افزودنی ( ادتیو ) های روغن موتور

 

   افزودنی­ ها برای اولین بار در دهه ۱۹۲۰ میلادی در روانکارها استفاده شدند و پس از آن استفاده از این ترکیبات رشد روز افزونی داشته است، به طوری که عملا امروزه همه روانکارها حداقل یک نوع ادتیو (افزودنی) دارند و برخی دیگر از روغن­ها انواع متفاوتی از ادتیوها را دارا می­باشند که میزان آن­ها از یک صدم درصد تا ۳۰% و حتی بیشتر متغیر است.

افزودنی ها ترکیبات شیمیایی هستند که به روغن موتور افزوده شده اند تا خصوصیات خاصی را در آن ایجاد کنند، بعضی از افزودنی ها خواص جدیدی در روغن موتور ایجاد می کنند و بعضی از افزودنی ها خواصی را که در روغن موتور وجود دارند بهبود بخشیده و برخی دیگر نرخ تغییرات ناخواسته ای را که در طول استفاده از روغن موتور در آن اتفاق می افتد کاهش می دهند. افزودنی ها برای اولین بار در دهه ۱۹۲۰ در روانکارها استفاده شدند، و پس از آن استفاده از آنها رشد روز افزون داشته است به طوریکه عملا امروزه همه روانکارها حداقل یک نوع ادتیو دارند، و برخی دیگر انواع ادتیوها را دارا می باشند ومیزان آنها از یک صدم درصد تا ۳۰% و بیشتر متغیر می باشد.
در طول سالیان افزودنی های روغن موتور به عنوان حلال مشکلات مختلف موتور شناخته شده و برای جلوگیری از خوردگی، سایش، اصطکاک، تعلیق دوده، خنثی کردن محصولات اسیدی حاصل از احتراق و غیره به کار برده شدند، همچنانکه روغن موتورها تخصصی شدند و افزودنی های روغن موتور دیزلی از روغن موتور بنزینی جدا شد، زیرا نیاز به پراکنده کردن دوده توسط روغن موتور در موتورهای دیزلی بیشتر می باشد.
در این مقاله به ادتیوها یا مواد افزودنی که بیشتر در روغن موتور کاربرد دارند پرداخته می شود، اگرچه برخی از آنها چند کاره می باشند، مانند بهبود دهنده شاخص گرانروی که به عنوان کاهش دهنده نقطه ریزش نیز عمل می کند یا مواد ضد سایش که به عنوان بازدارنده خوردگی نیز عمل می کنند، اما ما فقط به عملکرد و نقش اصلی آنها می پردازیم.

اصلاح کننده اصطکاک ( Friction Modifiers )

این افزودنی ها موادی هستند که در روغن موتور اصطکاک را کاهش می دهند، مکانیسم عملکرد آنها مانند افزودنی هایی است که بازدارنده خوردگی و زنگ زدگی هستند که لایه روان کننده با دوام را از طریق جذب بر روی سطح و ارتباط با روغن موتور به وجود می آورند.موادی که معمولا برای این منظور به کار می روند زنجیره های بلند اسیدهای چرب و مشتقات آنها و همچنین ترکیبات مولیبدن می باشند. به علاوه افزودنی های ضد اصطکاک، سایش را نیز کاهش می دهند به ویژه در دمای پایین که مواد ضد سایش غیر فعال هستند، در ضمن در بهینه سازی مصرف سوخت نیز نقش دارند.
افزودنی های ضد سایش و فشار بالا (Anti-wear and extreme-pressure additives )
عوامل ضد سایش در روغن موتور نسبت به عوامل فشار بالا ( EP ) دمای فعالیت پایین تری دارند، ترکیبات آلی سولفور و فسفرمانند پلی سولفیدهای آلی، فسفات ها، دی تیو فسفات ها، و دی تیو کاربامات ها معمولا به عنوان افزودنی های ضد سایش و فشار بالا ( EP ) استفاده می شوند. از آنجاییکه قدرت موتورها افزایش یافته است نیاز به مواد ضد سایش بیشتر شده است. حفاظت موتور از خوردگی یکی از کارکردهای اولیه روغن موتور می باشد و خوشبختانه افزودنی هایی که برای مهار خوردگی در روغن موتور استفاده می شوند خاصیت ضد سایش متوسطی نیز دارند، این عوامل ضد سایش معمولا نمکهای سرب زنجیره بلند اسید کربوکسیلیک می باشند و اغلب در ترکیب با مواد حاوی سولفور استفاده می شوند. ترکیبات محلول در روغن سولفور- فسفر و همچنین کلر نیز به عنوان عوامل ضد سایش به خوبی به کار می روند، با این حال مهمترین پیشرفت در شیمی مواد افزودنی ضد سایش روغن موتور در سالهای ۱۹۳۰ تا ۱۹۴۰ با کشف دی آلکیل دی تیو فسفات روی ( ZDDP ) رخ داد. این ترکیب در ابتدا برای جلوگیری از خوردگی در روغن موتور به کار می رفت اما بعدها به خواص ضدسایش و آنتی اکسیدانی آن پی برده شد و به سرعت تبدیل به پرکاربردترین ادتیو ضد سایش و آنتی اکسیدان در روغن موتورگردید.
ادتیوهای EP ( فشار بالا ) روغن موتور فیلمهای محافظ بسیار بادوامی از طریق واکنش ترموشیمیایی با سطح فلز تشکیل می دهند، این فیلم تشکیل شده در برابر حرارتهای بالا و فشارهای مکانیکی مقاوم بوده و از تماس مستقیم بین سطوح جلوگیری کرده و در نتیجه خراش و سایش را کاهش می دهد.

مواد افزودنی آنتی اکسیدان ( Antioxidant )

یکی از مهمترین شاخصه های یک روغن موتور خوب این است که پایداری آن در برابر اکسید شدن بالا باشد، قرارگرفتن هیدروکربن در معرض اکسیژن و حرارت اکسیداسیون را شتاب می بخشد. موتور احتراق داخلی یک رآکتور شیمیایی آلی برای تسریع اکسیداسیون می باشد و همچنین قطعات فلزی موتور مانند آهن و مس به عنوان کاتالیست های اکسیداسیون موثر عمل می کنند، بنابراین روغن موتور بیش از هر روانکار دیگری در معرض اکسیداسیون قرار دارد. دسته های مختلفی از آنتی اکسیدان های موثر در طول سالیان توسعه یافته و در روغن موتور و انواع روانکارها به کار رفته اند، اما گروه های اصلی آنتی اکسیدانهای محلول در روغن آلی و آلی فلزی که بیشترین کاربرد را دارند عبارتند از: ترکیبات سولفور، ترکیبات فسفر، ترکیبات سولفور-فسفر، ترکیبات آمین آروماتیک، ترکیبات فنلی، ترکیبات نمک قلیایی آلی، ترکیبات آلی روی، ترکیبات آلی مس و ترکیبات آلی مولیبدن.

ادتیو ضد کف ( Antifoam )

کف کردن روغن موتور اثری بسیار نامطلوب می باشد که می تواند باعث افزایش اکسیداسیون از طریق مخلوط شدن با هوا شده و موجب آسیب حفره ای و همچنین انتقال نامناسب روغن موتور در سیستم گردش و کمبود روانکاری گردد. علاوه بر تاثیرات مکانیکی منفی میزان کف کردن روغن موتور بستگی بسیار زیادی به خود روغن موتور و کشش سطحی روغن پایه و به خصوص حضور مواد فعال سطحی مانند پاک کننده ها، مواد ضد خوردگی و ترکیبات یونی روغن موتور دارد. در بسیاری از کاربردها، شاید تمایل به تحریک روغن و ایجاد کف باشد در حالیکه در موارد دیگر مقادیر بسیار کمی از کف می تواند بی نهایت دردسرساز باشد، در اینجاست که مواد ضد کف به کار می رود. تصور بر این است که مواد ضد کف به حباب های هوا چسبیده و می توانند پل های ناپایدار بین حباب ها را گسترش داده و یا ایجاد کنند، که منجر به تشکیل حباب های بزرگتر شده که در نتیجه راحتتر به سطح لایه کف آمده و پس از ترکیدن، هوا را آزاد می کنند.

مهار کننده های خوردگی و زنگ زدگی ( Rust and corrosion inhibitors )

ضد زنگ ها معمولا ترکیباتی هستند که جاذبه قطبی بالایی به سمت سطوح فلزی دارند، بوسیله واکنش های شیمیایی و فیزیکی یک لایه پیوسته و استوار در سطح فلز ایجاد می کنند که از رسیدن آب به سطح فلز جلوگیری می کند. مواد معمولی که برای این منظور به کار می روند سوکسینات های آمین و سولفونات های قلیایی خاکی می باشند. ضد زنگ ها در اغلب انواع روانکارها می توانند به کار روند اما در انتخاب آنها باید احتیاط کرد تا مشکلاتی مانند خوردگی فلزات غیر آهنی یا تشکیل امولسیون درد سرساز با آب را ایجاد ننماید. از آنجاییکه ضد زنگ جذب سطوح فلزی می شود با گذشت زمان روغن موتور می تواند از ضد زنگ تهی گردد. انواع خوردگی ممکن است در سیستم هایی که روانکاری می شوند رخ دهد، احتما لا دو نوع مهم خوردگی عبارتند از خوردگی توسط اسیدهای آلی که توسط خود روغن موتور گسترش پیدا می کنند و خوردگی توسط آلاینده ها که توسط روغن موتور جمع آوری و حمل می گردند. خوردگی می تواند توسط اسیدهای آلی رخ دهد مانند خوردگی در یاتاقان موتورهای احتراق داخلی، بعضی از فلزات استفاده شده در یاتاقان مانند سرب در آلیاژ سرب-مس یا سرب-برنز به سرعت توسط اسیدهای آلی روغن موتور مورد حمله قرار می گیرند. مهارکننده خوردگی یک لایه محافظ روی سطوح یاتاقان تشکیل می دهد که مانع از رسیدن یا حمله مواد خورنده به فلز می شود، این لایه می تواند جذب سطحی فلز شده و یا پیوند شیمیایی با آن برقرار کند. مشخص شده که وجود مواد بسیار قلیایی در روغن موتور به خنثی سازی این اسیدهای آلی تشکیل شده در روغن موتور کمک کرده و خوردگی و سایش را کاهش می دهد.

مواد افزودنی پاک کننده و پراکنده کننده ( Detergent and dispersant additives )

تجهیزات مدرن باید برای تداوم عمر خود پیوسته روانکاری گردند، یکی از مهمترین خواص روغن موتور توانایی آن برای تعلیق مواد نامطلوب حاصل از تخریب حرارتی و اکسیداسیونی روغن موتور می باشد. اینگونه مواد وقتی تشکیل می شوند که محصولات جانبی احتراق داخلی مانند هیدروپراکسیدها و رادیکال آزاد از رینگ پیستون عبور کرده و وارد روغن موتور می شوند که گونه های واکنش پذیر بوده و باعث اکسیداسیون روغن موتور می شوند. محصولات حاصل از اکسیداسیون به گرما حساس بوده و به مواد بسیار قطبی تجزیه شده که تمایل به رسوب و گرفتن روزنه ها دارند. مهار کننده های اکسیداسیون و پاک کننده ها و پراکنده کننده ها گروهی از افزودنی ها را تشکیل می دهند که عوامل تثبیت کننده و کنترل رسوب نامیده می شوند. این افزودنی ها طراحی شده اند تا تشکیل رسوب را کنترل کنند حال یا بوسیله جلوگیری از تجزیه اکسیداسیونی روغن موتور و یا بوسیله تعلیق محصولات مضری که در روغن موتور تشکیل شده اند. پاک کننده ها نمک های فلزی اسیدهای آلی هستند که اغلب دارایمقادیری باز اضافی به صورت کربنات، می باشند. پراکنده کننده ها عاری از فلز می باشند، و وزن ملکولی بیشتری از پاک کننده ها دارند، این دو نوع ماده افزودنی در ارتباط با یکدیگر کار می کنند. پاک کننده ها دارای بخش بازی هستند که اسیدها را خنثی کرده و تشکیل نمک می دهند، اگرچه این عمل خورندگی اسید را کاهش می دهد ولی هنوز حلالیت نمک در روغن موتور کم می باشد، قسمت آلی پاک کننده که صابون نامیده می شود توانایی اتصال به نمک ها و معلق نگه داشتن آنها در روغن موتور را دارد. با این وجود پاک کننده ها مانند پراکنده کننده ها در این زمینه موثر نیستند و آنهم به دلیل وزن ملکولی پایین پاک کننده ها می باشد. بخش صابونی در پاک کننده ها و پراکنده کننده ها توانایی تعلیق محصولات غیراسیدی اکسیژن دار مانند الکل ها، آلدهیدها و رزین های اکسیژن دار را دارا می باشد.
پراکنده کننده ها و پاک کننده ها ۴۰ تا ۵۰ درصد حجم کل مواد افزودنی موجود در روغن موتور را تشکیل می دهند. این مواد افزودنی زنگ زدگی، خوردگی و تشکیل رزین در موتور را نیز کنترل می کنند، مانند اغلب افزودنی ها پاک کننده ها دارای گروه عاملی قطبی فعال سطحی و یک گروه هیدروکربنی چربی دوست با تعداد مناسبی اتم کربن برای اطمینان از حلالیت خوب در روغن موتور می باشند. سولفونات، فنات و کربوکسیلات گروه های قطبی معمول هستند که در ملکول های مواد شوینده وجود دارند. با این حال مواد افزودنی دارای گروه های عاملی سالیسیلات و تیو فسفونات نیز گاهی استفاده می شوند. پراکنده کننده ها سه تفاوت عمده با پاک کننده ها دارند: ۱- پراکنده کننده ها عاری از فلز هستند ولی پاک کننده ها دارای فلز مانندمگنزیوم، کلسیم و گاهی باریم هستند. ۲- پراکنده کننده ها برخلاف پاک کننده ها توانایی خنثی سازی اسید را ندارند. ۳- بخش آلی پراکنده کننده ها دارای وزن ملکولی بیشتری ( ۴ تا ۱۵ برابر)نسبت به پاک کننده ها می باشد.

بهبود دهنده شاخص گرانروی ( Viscosity index improver )

احتمالا مهمترین خاصیت روغن موتور گرانروی یا ویسکوزیته آن می باشد. در انتخاب روغن موتور مناسب در نظر گرفتن گرانروی اصل اولیه می باشد، گرانروی روغن موتور باید آنقدر بالا باشد تا روانکاری مناسب را ایجاد کند ولی نباید آنقدر بالا باشد که افت اصطکاکی بیش از حد ایجاد کند. از آنجاییکه ویسکوزیته با دما تغییر می کند، لازم است که دمای روغن موتور در ماشین نیز در نظر گرفته شود. از ملاحظات دیگری که باید در نظر گرفت پایین ترین دمای محیطی است که موتور خودرو در آن قرار است استارت بخورد.به نظر لازم است تا روش تعیین ویسکوزیته ای وجود داشته باشد تا تغییرات ویسکوزیته روغن موتور را با دما نشان دهد، این روش معمولا با اندازه گیری ویسکوزیته در دو دما و سپس رسم این نقاط در جداول خاص دما-ویسکوزیته که توسط ASTM تهیه شده انجام می گیرد. دو دمایی که معمولا اندازه گیری ویسکوزیته در آنها صورت می گیرد ۴۰ و ۱۰۰ درجه سانتیگراد می باشند. عددی که برای ویسکوزیته از این جداول استخراج می شود شاخص گرانروی نامیده می شود که تغییرات ویسکوزیته با دما را نشان می دهد.
بهبود دهنده های شاخص گرانروی زنجیره های بلند پلیمری با وزن ملکولی بالا می باشند، که در دماهای بالا منبسط شده و ویسکوزیته نسبی روغن موتور را افزایش می دهند و در دماهای پایین منقبض شده و ویسکوزیته نسبی روغن موتور را کاهش می دهند.شاخص گرانروی ( VI ) پایین نشان دهنده تغییرات نسبی بالای ویسکوزیته با دما می باشد برای مثال یک روغن موتور با شاخص گرانروی بالا و یک روغن موتور با شاخص گرانروی پایین را در نظر بگیرید که ویسکوزیته یکسانی در دمای اتاق دارند، حال وقتی دما افزایش یابد روغن موتوری که شاخص گرانروی بالایی دارد نسبت به روغن موتوری که شاخص گرانروی پایینی دارد کمتر رقیق شده و ویسکوزیته آن کمتر تغییر می کند. روغن موتورهای با پایه معدنی که از روش های مرسوم ساخته شده اند شاخص گرانروی بین ۰ تا ۱۰۰ دارند، مواد افزودنی که بهبود دهنده شاخص گرانروی نامیده می شوند این شاخص گرانروی را افزایش می دهند هرچند بهبود دهنده های شاخص گرانروی همیشه پایدار نبوده و در درون روغن موتور تحت تنش های برشی و حرارتی قرار می گیرند، بر این اساس این افزودنی ها باید به دقت به کار برده شوند تا اطمینان حاصل شود گرانروی روغن موتور مورد نظر در طول زمانی که برای کارکرد روغن موتور در نظر گرفته شده حفظ می شود.از جمله بهبود دهنده های اصلی شاخص گرانروی پلیمرها و کوپلیمرهای متا اکریلات، پلیمر آکریلات، پلیمر و کوپلیمر اولفین و کوپلیمر بوتادین استایرن می باشند، درجه بهبود شاخص گرانروی این مواد تابعی از توزیع وزن ملکولی پلیمر است.

پایین آورنده نقطه ریزش ( Pour point depressants )

نقطه ریزش روغن موتور پایین ترین دمایی است که در آن دما روغن موتور هنوز سیالیت خود را حفظ کرده است و می تواند جریان یابد. اکثر روغن موتورهای با پایه معدنی دارای مقداری موم حل شده هستند که هنگامیکه روغن موتور سرد می شود این موم تشکیل کریستال داده که منجر به تشکیل ساختار سفت وسخت برای روغن موتور می شود و زمانیکه این ساختار کریستالی موم به اندازه کافی کامل شود، روغن موتور تحت شرایط آزمون دیگر نمی تواند سیال بوده و جریان یابد. برخی پلیمرها با وزن ملکولی بالا مهارکننده تشکیل کریستالهای مومی که از جاری شدن روغن موتور در دمای پایین جلوگیری می کنند، می باشند که پایین آورنده نقطه ریزش خوانده می شوند. دو نوع کلی از کاهنده نقطه ریزش وجود دارد:
۱- پلیمرهای آلکیل آروماتیک که در هنگام تشکیل کریستال های موم به آنها چسبیده و از رشد و اتصال کریستال ها به یکدیگر جلوگیری می کنند.
۲- پلی متاکریلات ها که با موم کو کریستال تشکیل داده و از رشد کریستال جلوگیری می کنند.
این مواد افزودنی به طور کامل جلوی تشکیل و رشد کریستال ها را نمی گیرند ولی دمای نقطه ریزش روغن موتور را پایین می آورند. روغن موتورهایی که در دمای پایین کار می کنند باید نقطه ریزش پایین تری داشته باشند. روغن موتورها باید نقطه ریزشی زیر پایین ترین دمایی که موتور کار میکند داشته باشند همچنین نقطه ریزش آنها باید زیر پایین ترین دمای محیطی باشد که روغن موتور قرار است در آنجا به کار رود. از آنجا که خارج کردن همه موم ها از روغن موتور پر هزینه است استفاده از افزودنی پایین آورنده نقطه ریزش اقتصادی می باشد. اکثر پایین آورنده های نقطه ریزش همان افزودنی هایی هستند که برای بهبود شاخص گرانروی استفاده می شوند.

عملکرد چند گانه افزودنی های روغن موتور

تعدادی از افزودنی های روغن موتور عملکرد چندگانه دارند، برای مثال دی آلکیل دی تیوفسفات روی به عنوان افزودنی ضد سایش شناخت می شود اما همچنین مهارکننده قوی اکسیداسیون و خوردگی نیز می باشد و یا پلیمرهای استایرن و پلی متاآکریلات های دارای گروه عاملی می توانند به عنوان بهبود دهنده ویسکوزیته، کاهنده نقطه ریزش و پراکنده کننده عمل کنند.