基础油

基础油（base stock, base oil）指组成润滑油、润滑脂成品的液态成份，任何一种润滑油、脂的主要成份（一般占质量67~90%hrhj）都是基础油。基础油可以是炼油厂的分馏产品（沸点高于燃料用重油、低于沥青），也可以是合成的，前者一般称为矿物油，后者虽然有多个非常不同的族群，但一般统称合成油。
虽然植物油、动物油也可以用来作为润滑基础油，但其供应量与性能完全无法满足现代润滑工业的需求，因此只有在很小的范围使用。
在某些情形下，基础油本身的物理化学性质决定了使用该基础油的润滑油或润滑脂的润滑性能，但在大多数工业用设备的润滑应用上，润滑性能主要取决于基础油所携带的润滑添加剂（additive），在这种情形下，基础油的很大一部份的功用是作为润滑添加剂的载体（carrier）。
除了润滑性能外，基础油作为润滑油、润滑脂的主成份，最重要的特性就是其寿命了。一般而言，基础油可长期耐受的最高温度愈高，可用的寿命就愈长。例如有机酯油可长期耐受180~200°C高温，而最优质的矿物油也仅能长期耐受110~130°C，如果比较100°C以下的工况，合成酯油的寿命便大幅领先矿物油。
美国石油学会基础油分类.
美国石油学会（American Petroleum Institute, API）为使基础油品质有公认的分类标准，1993年起制定了五类基础油分类标准。
Group I.
饱和烃含量小于90％且/或硫含量大于0.03％，而且粘度指数大于或等于80且小于120。
Group II.
饱和烃含量大于或等于90％，且硫含量小于或等于0.03％，而且粘度指数大于或等于80且小于120。
Group III.
饱和烃含量大于或等于90％，且硫含量小于或等于0.03％，而且粘度指数大于或等于120。
Group IV.
即聚-1-烯烃（Polyalphaolefin, PAO）。
Group V.
成分不属于Group I ~ Group IV者。
矿物油.
矿物油是成本最低的基础油，因为其生产过程与成本远比合成油为简单低廉。矿物油几乎完全由碳氢化合物（烃分子, hydrocarbonate）组成。
在石油分馏过程中，依沸点从低到高的次序分别生产出石油气、汽油、煤油、柴油、燃料重油，透过常压（或加压）加热的分馏塔分离，剩下的残渣则再送入真空分馏塔进行分馏。
这个原因是燃料重油的分馏温度已近700°F，更高的温度会使碳氢分子分解，从而无法分馏出所需的碳氢化合物。
真空分馏出来的润滑基础油称为直馏油（straight run），因为它的碳氢分子结构并未被提炼过程所改变。直馏油不能够直接用来生产工业用润滑油、润滑脂。因为其含有大量杂质（如氮化物、氧化物等等）、酸性物质与不饱和烃，酸性物质会侵蚀机件、不饱和烃会使润滑油快速氧化(特别是在80~100°C以上的温度），氧化的基础油具有酸性、且会形成油泥。直馏油含有大量分子结构相异的的碳氢化合物，而现代的工业用润滑油、润滑脂，需要使用的是分子结构相对整齐单纯的碳氢化合物。
矿物油的炼制.
直馏油必须经过精炼过程才能成为工业润滑油脂的基础油。精炼过程有传统式（使用溶剂）与非传统式（氢化）两大流派，两者都是去沥青（Deasphalting）、去芳香烃（Aromatic extract）、脱腊（Dewaxing）、去除异质化物（Heteroatoms）的流程，只是使用的方法不同。
溶剂法技术成本低，但产出的基础油仍含有大量不饱和键，只能产出API Group I的初级矿物油；氢化法成本高，但可在过程中将碳氢化合物（烃）改造成石化工程师希望的结构，以及更高的饱合率。
氢化法分为三大类：加氢精制（Hydrofinishing）、加氢处理（Hydrotreating）、氢化裂解（Hydrocracking）。
加氢精制&加氢处理.
加氢法是溶剂法的改良，加氢精制法是以氢化反应取代溶剂法中的黏土来去除或中和异质化物，其产出的基础油较为清澈。加氢精制的成品率（yield）可达95%，成本相当低廉，几乎已完全取代了传统的精制法。
加氢处理严格而言是个统称名词，包含所有以氢气加工矿物润滑基础油的工程，从程度最轻的加氢精制到程度最高的氢化裂解，但也可以用来指称氢化程度介于二者之间、成品率40~70%间的各种炼制方法。加氢精制仍只能制备API Group I等级基础油，而进一步的加氢处理法已可制出API Group II等级。
溶剂法与加氢法生产的矿物油，含有的烃分子包含直炼烷基的石蜡基（Paraffinic）、含苯环的芳香基（Aromatic），以及含指环烃的环烷基（Naphthenic）。其中芳香基的润滑性能最为低下，石蜡基最优良。因此基础油中石蜡烃的比例即决定了此基础油的大部品质。环烷烃有良好的低温特性，但黏度指数低，且环状烃分子的润滑性能与稳定性不佳。
石蜡（paraffin）是一个有歧义的石化产品专有名词，就有机化学定义而言，石蜡（paraffin）等于烷（alkane），也就是化学式CnH2n+2的饱合烃：
氢化裂解.
氢化裂解以常压分馏出的燃油（一般是取重真空燃油等级Heavy Vacuum Gas Oil）为原料，而非杂质极多的真空分馏直馏油。氢化裂解其实仅是炼制过程的第一步，以高压氢气（例如3000psi）在触媒作用下将原料油中的烃分子转化成较合适的结构，芳香族（aromatic）与环烷族（naphthenic）在这个过程中会被转换成石蜡（paraffinic）烃分子，异质化物同时也在这个过程中被气化移除，分子炼会被打断以控制分子量分布，因此氢化裂解制备的基础油分子的分子量比传统法制备的矿物油分子量集中。裂解后仍需其它氢化处理以得到最终产品。氢化裂解的成品率仅有5~15%，因此成本高昂。
氢化裂解生产出的矿物基础油，其品质可达到API Group II或III。除了饱和率高不易氧化、石蜡烃比例高润滑性能较优、杂质较少之外，黏度指数亦较高，代表其黏度随温度变化的程度小于溶剂法与氢化法生产的矿物油。一般所谓的VHVI（Very High Viscosity Index,超高黏度指数）等级基础油就是氢裂制成的矿物油，黏度指数可达115~130。VHVI原本由荷兰皇家壳牌Royal Dutch Shell在1990年注册为商标，但在1993年放弃，因此目前任何润滑基础油制造商、润滑成品制造商均可使用VHVI作为产品名称或内容叙述的一部份。
由于氢化裂解矿物油与其它矿物油有很大的物理、化学性质与润滑性能的差距，且其分子结构已经在制程中被改造过，因此某些润滑油品牌认为也可以将氢化裂解制成的API Group III矿物油产品称为合成油。这个命名问题除了德国之外，大部份国家在法律上是无限制的。
合成油.
严格意义上的合成油，必须是从小分子单元聚合反应而成的。绝大多数的合成油都是以某种烃类为初级原料，虽然烃类并非只能从原油或天然气中裂解获取，但只有石化工业能稳定大量地供应，因此合成油的成本与供应仍然与石油市场非常密切相关。
即使包含氢裂解矿物油在内，2004年全球的合成油销售金额占整体基础油市场也仅仅只有7%，预估到2015年可成长至10%。
作为基础油的合成油，有合成烃、合成酯、聚二醇、矽油、氟化油、磷酸酯、聚醚等等多个族群。
合成烃.
合成烃是最普遍、成本最低的合成油，在未特别指明的情况下，对消费者销售的合成机油、合成车用齿轮油，几乎都是以合成烃或氢裂矿物油作为主要基础油。
合成烃（Synthetic Hydro Carbon, SHC）基本上是石蜡基矿物油的合成版本，然而以合成法制备与石油裂解精制，仍然有很大的不同。首先异质化物几乎不存在，碳键饱和率达到近乎完美，分子量的分布非常集中。
矿物油的碳链形状混乱，使其分子间阻力较大，因此在同黏度的情形下，合成烃润滑油的阻力明显低于矿物润滑油，相对地矿物油的抗压性却又高于合成烃，因为矿物油分子较不易被剪应力所挤开。
合成烃是非常多种不同的烃分子的统称，目前最普遍的合成烃是聚-1-烯烃（Polyalphaolefin, PAO），其次为多烷基环戊烷（Multiply Alkylated Cyclopentane, MAC）。后者因具有超低挥发率而为真空工程所爱用，但缺点为黏度指数较低、可用的黏度选择较少。
PAO主要的缺点是难以溶解很多常用的润滑添加剂，由于大多数润滑剂的润滑效果主要取决于润滑添加剂，PAO的这个缺点是无法被接受的。因此绝大多数标榜PAO的润滑油（例如引擎机油）都添加了有机酯油或矿物油来帮助溶解润滑添加剂。
PAO一般可在130~150°C的温度持续工作数百小时至数千小时。其黏度指数一般在120~150间。PAO具有很好的低温性能，因此需要低温起动或寒带工作的设备、汽车零组件偏好采用以PAO作为基础油的润滑油脂。
早期的矿物油芳香烃含量较高，对于多数常用的油封橡胶有膨胀效果，在低温时这个特性十分有效防止了油封的冷缩漏油。军、民航空业在60年代以后逐渐采用PAO作为液压油，因此必须在基础油中添加橡胶膨胀剂（Seal Swell Additive），双机酸有机酯就是最常被采用的橡胶膨胀剂，加上有机酯对于很多PAO溶解力有限的润滑添加剂都有良好的溶解力，因此现代很多PAO合成机油均添加了5~20%的有机酯。
应用.
PAO基础油广泛应用于低温、中高温的各种工业、汽车零件上，最常见的用途显然是车用机油与车用齿轮油。在API分类上PAO属于Group IV。任何其它不属于PAO的合成油均统归类于Group V。
合成酯.
酯（ester）是醇与酸的酯化反应产物，一般工业润滑油脂所使用的合成酯油常被称为有机酯，表示该酯油是以碳基酸制作的，以有别于以无机酸，例如磷酸、氮酸、硼酸、硫酸制成的无机酯（例如磷酸酯）。
有机酯油同样是很多含「酯」官能基的碳氢氧化合物的统称，最常被用来制作基础油的有机酯，包含双基酸酯（, DBE）、多元醇酯（, POE），后者又是一个大家族的统称。由于可进行酯化反应的有机酸种类繁杂，因此「有机酯油」家族成员亦相当庞杂。其它有机合成酯油族群有邻苯二甲酸酯（Phthalates Ester）、偏苯三酸酯（Trimellitate Ester）、C36二聚酸酯（C36 Dimerate Ester）、聚油酸酯（Polyoleates Ester）、复合聚醇酯（Complex Polyol Ester）等。其中较常见的是DBE与POE。
DBE是以含二个「可电离氢原子」的直链二酸，与支链单官能基的醇反应而成。黏度指数非常高，同时适用于非常低温（<-40°C）与高温，但由于无法制成大分子量，黏度很难超过100cSt。
邻苯二甲酸酯也常被用为塑化剂，成本是所有合成有机酯润滑油中最低的，甚至接近矿物油的水准。邻苯二甲酸酯可以有很高的黏度指数「或」适用于非常低温。同样无法制成>100 cSt的黏度。
POE是由多官能基的多元醇与单官能基的有机酸反应合成的（与DBE相反），可制成各种低~高黏度版本的润滑油，较不易水解，也较耐高温。同黏度情形下POE较DBE，可承受高50~80°C的热应力。但POE的成本也高于DBE。
因有机酯是含义广泛的统称，以有机酯为主的基础油没有一致的特性。工业用有机酯润滑油具有耐高温（~200°C仍有数百~数千小时的工作寿命）、抗压性强、易溶解各种润滑添加剂（视具体采用哪一种有机酯而定）、很高的黏度指数的优点，但也有可能腐蚀某些种橡/塑胶材质（不同种的酯可配合使用的橡塑胶也不一定）。
很多有机酯呈半极性，即具备界面活性剂的特点，因此低黏度酯油可以用来作为油泥的溶解清洁剂。半极性的特点使酯油分子的极性端对金属有良好的附著力，因此酯油分子也可以用来制成油性添加剂（Oiliness Additive，Friction Modifier，减摩剂）。
有机酯的另一特点，是唯一可以做成符合CEC L-33 A-93定义的「可生物分解」润滑油。
应用.
基于其高黏度指数的特点，某些需要在较大温度变化范围内工作的机件便会选用有机酯油。同黏度的有机酯油形成的油膜厚度厚于矿物油或PAO，因此在高速或高温应用下，有机酯油相当受到欢迎。有机酯油常被制成高温或高速轴承润滑脂，以及高温链条油。
聚二醇.
聚二醇油（Polyglycol）俗称聚乙二醇油，为环氧乙烷（Ethylene oxide, EO）与环氧丙烷（Propylene oxide, PO）所聚合而成的。若聚合反应中EO比例远高于PO，则会制成亲水性的聚二醇油，反之则会制成与其它烃类油相溶的油。在润滑工业上，亲水性的聚烷基二醇醚（Polyalkylene Glycol ethers, PAG）是聚二醇油中使用最为普遍的。聚二醇油是在二战时期美国海军对防火液压油的需求而诞生。
亲水性PAG油含有大量羟基（Hydroxyl），使得PAG油是极性液体，亲水而斥非极性油，且有相对固定的沸点。
聚二醇油（例如PAG）非常适合用来作为高效能齿轮油的基础油，特别是对高滑动比齿轮（例如：蜗齿（worm gear）、（Hypoid gears））而言，使用PAG基础油制成的齿轮油，可以非常显著地提升效率、降低工作温度。
PAG油的亲水性在齿轮油应用有特殊优势，一般PAG齿轮油油可以溶入~1%的水而不至于立即使齿轮箱轴承发生严重磨损，而非水溶性的基础油即使混入400ppm的水，也会因不均匀的油体而发生严重磨损问题。
PAG油的黏度指数可达200~300，表示同黏度等级的PAG在高温下有较高的黏度与油膜厚度，因此非常适合作为高温齿轮箱之齿轮油。
PAG油与烃、酯类油的挥发模式不同（随温升而有逐渐升高的挥发率），PAG油有类似沸点的分解温度，超过该温度PAG油会完全分解挥发，几乎不留下残渣。
尽管PAG油具有强大的滑动摩擦润滑能力，它的缺点也非常显著，导致其应用受限：
应用.
PAG油最常见的应用有防火液压油、制动油、烃类气体压缩机油、高温滚轮轴承（Calender）润滑油、切削/研磨液、R-134a冷媒压缩机油、高效率齿轮箱油、热导油等等。
磷酸酯.
磷酸酯（Phosphate Ester）油属于无机酯，除了当作润滑基础油、加入其它基础油当作润滑添加剂之外，也常被橡塑胶工业用来加入产品作为阻燃增塑剂。
磷酸酯是所有非极性基础油中最不易被点燃的，它的裂解温度高（>300°C）、有高抗氧化性、挥发率低、燃点高、燃烧热值低，即使起火也会自行熄灭等独特性质，因此在高温、或需要高防火性能的应用环境上很受欢迎。
磷酸酯油抗磨耗性能优良，但是成本较高、对人体有毒性、黏度指数低（三苯类的磷酸酯VI<100）、对很多密封件材质（橡塑胶）有极强的侵蚀性。
磷酸酯依其所连接的烃基之不同，也有很多不同产品，最普遍的是以石油、煤炭提炼的苯为原料的三苯磷酸酯（Triaryl Phosphate Ester），包含磷酸三甲苯酯（Tricresyl Phosphates, TCP）、磷酸三二甲苯酯（Trixylenyl Phosphates, TXP），一般称为天然磷酸酯；1960年代以后市场逐渐出现以合成苯为原料的丙基/异丙基/丁基/叔丁基三苯磷酸酯（Triphenyl Phosphates Propylated/Isopropylated/Butylated/tert-butylated）以及三烷磷酸酯（Triakyl Phosphates）族群等等。
应用.
磷酸酯油大多用来制作需要高抗燃性能的液压油（例如航空液压油）、涡轮机循环油等。
矽油.
聚合矽化物（Silicone polymer）依成份与结晶度不同，可分为液态的矽油、固态的矽树脂、固态的橡塑胶。在不同行业这三种不同的聚合矽化物都俗称矽利康（Silicone）。商业化生产润滑用矽油始于1940年代，由奇异公司(General Electric Company，简称GE)与道康宁首先开展矽油的大量生产事业。
最常见的矽油（Silicone oil）是聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane）与苯甲基矽油（Phenylmethyl silicone）。矽油具有所有油种中最高的黏度指数（可超过500），可以在粗~中度真空中工作、是电的良好绝缘体、化学安定性很高、可耐200~250°C高温。但矽油的缺点也很多，其表面张力是所有油种中最低的，因此非常容易渗漏损失，且油膜强度非常弱，同黏度条件下矽油的抗压抗磨性远逊于其它油种。氯化矽油可用在比较严苛的摩擦环境，但因环保因素氯化矽油已少有人开发了。
矽油在所有需要精美烤漆的产线都需要严格管制，因为矽油容易渗漏，黏附在任何接触到矽油的物体（例如：人手）上就几乎无法清除，当微量矽油被转移到未烤漆的工件表面上之后，该工件的烤漆就注定失败。矽油无法以任何溶剂简单去除，因此最好的办法就是全厂禁用矽油。
矽油一般而言与矽橡胶（VMQ等）以外大部份的常用工程橡、塑胶都可配合使用，但非常低黏度（<10cSt）的矽油则会抽出橡塑胶内的塑化剂导致其硬化、缩小，一般黏度的矽油若在较高温度使用也会有不同程度的塑化剂抽出效应。
矽油分子在高温下其烃基部份被氧化后，黏度会大幅增加甚至胶化。电气接点（开关、插头）的摩擦面在微观尺度下，真正的接触点有非常高的闪点温度，可能达到600~1000°C，因此在接触点表面会逐渐覆盖一层极薄的矽胶，若电气开关或插座上沾到了矽油，在多次开关切换或插拔后，矽胶膜便可能导致整个接点绝缘，因此矽油又称电气杀手。若必须使用，则以苯甲基矽油较合适。
应用.
矽油最常见的润滑应用，是超低温用（<60°C）润滑剂、橡塑胶阀芯/密封环润滑脂、橡塑胶脱模剂、氧气工厂一般润滑油脂、水龙头阀心（主要是陶瓷片）润滑脂、真空设备密封橡胶润滑、仪器的阻尼液等。无论是哪一种应用，矽油与矽油制成的润滑脂都只能承受极轻度的摩擦。
由于矽油的低表面张力特性，润滑油常加入微量矽油作为消泡剂。
由於单枪把手式水龙头的冷热水是由同一阀芯流出，为避免出冷水与出热水时把手扭阻力（使用者的手感）差异过大，阀芯必须使用高黏度指数润滑脂，而矽油有最高的黏度指数，且矽油的低表面张力使得其很难被水流所完全冲走，因此水龙头行业几乎一律使用矽油制成的润滑脂来润滑阀芯。
全氟聚醚.
氟素油，或称氟化油，是全氟聚醚（Per-Fluorinated Poly Ethers, PFPE）的俗称，也称作全氟烷醚（Per-Fluoro Alkylether, PFAE）或全氟聚烷醚（Per-Fluoro Poly Alkylether, PFPAE）。
全氟聚醚是所有润滑基础油类别中最昂贵的族群，目前全世界只有五间公司能够商业化量产各种全氟聚醚基础油：上海艾肯化工，DuPont, Solvay Solex, Daikin, NOK。但全氟聚醚的特殊优势是其可以被回收再生，再生的全氟聚醚成本大为降低。
全氟聚醚的密度一般在~1.9g/cm3，是其它所有基础油种的几乎两倍重。其高密度弥补了低表面张力的缺点，使其在接触点仍有较同样是低表面张力的矽油为高的抗压性。但高密度的性质配合其高公斤单价的缺点，使得采用全氟聚醚的成本远高于任何其它油种。全氟聚醚物理、化学性质非常安定，这使得它对各种润滑添加剂的溶解度很低，这也增加了全氟聚醚润滑产品的开发困难。
全氟聚醚分为性质差异很大的两大族群，根据分子链是否有分支，概可分为线性型（linear）与分支型（branched）两类。再根据聚合单体的不同，可分为均聚型（homopolymer）与共聚型（copolymer）。
全氟聚醚无色无味无毒，可在200°C以上的高温持续工作数百甚至数千小时（与金属成份有关），有所有润滑基础油中最低的蒸气压（10-8~10-16mbar），不受任何酸碱物质侵蚀、不被任何溶剂（除了氟氯碳化物以及低黏度全氟聚醚之外）稀释，与任何橡塑胶均相容，在达到最高耐温限度前几乎完全不氧化，热裂解后完全挥发不留残渣（但若未能挥发则有强酸侵蚀性），对任何固体均有良好附著性（因表面张力低），对辐射也有最好的抵抗能力。此外，全氟聚醚的介电强度也是所有基础油种中最高的，因此常用在电力设施中的高压开关上。
全氟聚醚即使不添加润滑添加剂，本身也有一定程度的抗磨、极压效能。这个特性尤其是以共聚型（Y, Z型）为明显。其作用机制为分子链上的甲醚在摩擦点的高温作用下裂解、与摩擦点的铁原子化合成Fe-F，该部位即类似受一般抗磨剂、极压剂保护的表面一样（形成Fe-S或Fe-P）具有低摩擦系数、防止两摩擦面的金属熔焊沾黏的特性。不过这个特性短期而言是优势，长期而言却会持续破坏全氟聚醚油体的稳定性，因此理想上全氟聚醚润滑油、脂，仍应透过特别开发的润滑添加剂来提供所需的抗磨性能。
全氟聚醚在达到裂解温度前一般是相当安全的，但全氟聚醚制造的润滑油、脂则未必如此。例如多数全氟聚醚润滑剂制造商会使用毒性物质亚硝酸钠（Sodium Nitrite)作为防蚀既抗磨添加剂。由于全氟聚醚可溶解的添加剂种类远少于其它基础油，不使用亚硝酸钠的全氟聚醚润滑剂成本明显较高。
全氟聚醚在用来制造润滑脂时，绝大多数选择直径1 ~ 10微米的聚四氟乙烯（Poly Tetra Fluoro Ethylene, PTFE）作为增稠剂，由于全氟聚醚本身的高分子量，加上聚四氟乙烯的阻隔作用，使得氟化润滑脂有极佳的抗压抗磨性能。
应用.
汽车工业、高温工业设备是全氟聚醚的主要使用产业。下列几种工况条件是全氟聚醚的主要适用环境：
聚醚.
醚（ether）是两个分子链以氧原子连接而成，非常多种化学品均带有醚官能基。在润滑基础油领域，PAG聚二醇与全氟聚醚也属于广义上的聚醚，但如果某基础油被称为聚醚，一般指的是含有5~6个苯环的聚苯醚（Polyphenyl ether, PPE）。
聚苯醚可以耐的温度甚至高于分支型PFPE，有同样低的挥发率与低蒸气压，表面张力很高导致较不易附著于光滑表面上，抗磨耗与减阻效果不错，常被用在通讯与电子设备的电气接点润滑应用之上。另一个特点是抗强辐射。
目前聚苯醚制成的通用型或高效能工业用润滑油脂因成本高昂而较少见，第一个大量使用的案例是美国空军高空3倍音速战略侦察机SR-71黑鸟式侦察机的J-58喷射引擎涡轮油。
应用.
航空液压油、高真空泵用油（特别是）、电气接点润滑、高温或辐射环境润滑等
相溶性.
相溶性（miscibility, solubility），或相混性，是不同润滑基础油先后换用或混和使用时必须注意的原则，不相溶的两种基础油混和会造成不均匀的油体、严重破坏润滑性能。各种常用基础油相互间的相溶性如下：
即使相溶，混用两种基础油时仍需注意其黏度是否相近。
加工基础油.
加工基础油也称为软化油，是石油公司对基础油的一种分类。
其特性大致如下：