機油介紹-基礎油

基礎油

基礎油（base stock, base oil）指組成潤滑油、潤滑脂成品的液態成份，任何一種潤滑油、脂的主要成份(一般佔質量70~90%)都是基礎油。基礎油可以是煉油廠的分餾產品（沸點高於燃料用重油、低於瀝青），也可以是合成的，前者一般稱為礦物油，後者雖然有多個非常不同的族群，但一般統稱合成油。

雖然植物油、動物油也可以用來作為潤滑基礎油，但其供應量與性能完全無法滿足現代潤滑工業的需求，因此只有在很小的範圍使用。

在某些情形下，基礎油本身的物理化學性質決定了使用該基礎油的潤滑油或潤滑脂的潤滑性能，但在大多數工業用設備的潤滑應用上，潤滑性能主要取決於基礎油所攜帶的潤滑添加劑(additive)，在這種情形下，基礎油的很大一部份的功用是作為潤滑添加劑的載體(carrier)。

除了潤滑性能外，基礎油作為潤滑油、潤滑脂的主成份，最重要的特性就是其壽命了。一般而言，基礎油可長期耐受的最高溫度愈高，可用的壽命就愈長。例如有機酯油可長期耐受180~200°C高溫，而最優質的礦物油也僅能長期耐受110~130°C，如果比較100°C以下的工況，合成酯油的壽命便大幅領先礦物油。

礦物油

礦物油是成本最低的基礎油，因為其生產過程與成本遠比合成油為簡單低廉。礦物油幾乎完全由碳氫化合物(烴分子, hydrocarbonate)組成。 在石油分餾過程中，依沸點從低到高的次序分別生產出石油氣、汽油、煤油、柴油、燃料重油，透過常壓(或加壓)加熱的分餾塔分離，剩下的殘渣則再送入真空分餾塔進行分餾。 這個原因是燃料重油的分餾溫度已近700°F，更高的溫度會使碳氫分子分解，從而無法分餾出所需的碳氫化合物。

真空分餾出來的潤滑基礎油稱為直餾油(straight run)，因為它的碳氫分子結構並未被提煉過程所改變。直餾油不能夠直接用來生產工業用潤滑油、潤滑脂。因為其含有大量雜質(如氮化物、氧化物等等）、酸性物質與不飽和烴，酸性物質會侵蝕機件、不飽和烴會使潤滑油快速氧化(特別是在80~100°C以上的溫度)，氧化的基礎油具有酸性、且會形成油泥。直餾油含有大量分子結構相異的的碳氫化合物，而現代的工業用潤滑油、潤滑脂，需要使用的是分子結構相對整齊單純的碳氫化合物。

礦物油的煉製

直餾油必須經過精煉過程才能成為工業潤滑油脂的基礎油。精煉過程有傳統式(使用溶劑)與非傳統式(氫化)兩大流派，兩者都是去瀝青(Deasphalting）、去芳香烴(Aromatic extract)、脫臘(Dewaxing)、去除異質化物(Heteroatoms)的流程，只是使用的方法不同。 溶劑法技術成本低，但產出的基礎油仍含有大量不飽和鍵，只能產出API Group I的初級礦物油；氫化法成本高，但可在過程中將碳氫化合物(烴)改造成石化工程師希望的結構，以及更高的飽合率。

氫化法分為三大類：加氫精製(Hydrofinishing)、加氫處理(Hydrotreating)、氫化裂解(Hydrocracking)。

加氫精製 & 加氫處理

加氫法是溶劑法的改良，加氫精製法是以氫化反應取代溶劑法中的黏土來去除或中和異質化物，其產出的基礎油較為清澈。加氫精製的成品率(yield)可達95%，成本相當低廉，幾乎已完全取代了傳統的精製法。

加氫處理嚴格而言是個統稱名詞，包含所有以氫氣加工礦物潤滑基礎油的工程，從程度最輕的加氫精製到程度最高的氫化裂解，但也可以用來指稱氫化程度介於二者之間、成品率40~70%間的各種煉製方法。加氫精製仍只能製備API Group I等級基礎油，而進一步的加氫處理法已可製出API Group II等級。

溶劑法與加氫法生產的礦物油，含有的烴分子包含直鍊烷基的石蠟基(Paraffinic)、含苯環的芳香基(Aromatic)，以及含指環烴的環烷基(Naphthenic)。其中芳香基的潤滑性能最為低下，石蠟基最優良。因此基礎油中石蠟烴的比例即決定了此基礎油的大部品質。環烷烴有良好的低溫特性，但黏度指數低，且環狀烴分子的潤滑性能與穩定性不佳。

氫化裂解

氫化裂解以常壓分餾出的燃油(一般是取重真空燃油等級Heavy Vacuum Gas Oil)為原料，而非雜質極多的真空分餾直餾油。氫化裂解其實僅是煉製過程的第一步，以高壓氫氣(例如3000psi)在觸媒作用下將原料油中的烴分子轉化成較合適的結構，芳香族(aromatic)與環烷族(naphthenic)在這個過程中會被轉換成石蠟(paraffinic)烴分子，異質化物同時也在這個過程中被氣化移除，分子鍊會被打斷以控製分子量分佈，因此氫化裂解製備的基礎油分子的分子量比傳統法製備的礦物油分子量集中。裂解後仍需其它氫化處理以得到最終產品。氫化裂解的成品率僅有5~15%，因此成本高昂。

氫化裂解生產出的礦物基礎油，其品質可達到API Group II或III。除了飽和率高不易氧化、石蠟烴比例高潤滑性能較優、雜質較少之外，黏度指數亦較高，代表其黏度隨溫度變化的程度小於溶劑法與氫化法生產的礦物油。一般所謂的VHVI(Very High Viscosity Index, 超高黏度指數)等級基礎油就是氫裂製成的礦物油，黏度指數可達115~130。

由於氫裂礦物油與其它礦物油有很大的物理性質與潤滑性能的差距，且其分子結構已經在製程中被改造過，因此某些潤滑油品牌認為也可以將氫裂製成的礦物油稱為合成油。

合成油

嚴格意義上的合成油，必須是從小分子單元聚合反應而成的。絕大多數的合成油都是以某種烴類為初級原料，雖然烴類並非只能從原油或天然氣中裂解獲取，但只有石化工業能穩定大量地供應，因此合成油的成本與供應仍然與石油市場非常密切相關。

即使包含氫裂解礦物油在內，2004年全球的合成油銷售金額佔整體基礎油市場也僅僅只有7%，預估到2015年可成長至10%。

作為基礎油的合成油，有合成烴、合成酯、聚二醇、矽油、氟化油、磷酸酯、聚醚等等多個族群。

合成烴

合成烴是最普遍、成本最低的合成油，在未特別指明的情況下，對消費者銷售的合成機油、合成車用齒輪油，幾乎都是以合成烴或氫裂礦物油作為主要基礎油。

合成烴(Synthetic Hydro Carbon, SHC)基本上是石蠟基礦物油的合成版本，然而以合成法製備與石油裂解精製，仍然有很大的不同。首先異質化物幾乎不存在，碳鍵飽和率達到近乎完美，分子量的分佈非常集中。

礦物油的分子量呈鐘形分佈，因為小分子量的烴分子較易揮發，因此其平均分子量(以及黏度)便會隨羊時間而逐漸昇高，合成烴具有分子量較統一的優勢，揮發率較低且穩定。

礦物油的碳鍊形狀混亂，使其分子間阻力較大，因此在同黏度的情形下，合成烴潤滑油的阻力明顯低於礦物潤滑油，相對地礦物油的抗壓性卻又高於合成烴，因為礦物油分子較不易被剪應力所擠開。

合成烴是非常多種不同的烴分子的統稱，目前最普遍的合成烴是聚-1-烯烴(Polyalphaolefin, PAO)，其次為多烷基環戊烷(Multiply Alkylated en:Cyclopentane, MAC)。後者因具有超低揮發率而為真空工程所愛用，但缺點為 黏度指數較低、可用的黏度選擇較少。 PAO主要的缺點是難以溶解很多常用的潤滑添加劑，由於大多數潤滑劑的潤滑效果主要取決於潤滑添加劑，PAO的這個缺點是無法被接受的。因此絕大多數標榜PAO的潤滑油(例如引擎機油)都添加了有機酯油或礦物油來幫助溶解潤滑添加劑。 PAO一般可在130~150°C的溫度持續工作數百小時至數千小時。其黏度指數一般在120~150間。PAO具有很好的低溫性能，因此需要低溫起動或寒帶工作的設備、汽車零組件偏好採用以PAO作為基礎油的潤滑油脂。

早期的礦物油芳香烴含量較高，對於多數常用的油封橡膠有膨脹效果，在低溫時這個特性十分有效防止了油封的冷縮漏油。軍、民航空業在60年代以後逐漸採用PAO作為液壓油，因此必須在基礎油中添加橡膠膨脹劑(Seal Swell Additive)，雙機酸有機酯就是最常被採用的橡膠膨脹劑，加上有機酯對於很多PAO溶解力有限的潤滑添加劑都有良好的溶解力，因此現代很多PAO合成機油均添加了5~20%的有機酯。

半合成油

通常是礦物油與PAO的混合，但沒有工業標準定義半合成油的PAO最低含量。

應用

PAO基礎油廣泛應用於低溫、中高溫的各種工業、汽車零件上，最常見的用途顯然是車用機油與車用齒輪油。在API分類上PAO屬於 Group IV。任何其它不屬於PAO的合成油均統歸類於Group V。

合成酯

酯(ester)是醇與酸的酯化反應產物，一般工業潤滑油脂所使用的合成酯油常被稱為有機酯，表示該酯油是以碳基酸製作的，以有別於以無機酸，例如磷酸、氮酸、硼酸、硫酸製成的無機酯(例如磷酸酯)。

有機酯油同樣是很多含「酯」官能基的碳氫氧化合物的統稱，最常被用來製作基礎油的有機酯，包含雙基酸酯(en:Dibasic ester, DBE)、多元醇酯(en:Polyolester, POE)，後者又是一個大家族的統稱。由於可進行酯化反應的有機酸種類繁雜，因此「有機酯油」家族成員亦相當龐雜。其它有機合成酯油族群有鄰苯二甲酸酯(Phthalates Ester)、偏苯三酸酯(Trimellitate Ester)、C36二聚酸酯(C36 Dimerate Ester)、聚油酸酯(Polyoleates Ester)、複合聚醇酯(Complex Polyol Ester)等。其中較常見的是DBE與POE。

DBE是以含二個「可電離氫原子」的直鏈二酸，與支鏈單官能基的醇反應而成。黏度指數非常高，同時適用於非常低溫(<-40 cst="" span="">

鄰苯二甲酸酯也常被用為塑化劑，成本是所有合成有機酯潤滑油中最低的，甚至接近礦物油的水準。鄰苯二甲酸酯可以有很高的黏度指數 「或」 適用於非常低溫。同樣無法製成>100 cSt的黏度。

POE是由多官能基的多元醇與單官能基的有機酸反應合成的(與DBE相反)，可製成各種低~高黏度版本的潤滑油，較不易水解，也較耐高溫。同黏度情形下POE較DBE，可承受高50~80°C的熱應力。但POE的成本也高於DBE。

因有機酯是含義廣泛的統稱，以有機酯為主的基礎油沒有一致的特性。工業用有機酯潤滑油具有耐高溫(~200°C仍有數百~數千小時的工作壽命)、抗壓性強、易溶解各種潤滑添加劑（視具體採用哪一種有機酯而定）、很高的黏度指數的優點，但也有可能腐蝕某些種橡/塑膠材質（不同種的酯可配合使用的橡塑膠也不一定）。

很多有機酯呈半極性，即具備界面活性劑的特點，因此低黏度酯油可以用來作為油泥的溶解清潔劑。半極性的特點使酯油分子的極性端對金屬有良好的附著力，因此酯油分子也可以用來製成油性添加劑（Oiliness Additive，Friction Modifier，減摩劑）。

有機酯的另一特點，是唯一可以做成符合CEC L-33 A-93定義的「可生物分解」潤滑油。

剪切損失

在剪切應力下黏度低於原有黏度

溶劑法與氫化法製造的礦物基礎油僅能製備單級汽車機油。而常見的5W40意味其基礎油黏度指數高達140~145，這即使對PAO基礎油也構成相當的挑戰，因此機油製造商便在較低黏度(例如5W20)機油之中加入黏度指數提昇劑，這是一種高分子聚合物，在低溫時對基礎油沒有影響(因此低溫黏度級數維持5W)，在高溫時黏度指數提昇劑舒展開來使油體更加黏稠(20→40)，而達到5W40的複級效果。

黏度指數提昇劑一般較不耐剪切應力，在高應力作用下黏度指數提昇劑即失效，也就是說在高剪切速度下使用黏度指數提昇劑的機油其黏度可能會比標識值為低，所形成的油膜厚度也較薄。因此SAE的機油黏度級數(20~60)有定義在剪切應力下的最低黏度，以避免機油廠商添加太多的黏度指數提昇劑。

有機酯油可製成黏度指數高達250的基礎油，不用添加黏度指數提昇劑即滿足高負荷引擎的極端需求(冷車時黏度不可過厚、全速運轉時黏度不因高溫而過薄)。因此酯類基礎油製成的機油均標榜「零剪切損失」。

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