SYNTETICKÉ MAZIVÁ

Ropné oleje nemôžu splniť všetky požiadavky súvisiace so zabezpečením správneho mazania v trecích uzloch strojov a zariadení a tiež ako prevádzkové kvapaliny. V týchto prípadoch niektoré syntetické mazivá, kvapaliny môžu s výhodou zabezpečiť tieto požiadavky.
Z histórie je známe, že zlepšenie funkčných vlastnosti ropných olejov pomocou prísad (aditívov) a ich používanie sa začalo už v roku 1910. Určité vyvrcholenie nastalo v rokoch 1920 až 1940. V Nemeckú v tom čase na základe vzniknutej situácie začal sa vyrábať benzín na báze syntézy uhľovodíkov a mazacie prostriedky na báze esterov. V rovnakom čase sa v USA vo výskumných laboratóriách vyvíjali mazacie prostriedky  na báze esterov pre civilné a vojenské letectvo. Tiež polyglykoly, ako prísady boli až v roku 1940 používané k mazacím účelom, hoci tieto prísady boli už známe takmer sto rokov. Dnes sa polyglykoly používajú najmä ako brzdové kvapaliny a vysokoteplotné mazivá. Práve tak, ako je známa história o polyglykoloch platí to aj o esteroch na báze fosforových kyselín. Trifenylfosfat bol prvý krát syntetický vyrobený v roku 1854. Napriek tomu našiel priemyselné uplatnenie, ako prísada proti opotrebovaniu a predovšetkým ako ťažko zápalná hydraulická kvapalina  až v roku 1920. Počas druhej svetovej vojny sa začali používať silikónové oleje. V posledných 40 až 50 rokoch boli vyvinuté syntetické oleje ako fluorestery, polyfenylestery a ďalšie syntetické kvapaliny.
V súčasnosti sa už používajú nové syntetické kvapaliny, ktoré dávajú záruku ďalšieho rozvoja v tejto technickej oblasti a ich celkový počet podľa dostupných informácií sa všeobecne odhaduje na viac ako 20 druhov, čo je veľká výzva a možnosť pre budúcnosť v oblasti aplikácie mazacích prostriedkov. 

Syntetické kvapaliny, mazivá môžeme klasifikovať na základe ich chemického zloženia, výrobných postupov a tiež  použitia v praxi. Ide o tieto hlavné skupiny:

1.  Syntetické uhľovodíky
-  Polyalfaolefíny (PAO)
-  Polyizobutény
-  Dialkylbenzény
-  Alkylované aromáty

2.  Estery
-  Diestery
-  Polyolestery (POE)
-  Fosfátové estery

3.  Ostatné
-  Polyalkylenglykoly (PAG)
-  Silikóny

Treba uviesť, že najrozšírenejšou skupinou zo syntetických kvapalín sú polyalfaolefíny, nasledujú estery a polyalkylenglykoly. K najdôležitejším petrochemickým zloženiam, ako východisková surovina pre výrobu syntetických kvapalín, olejov patrí etylén (CH₂ = CH₂) a jeho deriváty. Na základe tejto substancie sa môžu podľa reakčných krokov vyrábať syntetické oleje.

Pre správny výber syntetickej kvapaliny je dôležité poznať, aké výhody a nevýhody nám z hľadiska použitia tieto kvapaliny poskytujú. Pre porovnanie je potrebný prehľad o ich chemických, fyzikálnych a technologických vlastnostiach. Pri hodnotení sa odporúča zamerať na tieto vlastnosti:

-  Viskozitno – teplotná závislosť (V.I.)
-  Oxidačná stabilita
-  Teplotná stabilita
-  Straty vyparovaním (odparnosť)
-  Ohňovzdornosť (teplota vzplanutia)
-  Hydrolytická stabilita
-  Protikorózne vlastnosti
-  Zlučiteľnosť s tesniacimi materiálmi
-  Zlučiteľnosť s nátermi a lakmi
-  Miešateľnosť s ropnými olejmi
-  Rozpustnosť prísad
-  Mazacie vlastnosti (mazivosť)
-  Schopnosť prenášať zaťaženie (EP)
-  Toxicita
-  Biologická odbúrateľnosť a iné.

Ak porovnávame všetky vlastnosti niektorej syntetickej kvapaliny, tak by to malo byť najlepšie ohodnotenie pre každú vlastnosť v porovnaní s ropným olejom. Prax nás však presviedča, že syntetické kvapaliny pri porovnaní s ropnými olejmi, ktoré obsahujú prísady, nemajú vždy najlepšie vlastnosti. Platí preto zásada, že pre výber syntetickej kvapaliny sa rozhodujeme vtedy, keď nám požadovanú vlastnosť nemôže poskytnúť ropný olej. Pri výbere vhodného mazacieho oleja treba brať do úvahy aj ekonomické hľadisko, t.j. cenu maziva a aký je technický stav stroja, zariadenia. Cena syntetických olejov napr. PAO, PAG je vyššia 3 až 5 násobne ako cena veľmi kvalitného ropného mazacieho oleja.

Nevýhody syntetických kvapalín

Uvedieme niektoré vlastnosti syntetických kvapalín, olejov, ktoré sú horšie ako vlastnosti ropných olejov. Ide o tieto vlastnosti:

-  Hydrolytické vlastnosti
-  Proti korozívne vlastnosti
-  Toxikologické vlastnosti
-  Zlučiteľnosť s ďalšími konštrukčnými materiálmi
-  Miešateľnosť s ropnými olejmi
-  Zlučiteľnosť s tesniacimi materiálmi
-  Rozpustnosť prísad
-  Dostupnosť vo všeobecnosti, resp. v určitých viskozitných triedach
-  Cena

K uvedenému treba poznamenať, že neexistujú syntetické kvapaliny, ktoré by zlučovali všetky zhoršené vlastnosti do istej miery voči ropným olejom. V skutočnosti niektoré syntetické kvapaliny môžu vykazovať zhoršenú výkonnosť v niektorých špecifických použitiach, zatiaľ čo majú vynikajúcu výkonnosť v ďalších technických oblastiach. Je známe, že mnohé syntetické kvapaliny sa vyznačujú dobrými chemickými ako aj fyzikálnymi vlastnosťami a dobrou oxidačnou a teplotnou stabilitou. Často je však otázka, ako sa budú chovať v určitých podmienkach trecieho uzla, napr. v podmienkach zmiešaného trenia, mazania. Z toho dôvodu uvedieme tri kategórie, prevádzkové podmienky a požiadavky, ktoré sú kladené na syntetické mazivá.

Syntetické mazivá neobsahujú parafín, to znamená, že môžu byť použité pri veľmi nízkych teplotách. Čo sa týka vysokých teplôt, tak ide o teploty ich použitia cez 100 °C. Použitie syntetických mazív pripadá do úvahy vtedy, ak teplota oleja v nádrži je vyššia ako 80 °C. Treba spomenúť, že často sú požiadavky na kolísavé a to  vysoké a nízke teploty, čo nám robí problémy v prevádzke. V nasledovnej tabuľke sú uvedené niektoré syntetické kvapaliny a to podľa ich rozsahu teplotného použitia.

Druh syntetickej kvapaliny /  Efektívny rozsah teplôt v °C

Polyalfaolefíny (PAO)  - 55  až  150
Polyalkylenglykoly (PAG)  - 35  až  200
Diestery  - 45  až  150
Polyolestery (POE)  - 40  až  220
Ropné oleje  - 25  až  100

Syntetické kvapaliny sa získavajú chemickou reakciou podľa daných technologických postupov a ich  veľkosť molekúl  je  viac jednotná, podobná ako pri minerálnych, ropných olejoch. Diestery a polyolestery  z dôvodu ich polarity, majú vynikajúcu mazivosť a pevnosť mazacieho filmu a túto vlastnosť majú tiež aj polyalkylenglykoly. Polyalfaolefíny (PAO), ktoré sú nepolárne, majú nižšiu úroveň mazivosti a pevnosti mazacieho filmu z tejto skupiny. Pevnosť mazacieho filmu sa upravuje v tomto prípade prísadami, ktoré pomáhajú minimalizovať opotrebovanie pri podmienkach hraničného trenia, mazania. 

Dôvody, ktoré sú podnetom pre vykonanie zámeny ropných olejov za syntetické oleje sú nám všeobecne známe. V praxi sa stretávame s ďalšími požiadavkami, ktoré treba rešpektovať pri vykonaní zámeny , resp. pri používaní syntetických mazív.

Z toho dôvodu uvedieme niektoré odporúčania a rady, ktoré súvisia s prechodom na syntetické mazivá. Konečným cieľom zámeny, prechodu na syntetické mazivá má byť optimalizácia mazania, trecích podmienok v trecích uzloch, úprava a zlepšenie ďalší aspektov ako sú napr. :

-  Nedovolené vysoké opotrebovanie
-  Krátke výmenné intervaly olejových náplní
-  Časté prestoje, odstávky stroja, zariadenia
-  Vysoká spotreba náhradných súčiastok
-  Zvýšenie výkonu stroja
-  Problémy pri nábehu (štartovaní) stroja, motora pri nízkych teplotách
-  Príliš veľká spotreba energie
-  Zvýšené riziko požiaru
-  Požiadavka z dôvodu ochrany životného prostredia, biologický odbúrateľné mazivá
-  Požiadavky z dôvodu zámeny prevádzkových látok, napr. prechod na iné druhy chladív a pod.

V oblasti sortimentu automobilových mazív je vykonanie zámeny jednoduchšie, ako pri zámene, prechode na priemyselné mazivá. Sortiment priemyselných mazív je väčší a tribologické požiadavky sú zložitejšie.

V ostatnom čase vystupuje do popredia táto otázka. Sú vždy syntetické mazivá tá najlepšia voľba? Okrem uvedeného treba najmä rešpektovať ekonomické hľadisko, t.j. cenu výrobku, ale aj  určitú pridanú hodnotu, ktorú nám syntetické mazivá poskytujú. Ďalším kritériom je rozpustnosť syntetických kvapalín, olejov a ich vzťah k prísadám a samotným nečistotám v mazacom systéme. Všeobecne je známa nízka rozpustnosť niektorých uhľovodíkových syntetických mazív  (PAO) a možno povedať aj vysoko rafinovaných ropných základových olejov  ( III. skupina podľa API). Teda často ide o rozpustnosť prísad v základových olejoch, čo je veľmi dôležitá požiadavka pri formulácii mazív. Z toho dôvodu sú často do PAO primiešavané POE základové oleje, ktoré majú vynikajúcu rozpustnosť, alebo aj iné základové oleje s vysokou prirodzenou rozpustnosťou, ako sú estery a tiež PAG. V tejto súvislosti treba spomenúť z praxe to, že nízka rozpustnosť niektorých uhľovodíkových syntetických mazív a vysoko rafinovaných ropných olejov má zvýšenú tendenciu k vytváraniu, formulovaniu kalov a lakov pri vysokých teplotách, ako napr. pri aplikácii turbínových olejov v prípade mazania plynových turbín, kde olej nemá takú rozpustnosť, aby udržal olejovo vlhké strojové časti čisté, t.j. bez úsad, lakov. Ide o súčasný poznatok z aplikácie mazív v praxi, ktorý je dosť poučný.  

Všeobecne bolo dokázané, že syntetické oleje majú veľký vplyv na úsporu energie. Syntetické oleje, ktoré majú zmenenú molekulovú štruktúru v porovnaní s ropnými olejmi, majú aj iný trakčný koeficient. Bolo zistené, že sila trakcie (ťažná sila) môže byť rozdielna pre základové oleje. Z toho dôvodu sa stanovila jedná z najdôležitejších vlastnosti mazacieho oleja a to trakčný koeficient (koeficient trakcie).
Skúšky, ktoré boli vykonané ukázali 2 až 10 krát dlhšiu životnosť olejov s nízkym trakčným koeficientom pri porovnaní s tradičnými ropnými olejmi a tiež zníženie kontaktnej teploty a cca 10 %, ako aj zníženie stratového výkonu o 30 až 40 %. Všetko je spôsobené pravdepodobne znížením trakčného koeficientu z hodnoty 0,05 na 0,03 % , t.j. asi o 40 %.

Trakčný koeficient je definovaný, ako tangenciálna sila delená kolmou silou na základe merania v skúšobnom zariadení. Ak to vyjadríme, tak

   F_T 

  T_K = -------

   F_N

Uvedieme v prehľade trakčné koeficienty pre základové oleje.

Druhy základových olejov  Trakčný koeficient:

Ropné naftenické oleje  0,07
Ropné parafinické oleje a hydrokrakované oleje  0,05
Polyolesterové oleje  0,04
Polyalfaolefínové oleje  0,03
Polyalkylenglykolové oleje  0,02 až 0,07

Z toho vyplýva, že účinnosť a teda aj úspora súvisí s mazivosťou a pevnosťou mazacieho filmu. Trakčný koeficient je dôležitý faktor pri elastohydrodynamickom mazaní (EHD), ktoré sa vyskytuje pri valivom pohybe a trení vo valivých  ložiskách a ozubených prevodoch. V takýchto podmienkach sa olej stáva tuhou látkou a platia v tomto prípade všetky zákony tak, ako pre tuhé látky.

Cieľom technickej informácie  bolo uviesť všeobecné, základné údaje o syntetických mazivách, ktoré nachádzajú stále väčší význam vzhľadom na náročnejšie  podmienky v prevádzke strojov a zariadení.   Čo sa týka celosvetovej spotreby syntetických mazív, tak tá sa odhaduje na 5 až 7 % z celkovej spotreby mazacích prostriedkov a stále narastá.