Chimia lubrifiantilor

CHIMIA LUBRIFIANTILOR

Lubrifiantii sunt substante care se interpun intre suprafetele de contact aflate in miscare relative a organelor de masini in scopul micsorarii frecarii, astfel incat uzura acestora sa fie minima si sa nu aiba loc o crestere prea mare a temperaturii. In afara ungerii, lubrifiantii mai au si alte roluri, cum ar fi:

inlaturarea caldurii rezultata prin combustie si prin frecare

protectie impotriva coroziunii

asigurarea etanseitatii pistoanelor in cilindri

evitarea patrunderii de particule straine de material in lagare, capabile sa produca grave efecte de uzura prin abraziune.

Regimuri de frecare

Se defineste prin frecare procesul complex de natura moleculara, mecanica si energetica ce are loc intre doua suprafete de contact aflate in miscare relativa. Principalele regimuri de frecare (ungere) sunt: fluida, uscata, limita, mixta, si elastohidrodinamica.

Categorii de lubrifianti

Lubrifianti solizi

Substantele folosite ca lubrifianti solizi trebuie sa aiba aderenta buna la material, capacitatea de a forma un film continuu si durabil, elasticitate si stabilitate termica, conductibilitate electrica, insertie chimica si lipsa de corozivitate, coeficient de frecare mic, granulatie fixa si uniforma, lipsa impuritati.

Se impart in urmatoarele grupe:

substante cu structura cristalina si lamelara (grafitul);

metale moi (plumb, staniu, zinc, cupru)

substante organice de conversie (oxizi ai diferitelor metale, sulfuri, cloruri);

substante nemetalice (sticla, carburi, bromuri, materiale grafito- ceramice)

Lubrifianti gazosi

Acestia asigura un regim de ungere mixt, intermediar intre regimul uscat si cel fluid. Aerul este utilizat cel mai des ca lubrifiant gazos. Propritatile fizice ale gazelor, compresibilitatea, expansibilitatea, valori diferite ale vascozitatii comparativ cu lichidele, determina deosebiri intre ungerea cu lichide si cea cu gaze.

Lubrifianti lichizi

In tehnica sunt utilizati in mare masura lubrifianti lichizi, respectiv uleiuri minerale si uleiuri sintetice. Uleiurile lubrifiante contin unul sau mai multe tipuri de ulei de baza, acestea pot fi parafinice, naftenice sau aromatice. Uleiurile aditivate contin pe langa uleiul de baza substante aditivante si activante mono- si multifunctionale. Proprietaile functionale ale uleiurilor minerale determina comportarea lor in procesul de frecare. Ele pot fi impartite in doua grupe:

proprietati de ungere (lubrifiante)

proprietati fizico - chimice caracteristice functionarii.

Prima categorie asigura reducerea sau preintampinarea formelor de uzura si reducerea pierderilor prin frecare; a doua categorie conditioneaza protectia anticoroziva, cantitatea de depuneri, mentinerea peliculei de lubrifiant la temperaturi ridicate de lucru etc.

Caracteristicile fizice de curgere sunt determinate de: vascozitate, variatia vascozitatii cu temperatura si presiunea, comportarea la temperaturi joase. Vascozitatea caracterizeaza frecarea interna a lubrifiantului, rezistenta la curgere si reprezinta unul din criteriile de baza in alegerea lubrifiantului.

La lichidele in miscare frecarea poate sa apara in urmatoarele situatii:

deplasarea lichidului are loc pe langa un perete solid (tub) cand profilul curgerii este conform figurii 1.

Stratul de lichid care se deplaseaza in vecinatatea peretelui franat prin forte moleculare va curge cu viteze mai mici decat restul straturilor.

Stratul de lichid se deplaseaza unele fata de altele cu viteze diferite pe un  plan orizontal, curgerea are loc conform reprezentarii din figura 2.

Straturile din apropierea planului datorita fortei de coeziune se vor deplasa cu o viteza mai mica decat cele plasate la o distanta mai  mare, astfel incat viteza de deplasare creste cu cresterea distantei fata de planul orizontal, straturile cu viteze mai mari cauta sa antreneze pe cele cu viteze reduse care la randul lor franeaza pe primele.

Apare astfel o forta de frecare notata cu F

F = h A dv/dx

In care h- coeficinet de vascozitate dinamica;

A - suprafata de contact;

dv/dx - gradientul vitezei de curgere, raportata la 1 cm distanta intre straturi.

h = F / A dv/dx  [ Pa s]

In industria lubrifiantilor se lucreaza cu alta unitate a vascozitati si anume vascozitatea cinematica

-v = h r [ St ] Stokes [cSt] centiStokes

Ca unitate de masura comerciala uzuala pentru vascozitate  se foloseste gradul Engler (⁰ E), care arata raportul dintre timpul de curgere a 200 cm³ ulei si timpul de curgere a 200 cm³ apa distilata, la 20 ⁰C, prin orificiul vascozimetrului Engler.

Pentru exprimarea numerica a modului de comportare la uleiurilor cu temperatura, se cunosc un numar mare de sisteme empirice dintre care cel mai utilizat este indicele de vascozitate DEAN - DAVIS. Acesta se stabileste prin compararea uleiului dat cu doua uleiuri de referinta, si anume un ulei ce prezinta o variatia foarte mica a vascozitatii cu temperatura si al doilea cu variatie foarte mare a vascozitatii cu temperatura.

Caracteristicile de ungere ale uleiurilor sunt conditionate de proprietatile lor tensioactive si de rezistenta la presiuni ridicate.  Proprietatile tensioactive se manifesta in fenomenele de emulsionare, spumare, adsorbtie si ungere. Ele sunt influentate de prezenta in ulei a unor substante cu grupari polare: carboxil, hidroxid sau atomi de S, clor.

Emulsionarea uleiurilor in prezenta apei este determinata de concentratia gruparilor polare la interfata ulei - apa. Prezenta unor substante tensioactive in apa stabilizeaza emulsia formata.

Spumarea uleiului este cauzata de prezenta gazelor. Spumarea uleiului determina formarea dopurilor de vapori in pompe si in circuitele de ungere, pierderi de lubrifiant si favorizeaza degradarea oxidativa a uleiului.

Fenomenul de adsorbtie consta in concentrarea substantelor polare din ulei pe suprafata metalica, ceea ce confera uleiului capacitatea de a forma o pelicula aderenta si rezistenta.

Factorii care conditioneaza aderarea rezistenta a lubrifiantului sunt: starea energetica a suprafetelor ulei - metal, natura si conditiile de stare ale suprafetelor in miscare relativa.

Aditivi pentru uleiuri minerale

Prin adaugarea aditivilor se asigura uleiului proprietatile necesare pentru exploatare cum ar fi: detergenta, onctuozitatea (aderenta), proprietati antiuzura, anticorozive.

Conditiile de baza pe care trebuie sa le indeplineasca o substanta pentru a fi utilizata ca aditiv sunt:

sa fie solubila in uleiul de baza;

sa fie insolubila in apa;

sa aiba o tensiune de vapori redusa pentru a nu se volatiliza;

sa fie stabila din punct de vedere chimic la actiunea agentilor fizici si chimici;

sa nu corodeze otelul sau aliajele moi la temperatura de functionare;

sa nu distruga materialul de etansare;

sa aiba proprietati bune atat la viteze si sarcini mici cat si la sarcini mari.

Aditivii pot fi grupati dupa urmatoarele criterii:

a)     Proprietatile lor fizice si reologice: aditivi pentru imbunatatirea indicelui de vascozitate, aditivi pentru coborarea temperaturii de congelare;

b)     Proprietatile tribo - chimice (tribo - frecare): aditivi detergenti, aditivi pentru reducerea frecarii si uzurii, aditivi de onctuozitate, aditivi antirugina, antispumanti;

c)     Proprietatile chimice: aditivi pentru imbunatatirea rezistentei la oxidare si la coroziune.

Cei mai utilizati aditivi pentru imbunatatirea indicelui de vascozitate sunt produsii macromoleculari cu molecule filiforme si mase moleculare diferiteobtinuti prin polmerizare. Din aceasta grupa fac parte: poliizobutilenele, polimetacrilatii, polistirenii etc.

Aditivi depresanti ai punctului de congelare

Incetarea curgerii unui ulei mineral se datoreaza fie cristalizarii hidrocarburilor parafinice cu masa moleculara mare, fie cresterii vascozitatii odata cu scaderea temperaturii.

Aditivii depresanti sunt compusi din clase diverse: saruri metalice ai unor acizi grasi (sapunuri), esteri organici (polimetacrilati), compusi clorurati, polialcooli.

Aditivi detergent - dispersanti

Reprezinta o grupa de aditivi foarte utilizata in special pentru uleiurile de motor, deoarece impiedica ingrosarea acestora prin depunerea de particule solubile ce se acumuleaza in perioada de utilizare a uleiului.

Se impart in doua clase:

compusi organo - metalici numiti aditivi cu cenusa in cazul carora predomina  capacitatea neutralizanta;

compusi organici si aditivi fara cenusa, cu caracter dispersant predominant.

Eficacitatea acestor aditivi depinde de natura uleiului de baza si a  combustibilului folosit, de natura aditivului, de solubilitatea si concentratia aditivului in ulei, de conditiile de lucru si de caracteristicile constructive ale motorului.

Aditivi pentru reducerea frecarii si uzurii

Asigura formarea unui film de lubrifiant mai puternic adsorbit  datorita reactiei aditivului cu suprafata metalului. Eficacitatea lor este conditionata de rezistenta redusa la frecare a stratului de protectie ce se formeaza pe suprafata si de capacitatea acestuia de a separa suprafetele, impiedicand stabilirea punctelor de adeziune.

Compusii chimici cei mai utilizati in acest scop sunt: uleiuri si grasimi de origine vegetala si animala, acizi grasi si esteri ai acestuia,  compusi organici complecsi ce contin atomi de fosfor, clor , sulf.

Aditivi antispumanti

Acestia reduc tendinta de spumare a uleiului si micsoreaza stabilitatea spumei. Efectul se realizeaza prin adaugarea in uleiul de baza a alcoolilor superiori (pana la 20 atomi de C) a unor fosfati organici sau a unor compusi siliconici.

Aditivi antioxidanti cu actiune anticoroziva

Datorita temperaturii ridicate a pieselor cu care uleiul vine in contact, a stratului de aer si prezentei in ulei a unor particule metalice fin divizate ce prezinta efecte catalitice (Fe, Cu , Pb) are loc un proces intens de oxidare a uleiului, cu formare de rasini solubile, produsi alifatici insolubili si compusi care determina coroziunea metalelor. Ca inhibitori de oxidare si coroziune se folosesc alchilfenoli, amine aromatice secundare sau mixte.

Aditivi polifunctionali

Sunt substante de tipul ditiofosfatilor, polimetacrilatilor care introduse in ulei amelioreaza mai multe proprietati simultan, unul din efecte fiind dominant.

Uleiuri sintetice

Acestea sunt produse de sinteza in care existenta unor legaturi diferite de tipul C-C si C-H ii confera lubrifiantului proprietati ca stabilitate, variatie redusa a vascozitatii cu temperatura, rezistenta fata de efectele de degradare determinate de solicitarile mecanice de frecare.