燃，非常適合於現今航太飛行器上使用；也因其優異的特性，也可使用於動力傳遞，當惰性液、變壓器或發電機內的電介質使用。此類合成油的製造成本極為高昂，幾乎是現今合成油最高者，約為礦物油的400 – 800倍。 E. 鹵化液（Halogenated Fluids） 以氯或氟或兩者組合物以取代部分的、或全體的碳輕化合物、或有機結構中的氫分子來製成的潤滑油。通常這種潤滑油具優異的化學穩定性和不可燃性，有一些具極佳的熱與氧化穩定性，即使在液態氧存在下也不會有反應。氯化烴類油(Chlorinated hydrocarbons)曾被廣泛的使用於絕緣油、熱煤油及液壓油上，但因環保問題，現已較少使用。氟氯碳油( Chlorofluorocarbons)具低腐蝕性，有良好的低黏度低溫流動性，潤滑性也不錯，但缺點是揮發性及黏溫性較差，主要是因為較大量的氟與氯分子影響分子間的附著力及長度不同的鍵所致，此類油對溶劑具優良的抗阻性，它們可用於防火性液壓油，也使用於氧氣壓縮機油，對於真空泵浦機操作具有腐蝕性物質或需抗溶劑的物質也以此為潤滑油。 F. 含氟油 包括全氟烴、氟氯碳、全氟聚醚、氟矽油等。為含有氟元素的合成潤滑劑，氟是最活潑的非金屬元素，能與大部分其它元素反應生成非常穩定的化合物。由於此類潤滑劑具有優異的化學惰性、不燃性及高密度等，含氟油的優點除化學穩定性特高之外，還有：熱氧化穩定性極佳、使用溫度範圍寬廣、蒸發性低、低溫流動性良好、抗磨性佳且可抗燃，與密封材料、塗料等相容性良好。其缺點為：黏溫特性普通、低表面張力、濕潤性差、抗腐蝕性不佳、添加劑溶解性差、與其他油不相溶、價格昂貴，主要應用於特殊用途如核工業和航空、軍事上等。合成潤滑劑具有特定的分子結構，性能較石油潤滑油優異。一般說來，合成潤滑油具有優良的黏溫性和低溫性，良好的高溫性和熱氧化穩定性，良好的潤滑性和低揮發性，以及其它一些特殊性能如化學穩定性和耐輻射性等，因而能符合各種嚴苛的使用要求。 但是各類合成油的性能又各具特色，有些合成油的某些性能並不能比礦物油強，其比較表見圖表14 由於合成潤滑劑之生產技術較複雜，使用的原料為化工原料或石油化工多次加工的產品，成本自然高昂，但是其使用可以保証最好的設備效益、節省能源動力和原材料消耗、延長設備壽命和檢修周期，綜合經濟效益反而高，因此在一般應用上，使用範圍日益普遍，不再限於某些特殊情況的應用了。 現今少有合成潤滑油僅包含單一類的基礎油料，因為混合兩種或更多種不同特性的基礎油可以達成更好的性能表現，同時有許多極性的合成油可與極性較弱的油混合扮演添加劑的角色。例如，酯類與合成碳氫油相混合，反之亦可。在某些黏度加厚的系統中，甚至兩種不相容的合成油也可以相混合，以進一步提昇它們的性能。例如，,合成碳輕油與PFPE或聚乙二醇類油相混合等。A. 性能 各類合成油的性能都各具有特色，有些性能如水解穩定性，添加劑的溶解性與油漆的相容性並不一定比礦物油強。下表做一綜合各性能的比較：表中數字代表: 1-優良 2-很好 3-好 4-普通 5-差
B. 使用效益 各類合成油均具有特定的分子結構，不含雜質與蠟，性能較礦物油優異。一般說來，合成油具有優良的黏溫性和低溫流動性、良好的高溫熱與氧化穩定性、良好的潤滑性和低揮發性、以及其它一些特性，如化學穩定性和耐輻射性，因而能符合各種嚴苛的使用要求。合成油比礦物油具有更好的使用效益包括： ● 油料的使用壽命延長，使換油週期延長。 ● 改善了熱及氧化穩定性，使操作溫度可提高。 ● 改善了揮發性，使油料損失降低，省油料。 ● 更具有彈性，使用溫度更為寬廣，低溫啟動更容易。 ● 較低的內磨擦力，降低能源的消耗，如省汽油、省電。 ● 改善了磨耗保護，使引擎或設備壽命更長。 ● 減低油垢的產生，使設備內部更清淨。 ● 改善了生物分解性，更具環保。 簡言之，在工業上使用可以得到更好的設備效益，提昇產能、節省能源和減低油料消耗，延長設備壽命和檢修週期，又能滿足環境、健康與安全的規定。而在車用上有冷天更易啟動、省燃油、換油週期延長、減低引擎磨耗、引擎壽命延長等優點。雖然合成油的生產技術複雜，成本較高，但比起礦物油，合成油的綜合整體經濟效益反而更佳，因此應用上，使用範圍日益普遍，不再侷限於特殊情況的應用了。近幾年合成油的總需求量都以每年約2.5%的成長率成長，但值得注意的是，近年來所發展的新礦物油 Group III 類型油，因為性能與合成油相當且成本較低，對於合成油在小客車引擎機油的成長會有一些影響。 合成油的應用與建議可參考下列圖表：
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