Entschäumer, Dispergiermittel und Detergenzien in Schmierstoffen: Ein umfassender Leitfaden

Additive können Öle mit ihren Eigenschaften verstärken, unterdrücken oder ihnen neue Eigenschaften verleihen. Entschäumer, Dispergiermittel und Reinigungsmittel sind keine Ausnahmen. Dieses Additivtrio ist in den meisten fertigen Schmiermitteln enthalten, wenn auch in unterschiedlichen Verhältnissen.

Lassen Sie uns die Hauptunterschiede zwischen diesen dreien besprechen, warum jeder so wichtig ist und wie man sein Vorhandensein bestätigen kann.

Was ist der Unterschied?

Obwohl es sich bei allen um Additive handelt (die mit dem Buchstaben D beginnen), sind ihre Funktionen deutlich unterschiedlich. Sie alle schützen das Öl vor verschiedenen Arten von Verunreinigungen.

Entschäumer reduzieren beispielsweise die Luftblasen im Öl. Gleichzeitig halten Reinigungsmittel die Metalloberflächen sauber und Dispergiermittel kapseln die Verunreinigungen ein, sodass sie im Schmierstoff suspendiert werden.1 Dies ist in Abbildung 1 dargestellt.

Von unserem letzten Artikel an Schmierstoffzusätze – Ein umfassender Leitfaden. Hier finden Sie einige detaillierte Beschreibungen der Funktionsweise jedes dieser Zusatzstoffe.

Entschäumer

Wenn sich im Schmiermittel Schaum bildet, werden winzige Luftbläschen entweder an der Oberfläche oder im Inneren eingeschlossen (sogenannter Innenschaum). Entschäumer wirken, indem sie an der Schaumblase adsorbieren und die Oberflächenspannung der Blase beeinflussen. Dadurch kommt es zur Koaleszenz und zum Platzen der Blase auf der Schmierstoffoberfläche1.

Für den sich an der Oberfläche bildenden Schaum, den sogenannten Oberflächenschaum, werden Entschäumer mit einer geringeren Oberflächenspannung eingesetzt. Sie sind in der Regel nicht im Grundöl löslich und müssen fein dispergiert sein, um auch nach längerer Lagerung oder Verwendung ausreichend stabil zu sein.

Andererseits kann der Innenschaum, bei dem es sich um fein verteilte Luftbläschen im Schmierstoff handelt, stabile Dispersionen bilden. Herkömmliche Entschäumer sollen den Oberflächenschaum kontrollieren, aber den Innenschaum stabilisieren2.

Dispergiermittel

Andererseits sind Dispergiermittel auch polar und halten Verunreinigungen und unlösliche Ölbestandteile im Schmierstoff suspendiert. Sie minimieren die Partikelagglomeration, was wiederum die Viskosität des Öls aufrechterhält (im Vergleich zur Partikelkoaleszierung, die zu einer Verdickung führt). Im Gegensatz zu Detergenzien gelten Dispergiermittel als aschefrei. Sie arbeiten typischerweise bei niedrigen Betriebstemperaturen.

Reinigungsmittel

Reinigungsmittel are polar molecules that remove substances from the metal surface, similar to a cleaning action. However, some detergents also provide antioxidant properties. The nature of a detergent is essential, as metal-containing detergents produce ash (typically calcium, lithium, potassium, and sodium)1.

Sind Entschäumer notwendig?

Entschäumer, also called antifoam additives, are found in many oils. Most oils need to keep foam levels to a minimum, and it is very easy for foam to form in lube systems due to their design and flow throughout the equipment.

Wenn Schaum in das Öl eindringt, kann dies dessen Fähigkeit zur ausreichenden Oberflächenschmierung beeinträchtigen. Dies kann zu oberflächlichem Verschleiß und damit zu Schäden an der Anlage führen.

Viele Öle benötigen Entschäumer, um je nach Anwendung unterschiedliche Funktionen und in unterschiedlichen Verhältnissen zu erfüllen. In Automatikgetriebeflüssigkeiten (ATFs) werden Entschäumungsmittel normalerweise in Konzentrationen von 50–400 ppm benötigt, um übermäßige Schaumbildung und Lufteinschlüsse zu verhindern3. Für Schaltgetriebeöle und Achsschmierstoffe sind dagegen Entschäumer in etwas geringeren Konzentrationen erforderlich, nämlich zwischen 50 und 300 ppm.

Allerdings müssen OEMs diese Konzentrationen überprüfen. Ist die Konzentration der Entschäumer zu hoch, kann dies sogar zu einer verstärkten Schaumbildung führen. Darüber hinaus müssen Entschäumer im richtigen Verhältnis zu den anderen Additivpaketen stehen, um sicherzustellen, dass sie keine negative Wirkung auf ein anderes Additiv haben.

Es gibt zwei Haupttypen von Entschäumern: Silikonentschäumer und silikonfreie Entschäumer. Silikonentschäumer gelten als die wirksamsten Entschäumer, insbesondere bei geringen Konzentrationen von etwa 1 %. Diese Entschäumungsmittel werden typischerweise in aromatischen Lösungsmitteln vorgelöst, um eine stabile Dispersion zu gewährleisten.

Mit Silikonentschäumern sind jedoch zwei erhebliche Nachteile verbunden. Aufgrund ihrer Unlöslichkeit können sie leicht aus dem Öl austreten und haben eine starke Affinität zu polaren Metalloberflächen.

Andererseits sind silikonfreie Entschäumer eine weitere Alternative, insbesondere für Anwendungen, die silikonfreie Schmierstoffe erfordern. Zu diesen Anwendungen gehören Metallbearbeitungsflüssigkeiten und Hydraulikflüssigkeiten, die ähnlich wie silikonfreie Flüssigkeiten verwendet werden, und sogar solche, die beim Auftragen von Farben oder Lacken auf diese Teile zum Einsatz kommen.

Zu den silikonfreien Entschäumern gehören Polyethylenglykole (PEG), Polyether, Polymethacrylate und organische Copolymere. Tributylphosphat ist auch eine weitere Option für Entschäumer4.

Warum sind Dispergiermittel wichtig?

Sehr oft werden Detergentien und Dispergiermittel in Gruppen zusammengefasst, vor allem weil sich ihre Funktionen ergänzen können. Wie oben erwähnt, besteht der wesentliche Unterschied darin, dass Dispergiermittel aschefrei sind, während Detergenzien eher metallhaltige Verbindungen sind.

Allerdings bieten einige aschefreie Dispergiermittel auch „reinigende“ Eigenschaften, sodass sich beide nicht gegenseitig ausschließen.

Ein großer oleophiler Kohlenwasserstoffschwanz und eine polare hydrophile Kopfgruppe können Detergenzien und Dispergiermittel kategorisieren. Typischerweise löst sich der Schwanz in der Grundflüssigkeit auf, während der Kopf von den Verunreinigungen im Schmiermittel angezogen wird.

Dispergiermittelmoleküle umhüllen die festen Verunreinigungen und bilden Mizellen, und die unpolaren Schwänze verhindern die Anhaftung dieser Partikel an den Metalloberflächen, sodass sie zu größeren Partikeln agglomerieren und suspendiert erscheinen.

Aschefreie Dispergiermittel sind per Definition solche, die kein Metall enthalten und typischerweise aus Kohlenwasserstoffpolymeren abgeleitet sind, wobei Polybutene (PIBs) am beliebtesten sind.

Beispielsweise sind Dispergiermittel typischerweise in Konzentrationen von 2–6 % in ATFs erforderlich und werden verwendet, um die Sauberkeit aufrechtzuerhalten, Schlamm zu verteilen und Reibung und Verschleiß zu reduzieren3. Diese Werte in Schaltgetriebeflüssigkeiten und Achsschmiermitteln variieren zwischen 1 und 4 %.

Reinigen Reinigungsmittel wirklich?

Traditionell erhielten Waschmittel ihren Namen, weil man davon ausging, dass sie dem Öl ähnlich wie Waschmittel reinigende Eigenschaften verleihen. Diese metallhaltigen Verbindungen stellen jedoch auch eine alkalische Reserve bereit, die zur Neutralisierung saurer Verbrennungs- und Oxidationsnebenprodukte verwendet wird.

Aufgrund ihrer Beschaffenheit dispergieren diese Verbindungen Partikel wie Abrieb- und Rußpartikel, anstatt sie zu entfernen (in einer Reinigungswirkung). Es gibt vier Haupttypen von Reinigungsmitteln: Phenate, Salicylate, Thiophosphate und Sulfonate4.

Calciumphenolate sind die häufigste Phenatart. Sie entstehen durch die Synthese alkylierter Phenole mit elementarem Schwefel oder Schwefelchlorid und anschließender Neutralisation mit Metalloxiden oder -hydroxiden. Diese Calciumphenolate haben gute Dispergiereigenschaften und besitzen ein größeres Säureneutralisationspotential.

Salicylate haben zusätzliche antioxidative Eigenschaften und eine nachgewiesene Wirksamkeit in Dieselmotorölformulierungen. Sie werden durch Carboxylierung alkylierter Phenole mit anschließender Metathese in zweiwertige Metallsalze hergestellt. Diese Produkte werden dann mit überschüssigem Metallcarbonat überalkalisiert, um hochbasische Reinigungsmittel zu bilden.

Thiophosphonate werden heute nur noch selten verwendet, da es sich um ein überbasisches Produkt handelt.

Sulfonate verfügen im Allgemeinen über hervorragende Korrosionsschutzeigenschaften. Die neutralen (oder überalkalisierten) Sulfonate verfügen über ein hervorragendes Reinigungs- und Neutralisierungspotenzial. Diese neutralen Sulfonate werden typischerweise mit kolloidal dispergierten Metalloxiden oder -hydroxiden gebildet.

Calciumsulfonate sind relativ günstig und haben eine gute Leistung. Andererseits weisen Magnesiumsulfonate hervorragende Korrosionsschutzeigenschaften auf, können jedoch nach thermischem Abbau harte Ascheablagerungen bilden, die zum Polieren der Bohrungen in Motoren führen. Bariumsulfonate werden aufgrund ihrer toxischen Eigenschaften nicht verwendet.

Reinigungsmittel in ATFs are used in concentrations of 0.1-1.0% for cleanliness, friction, corrosion inhibition, and reduction of wear3. However, these values are a bit higher in manual transmission fluids, at 0.0 – 3.0%. On the other hand, no detergents are required for axle lubricants!

Was passiert, wenn diese Zusatzstoffe aufgebraucht sind?

Bei den drei Zusatzstoffen, über die wir zuvor gesprochen haben, ist jeder auf die eine oder andere Weise Opfer. 

Entschäumer get used up when they are called upon to reduce the foam in the oil. On the other hand, detergents and dispersants use their characteristics to suspend contaminants in the oil.

In all diesen Szenarien kann davon ausgegangen werden, dass jedes dieser Additive im Laufe der Zeit erschöpft ist. Bei der Ausübung ihrer Aufgaben kommt es zu Reaktionen, die ihre Fähigkeit, diese mehr als einmal auszuführen, beeinträchtigen.

Daraus lässt sich schließen, dass diese Additive mit der Zeit aufgebraucht werden, auch wenn sie das Öl möglicherweise nicht physikalisch verlassen haben, sondern nun in einer anderen Form vorliegen.

Die Entlüftungseigenschaften des Öls werden durch den Verlust von Entschäumungsmitteln beeinträchtigt. Dieser Wert wird deutlich ansteigen, was darauf hindeutet, dass es länger dauert, bis Luft aus dem Öl freigesetzt wird. Daher verbleibt die Luft im Öl entweder in freiem, gelöstem, mitgerissenem oder schaumigem Zustand.

Dies beeinträchtigt folglich die Fähigkeit des Öls, die Komponenten ordnungsgemäß zu schmieren, und kann sogar zu Mikrodieselbildung und erhöhten Öltemperaturen in der Ölwanne führen.

Andererseits nimmt mit der Reduzierung der Detergentien und Dispergiermittel auch die Fähigkeit des Öls ab, Verunreinigungen festzuhalten.

Daher wird man feststellen, dass sich im Inneren der Geräte Ablagerungen bilden können, die zum Festsitzen von Ventilen (insbesondere in hydraulischen Systemen) oder zu einem allgemeinen Anstieg der Systemtemperatur führen können, da diese Ablagerungen Wärme speichern können.

Bei erhöhter Temperatur kann das Öl zu oxidieren beginnen, was zur Bildung weiterer Ablagerungen und möglicherweise sogar zur Bildung von Lack führt.

Im Wesentlichen sind diese Zusätze für die Gesundheit des Öls in Ihrem System von entscheidender Bedeutung. Die Reinigungs- und Dispergiermittel können dabei helfen, Ihr System sauber (frei von Verunreinigungen wie Ruß) zu halten.

Die Entschäumer können sogar das Risiko von Verschleiß, erhöhten Temperaturen im Schmiersystem, der Möglichkeit der Lackbildung oder der Möglichkeit von Mikrodieselung verringern.

Bruno Defelippe aus Paraguay ist verwirrt über Mineralöle.

„Sind nicht alle Motoröle ‚Mineralöle‘?“ er fragt. „Was ist der Unterschied zu ‚nicht mineralischen Ölen‘ – falls es welche gibt?“

Wie bei so vielen Dingen in der Luftfahrt – und im Leben – lautet die Antwort „naja, irgendwie, irgendwie ja.“ Alle Motoröle sind Mineralöle.

Das Problem hierbei ist, dass jede Branche, jede Region des Landes und jeder Beruf ihre eigene Sprache und Terminologie haben.

Vor vielen Jahren hielt ich einen Vortrag vor einer Gruppe, zu der mehrere Ärzte gehörten. Nach dem Gespräch bemerkte einer von ihnen, dass er einen neuen Motor in seinem Flugzeug habe und nicht wisse, dass er in die Krankenhausapotheke gehen und dort einfach etwas Mineralöl für seinen Motor besorgen könne.

Nachdem ich mich etwas geklärt hatte, erklärte ich, dass sich Mineralöl in der allgemeinen Luftfahrt auf ein Produkt bezieht, das der Spezifikation Mil-L-6082E/SAE 1966 für Luftfahrtöle entspricht.

Es wird normalerweise für den Einlaufprozess einiger Flugzeugkolbenmotoren verwendet und besteht im Grunde nur aus mineralischen Grundölen fast ohne Zusatzstoffe (mit Ausnahme einer kleinen Menge Antioxidans und Stockpunkterniedriger). 

Die Theorie hinter der Verwendung von Mineralöl zum Einlaufen neuer oder überholter Motoren ist, dass ohne aschefreie Dispergiermittel-Sauberkeitsadditive mehr Metallverschleißpartikel aus den neuen Teilen im Ringgürtelbereich verbleiben und als Läppmittel für den Verschleiß in den neuen Zylindern und Ringsätzen wirken.  

Die andere Klassifizierung für Kolbenmotorenöle für die Luftfahrt ist die Spezifikation Mil-L-22851D/SAE 1899 für Öle, die normalerweise als AD oder aschefreies Dispergieröl bezeichnet werden. Bei diesen Produkten handelt es sich im Allgemeinen nur um Mineralölprodukte mit Zusatz eines aschefreien Dispergiermittels für verbesserte Sauberkeit.

Eine Ausnahme bilden hier halb- oder teilsynthetische Mehrbereichsöle, die mit einigen nicht mineralischen Ölgrundstoffen gemischt werden.

Viele Leute bezeichnen AD-Öle fälschlicherweise als Detergensöle – und das funktioniert auch in der Luftfahrtbranche, wo es nur die beiden Ölspezifikationen für zertifizierte Öle für Flugzeugkolbenmotoren gibt.

Bei anderen Klassifizierungen von Ölen ist dies jedoch falsch. In der Welt der Schmierstoffe ist ein Detergensöl ein Öl, das im Gegensatz zu einem aschefreien Dispergiermittel ein Detergens auf Asche- oder Metallbasis enthält. Der Unterschied klingt gering, doch beim Motor gibt es einen deutlichen Unterschied.

In einem Flugzeugmotor führt ein ascheartiges Reinigungsöl zu Ablagerungen im Motor, die wahrscheinlich zu einer Vorzündung führen und den Motor wahrscheinlich zerstören.  

Welches Öl sollte ich zum Einlaufen des Motors meines Flugzeugs verwenden?

Welches Öl sollten Sie also zum Einlaufen eines neuen Motors verwenden? Die Antwort hängt davon ab, welches Unternehmen Ihren Motor hergestellt oder umgebaut hat und welche Empfehlungen dieses Unternehmen gibt.

Continental empfiehlt zum Beispiel, für alle Motoren beim Einlaufen ein Mineralöl zu verwenden, das der Spezifikation Mil-L-6082/SAE 1966 entspricht. Lycoming empfiehlt jedoch die Verwendung eines AD-Öls gemäß der Spezifikation Mil-L-22851/SAE 1899 für die Einlaufphase seiner Turbomotoren und Mineralöl für die Einlaufphase der meisten Kolbenmotoren ohne Turbolader. Für bestimmte Modelle gibt es auch teilweise abweichende Empfehlungen, etwa für die Motorenserie O-320H von Lycoming. 

Darüber hinaus haben mehrere Werkstätten für Motor- und Zylinderüberholungen ihre eigenen Empfehlungen.

Was ist also das Fazit der Ölempfehlungen?

Erkundigen Sie sich immer bei den Leuten, die Ihren Motor gebaut haben, nach deren Empfehlungen für die Einfahrphase und befolgen Sie diese Empfehlungen dann genau. 

Fragen Sie auch nach Empfehlungen, welches Öl nach der Einfahrzeit verwendet werden soll und welche Ölwechselintervalle empfohlen werden. 

Verwenden Sie nur – und ich meine nur – Öle, die den empfohlenen Mil/SAE-Spezifikationen entsprechen.

Letzter Tipp: Überwachen Sie immer Ihre Öltemperatur und passen Sie sie an, um sie während der Fahrt auf etwa 180 °F zu bringen. Während das Öl durch den Motor fließt, wird es bis zu 50 °C heißer als angegeben. Wenn Ihre Temperatur deutlich unter 180 °C liegt, verdampft das Wasser nicht, und wenn die Temperatur deutlich über 180 °C liegt, kann es zu einer Verkokung des Öls kommen.  

Diese MIL-L-22851-Spezifikation legt die Anforderungen für Schmieröle fest, die aschefreie Dispergiermittelzusätze enthalten, die in Viertakt-Hubkolben-Flugzeugmotoren verwendet werden sollen. Diese Spezifikation wird gelöscht. Ersetzt durch SAE-J1899.

Mil-Spec