امروزه کلیه روانکارها چه آن‌هایی که پایه معدنی و چه آن‌هایی که پایه سنتزی دارند، برای داشتن کارایی مناسب و مطلوب نیازمند مواد افزودنی هستند که بتوانند خواص مورد نظر آنها را ایجاد نمایند. این مواد شیمیایی سنتزی که معمولا مواد آلی و یا آلی فلزی هستند ضمن این که خواص جدیدی به روانکار می‌دهند می‌توانند برخی ویژگی‌های موجود در روانکار را تقویت و از بروز برخی پدیده‌های نامطلوب در سیستم روانکاری نیز جلوگیری کند. افزودنی‌هایی که به یک روانکار اضافه می‌شوند ممکن است اثر یکدیگر را تقویت کنند و یا این که باعث کاهش اثر یکدیگر گردند.
کارایی و کیفیت یک روانکار که از یک روغن پایه با کیفیت مناسب ساخته شده است بستگی زیادی به نوع و میزان افزودنی‌های آن خواهد داشت. در صورت عدم استفاده از روغن پایه با کیفیت مناسب، افزودنی‌ها نمی‌توانند به میزان مطلوبی کارایی را افزایش دهند. سیستم‌هایی که روانکارهای آنها به میزان مناسب و متعادل از افزودنی‌ها بهره می‌برند، کارایی بیشتری خواهند داشت و عمر مفید روانکار در این سیستم‌ها زیاد است. نوع و میزان مواد افزودنی بسیار مهم بوده و از اسرار هر کارخانه تولید روانکار به حساب می‌آید.
روغن‌های پایه تفاوت زیادی با یکدیگر در اجزای مولکولی و در نتیجه در خواص فیزیکی و شیمیایی دارند. انجمن پالایش نفت امریکا (API) و انجمن فنی و صنعتی روانکارهای اروپا (A.T.I.E.L) بر اساس اجزای شیمیایی مواد سازنده روغن‌های پایه آنها را ابتدا به چهار دسته تقسیم کرده‌اند. پس از تولید روغن‌هایی با اندیس گرانروی بسیار بالا در اروپا این دسته بندی به پنج گروه افزایش یافت.
تقسیم بندی انجام شده توسط انجمن نفت امریکا که در سال 1993 براساس درصد وزنی ترکیبات سیر شده، درصد وزنی گوگرد و اندیس گرانروی انجام شده است در جدول (1) آورده شده است. باید توجه داشت روغن پایه فقط بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی دسته بندی می‌شوند و نمی‌توان آنها را بر اساس روش تولید دسته بندی کرد زیرا روش تولید به تنهایی بیانگر سطح کیفیت روغن پایه نمی‌باشد.
انواع روغن‌های پایه بر اساس تقسیم بندی API
| گروه | درصد وزنی
ترکیبات سیر شده |
درصد وزنی گوگرد | اندیس گرانروی | ترکیبات اولیه | روش تولید |
| I | 90 > | 03/0> | 120 – 80 | نرمال پارافین‌ها-نفتنیک‌ها-ترکیبات قطبی-ایزوپارافین‌ها | تصفیه به وسیله حلال |
| II | 90 ≤ | 03/0≤ | 120 – 80 | نفتنیک‌ها-ایزوپارافین‌ها-نرمال پارافین‌ها | هیدروفرآوری |
| III | 90 ≤ | 03/0 ≤ | 120 ≤ | ایزو پارافین‌ها | هیدروفرآوری شدید |
| IV | پلی آلفا اولفین‌ها (PAO) | چند پارش | |||
| V | همه روغن‌های پایه غیر از روغن‌هایی که در گروه 1 تا 4 قرار دارند. | روشهای مختلف | |||
با توجه به داده‌های جدول (1) مشخص می‌شود با حرکت از گروه I به گروه III درصد پارافین‌ها بیشتر می‌شود. روغن‌های پایه گروه I با II متفاوت است و روغن‌های گروه III در مقایسه با این دو گروه به طور قابل ملاحظه‌ای دارای ناخالصی کم‌تری می‌باشند. روغن‌های گروه III به حدی خالص هستند که تقریبا بی‌رنگ می‌باشند. این گروه از روغن‌ها را روغن‌های نامتداول یا روغن‌های پایه دارای شاخص گرانروی بسیار بالا (VHVI) نیز نامیده می‌شوند.
گروه IV شامل همه‌ی پلی‌آلفااولفین‌ها می‌شود که به صورت خالص و همچنین مخلوط با روغن‌های پایه معدنی، برای بهبود شرایط روانکاری، به کار برده می‌شود. گروه V شامل همه‌ی روغن‌های پایه نفتنیک، روغن‌های پارافنیک با اندیس گرانروی متوسط و مایعات سنتزی مانند استرها، سیلیکون‌ها، پلی‌گلیکول‌ها و روغن‌های گیاهی می‌باشد.
روند تکاملی صنعت تهیه روغن پایه
در سال 1852 میلادی روغن‌های بر پایه نفت به بازار آمدند. در ابتدا این روغن‌ها با استقبال خوبی روبرو نشدند، چون کارایی لازم برای رقابت با بسیاری از روغن‌های حیوانی را نداشتند. اما با افزایش تقاضا برای خودروها، تقاضا برای روانکارهای بهتر افزایش یافت. تولید کنندگان روانکارها دریافتند که کدام نفت خام برای تهیه روانکارها مناسب‌تر است. آنها خواص طبیعی نفت را با پالایش آن به برش‌های باریک نفتی با گرانروی مختلف، بهبود بخشیدند.
در سال 1920 بیشتر تولیدکنندگان، فرآوری روغن‌های پایه را برای افزایش کارایی آنها شروع کردند و سه روش معمول فرآوری در این زمان عبارت بودند از:
- عمل آوری با خاک رس
- عمل آوری با اسید
- عمل آوری با S
عمل آوری با اسید شامل دو مرحله بود. در مرحله اول در این فرآیند با استفاده از سولفوریک اسید غلیظ مواد نامطلوب موجود در روغن شامل ترکیبات غیراشباع و ترکیبات اکسیژن دار از روغن جدا می‌شدند. که در این مرحله اسید سولفوریک وارد واکنش با این مواد شده و این مواد را به صورت لجن در روغن ته نشین می‌کرده است.
اگرچه این روش به طور مؤثری روغن را پالایش می‌کرد اما به دلیل اثرات زیست محیطی و همچنین هزینه بسیار بالا روز به روز کمتر مورد استفاده قرار گرفت و حتی امروزه در بسیاری از کشورها استفاده از آن ممنوع شده است. در مرحله بعد با استفاده از خاک‌های رنگ بر، اسید باقی‌مانده در روغن خنثی شده و رنگ روغن نیز بهبود می‌یافته است.
در سال 1930 پالایش با حلال‌های مناسب‌تر و قابل بازیافت به عنوان یک فناوری کاملا کاربردی برای بهبود بخشیدن به خواص روغن‌های پایه مطرح شد. بیشتر تولید کنندگان روغن در جهان هنوز از این روش استفاده می‌کنند. به طوری که نیمی از روغن‌های پایه که امروزه در امریکای شمالی استفاده می‌شوند از این روش تولید می‌گردند. حلال‌ها و تجهیزات مورد استفاده برای تولید محصولات پالایش شده با حلال در طول زمان دچار تحول شده‌اند اما راهبرد کلی این فناوری تغییر چندانی نکرده است. در چند دهه بعد کیفیت روغن‌های به دست آمده به طور عمده با افزودن مواد افزودنی بهبود می‌یافته است.
در سال 1950 روغن موتورهای چند درجه‌ای برای اولین بار به بازار آمدند که حاوی افزودنی‌های پلیمری بودند که اندیس گرانروی را بهبود می‌بخشیدند. در چند دهه‌ی بعد صنایع روانکارها برای ارتقاء سطح کارایی روغن نهایی تمرکز خود را بر فناوری مواد افزودنی قرار دادند. بدین ترتیب بهبود کیفیت روانکارها تنها به دلیل پیشرفت ترکیبات افزودنی بود و تا زمانی که پیشرفت قابل توجهی در فناوری روغن‌های پایه ایجاد نشده بود این روش تنها راهبرد برای بهبود سطح کارایی روانکارها بوده است.
اگرچه اولین بار در سال 1930 فرآیند تصفیه روغن به روش شکست مولکول‌های سنگین توسط هیدروژن انجام شده بود ولی در آن زمان به دلیل اقتصادی‌تر بودن روش پالایش با حلال، این روش مورد استفاده قرار نگرفت. پس از جنگ جهانی دوم این فناوری از آلمان به آمریکا منتقل شد و در اواخر دهه‌ی 1950 شرکت شورون این فناوری را برای تولید سوخت به صورت صنعتی به کاربرد.
در سال 1960 برای اولین بار روش هیدروفرآوری توسط آموکو و همکارانش برای تولید روغن پایه مورد استفاده قرار گرفت. در این روش در دمای بالای ℉600 و فشار بالای PSI 500 و در حضور کاتالیست با اضافه کردن هیدروژن، ناخالصی‌ها حذف و فعال‌ترین اجزاء موجود در روغن تثبیت می‌شوند. در نتیجه رنگ روغن پایه شفاف‌تر شده و عمر مفید آن افزایش می‌یابد. در سال 1969 اولین واحد هیدروکراکر با به کاربردن فناوری تحت لیسانس گلف توسط شرکت ایدمیتسوکوزان برای تولید روغن‌های پایه به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفت.
افزودنی ها و روغن پایه
یک افزودنی از سه روش روانکار و سیستم روانکاری را تحت تأثیر قرار می‌دهد:
- محافظت از سطوح روانکاری شده
- افزایش کارایی روانکار
- افزایش عمر روانکار
شکل زیر نشان دهنده تولید روانکار با استفاده از انواع افزودنی ها و روغن پایه است. در ادامه نیز تشریح مختصری در ارتباط با هر یک از موارد بیان شده آورده شده است.
محافظت از سطوح روانکاری شده
این افزودنی‌ها سطح روانکاری شده را پوشانده و به این ترتیب از زنگ زدن و سایش سطح جلوگیری می‌کنند. افزودنی‌های ضد سایش، بازدارنده‌های خوردگی، متفرق کننده‌ها و پاک کننده‌ها از این دسته هستند.
افزایش کارایی روانکار
این افزودنی‌ها باعث افزایش کارایی روانکار در کاربردهای خاص می‌شوند. بهبود دهنده‌های شاخص گرانروی، بهبود دهنده‌های اصطکاک و افزودنی‌های پایین آورنده نقطه ریزش از این دسته هستند.
افزایش عمر روانکار
این افزودنی‌ها باعث افزایش عمر روانکار می‌شوند. بازدارنده‌های اکسیداسیون که تمایل روغن به اکسید شدن و تشکیل لجن را کم می‌کنند و ضد کف‌ها از این نوع هستند.
بیشتر روغن‌ها به ویژه روغن تولیدی از واکس، دارای واکس‌های محلولی هستند که با سرد شدن روغن شروع به تشکیل کریستال می‌کنند. در این گونه روغن‌ها باید از مواد پایین آورنده نقطه ریزش که باعث جلوگیری از تشکیل کریستال و رسوب آنها می‌شود استفاده کرد. این مواد که اندازه و چسبندگی ساختمان‌های کریستالی را کاهش می‌دهند و باعث پایین آمدن نقطه ریزش می‌شوند از نظر ساختمانی بسیار شبیه به بهبود دهنده‌های شاخص گرانروی هستند.
معمول‌ترین مواد پایین آورنده نقطه ریزش پلی متا آمکریلات‌ها، پلی آکریلات‌ها و تتراپارافین فنول‌ها هستند. وجود این افزودنی‌ها برای کارایی روغن در دماهای پایین بسیار حیاتی است. در روغن‌هایی که حاوی برش‌های روغنی سنگین هستند اثر این مواد افزودنی کمتر خواهد بود و پس از مدتی برگشت نقطه ریزش اتفاق می‌افتد. به طور کلی هر چه از روغن‌های سبک به سمت روغن‌های سنگین‌تر پیش می‌رویم احتمال اثرگذری افزودنی‌ها کاهش پیدا می‌کند.