Additivestoffe für Schmiermittel: Ein umfassender Leitfaden

Schmierstoffe halten die Welt am Laufen. Sobald sich etwas bewegt, sollte ein Schmiermittel vorhanden sein, um die Reibung oder den Verschleiß zwischen den Oberflächen zu verringern. Doch was macht Schmierstoffe in unserer Branche so einzigartig? Liegt es nur am Grundöl?

Nein, hier liegt die Kraft Schmierstoffzusätze glänzt wirklich, ein Bereich, den viele übersehen. Dieser Artikel konzentriert sich mehr auf die unbesungenen Helden der Branche, die beteiligten Typen, ihre Funktionalitäten und einige Herausforderungen.

Warum brauchen wir Schmierstoffadditive?

Bevor wir in die Welt der Zusatzstoffe eintauchen, kehren wir zu den Grundlagen zurück: Warum werden sie benötigt? Ein Schmierstoff besteht aus Grundöl und Additiven. Abhängig von der Art des Öls werden für die verschiedenen Anwendungen unterschiedliche Verhältnisse an Additiven verwendet. Darüber hinaus verfügt jeder Schmierstoff-OEM über eine einzigartige Formel für seinen Schmierstoff.

Um dies zu vereinfachen, können wir uns vorstellen, eine Tasse Tee zuzubereiten. Das erste, was wir brauchen, ist etwas heißes Wasser in einer Tasse. Dies kann unser Grundöl sein. Es kann allein verwendet werden (manche Leute trinken heißes Wasser oder verwenden es für andere Zwecke), aber wenn wir eine Tasse Tee zubereiten möchten, müssen wir etwas hinzufügen.

Abhängig vom Zweck, zu dem Sie den Tee trinken, können Sie eine bestimmte Geschmacksrichtung wählen. Vielleicht Pfefferminze zur Verbesserung der Verdauung oder zur Verbesserung Ihrer Konzentration oder Kamille, um Sie ruhig zu halten.

Diese Geschmacksrichtungen können die verschiedenen Arten von Ölen repräsentieren: Getriebeöle, Turbinenöle oder Motoröle. Unterschiedliche Mischungen eignen sich für unterschiedliche Anwendungen.

Während wir nun den Teebeutel in das heiße Wasser gegeben haben (und manche Menschen können so Tee trinken), müssen andere noch Süßstoff oder Milch hinzufügen. Dies sind die Zusätze zum Grundöl (Heißwasser).

Abhängig von den Vorlieben der Person, die den Tee trinkt, sind unterschiedliche Mengen an Süßungsmitteln (Honig, Stevia oder Zucker) und unterschiedliche Mengen an Milch (normal, fettarm, Hafer, milchfrei) enthalten. Die Kombinationsmöglichkeiten sind endlos!

Das Gleiche gilt für Zusatzstoffe in fertigen Schmierstoffen. Abhängig von der Art des Öls (Teegeschmack, Think-Gear- oder Turbinenöl) und seiner Anwendung (die Person, die den Tee trinkt, mit Ernährungspräferenzen, die milch- oder zuckerfrei sind), unterscheiden sich die Kombination von Schmierstoffzusätzen und deren Verhältnisse. Der Anteil der Additive kann je nach Ölsorte zwischen 0,001 und 30 % variieren.

Der fertige Schmierstoff weist die Eigenschaften des Grundöls und der Additive in Kombination auf. Lassen Sie uns etwas genauer untersuchen, wie diese Zusatzstoffe funktionieren und welche Eigenschaften sie haben.

Arten von Schmierstoffadditiven

Es gibt viele Arten von Schmierstoffadditiven und verschiedene Formulierungen von verschiedenen Anbietern. In diesem Abschnitt gehen wir auf die häufigsten Zusatzstoffe ein, die in fertigen Schmiermitteln enthalten sind.

Stockpunkterniedriger

Alle Flüssigkeiten haben eine bestimmte Temperatur, bei der sie effektiv fließen können. Die Viskosität und die aktuelle Temperatur der Flüssigkeit bestimmen, wie schnell sie sich bewegt. Wie der Name schon sagt, können Stockpunkterniedriger dazu beitragen, die Temperatur zu senken, bei der das Schmiermittel fließt1.

Viskositätsindexverbesserer

Viskositätsindexverbesserer are also known as Viscosity Modifiers2. They assist the lubricant in increasing its viscosity at higher temperatures, allowing lubricants to operate in wider temperature ranges.

Reibungsmodifikatoren

Wenn zwei Oberflächen aneinander reiben, entsteht Reibung. Abhängig von der Art und dem Ausmaß der Reibung kann es auf manchen Oberflächen zu Verschweißungen und sogar adhäsivem Verschleiß kommen. Hier können Reibungsmodifikatoren Abhilfe schaffen, indem sie die mit Stick-Slip-Schwingungen und Geräuschen verbundenen Reibungskräfte reduzieren.

Entschäumer (Antifoam)

Einige Schmierstoffe unterliegen der Schaumbildung in ihren Systemen. Wenn Schaum entsteht, beeinträchtigt dies die Funktionen des Schmiermittels erheblich und kann aufgrund mangelnder Schmierung (sie zerstören die Oberfläche des Schmiermittels), Kavitation (aufgrund der Anwesenheit von Luftblasen) und sogar erhöhter Oxidation (aufgrund der Anwesenheit von im System eingeschlossener Luft) zu übermäßigem Verschleiß führen. Schaum kann auch die Fähigkeit einer Flüssigkeit beeinträchtigen, Wärme zu übertragen oder zu kühlen. Entschäumer bzw. Antischaumzusätze verringern die Schaumbildung.

Oxidationshemmer (Antioxidantien)

Bei den meisten Schmierstoffen kommt es zu Oxidation. Während des Oxidationsprozesses entstehen freie Radikale, die sich zu Alkyl- oder Peroxyradikalen und Hydroperoxiden ausbreiten, die schließlich mit anderen reagieren und Oxidationsnebenprodukte bilden. Während der Ausbreitungsphase werden üblicherweise Antioxidantien eingesetzt, um die freien Radikale zu neutralisieren oder die Hydroperoxide zu zersetzen3. Daher haben diese Additive Opfercharakter, da sie das Grundöl vor Oxidation durch Erschöpfung schützen.

Es gibt viele Arten von Antioxidantien, darunter Phenole und aromatische Stickstoffverbindungen, gehinderte Phenole, aromatische Amine, Zinkdithiophosphate und einige andere.

Rost- und Korrosionsinhibitoren

Wenn an einer eisenhaltigen Stelle Sauerstoff und Wasser vorhanden sind, kann sich Rost bilden. Bei Anwesenheit von Säuren im Schmierstoff greift Korrosion die Nichteisenmetalle an1. Die meisten Geräte unterliegen leicht Rost und Korrosion. Daher wurden diese Inhibitoren entwickelt, um diese Auswirkungen abzuschwächen, indem sie Schutzschichten auf den Oberflächen der Geräte bilden.

Detergentien und Dispergiermittel

Detergentien und Dispergiermittel werden oft verwechselt, da sie in der Regel zusammenwirken, um die Ansammlung von Ablagerungen in den Ölen zu verhindern. Reinigungsmittel neutralisieren Ablagerungsvorläufer (insbesondere in Motorölen), während Dispergiermittel die potenziellen Schlamm- oder Lackbildner suspendieren4.

Antiverschleißadditive

Antiverschleißadditive reduzieren Reibung und Verschleiß, insbesondere bei Grenzschmierbedingungen. Sie sollen den Verschleiß reduzieren, wenn das System mäßiger Belastung ausgesetzt ist2.

Hochdruckadditive

Extreme-Pressure-Additive werden üblicherweise mit Verschleißschutzadditiven verwechselt oder die Bezeichnungen werden synonym verwendet. Hochdruckadditive beginnen jedoch zu wirken, wenn das System einer hohen Belastung ausgesetzt ist, und versuchen, das Verschweißen beweglicher Teile zu verhindern, im Gegensatz zu Antiverschleißadditiven, die wirken, wenn das System einer mäßigen Belastung ausgesetzt ist.

Wie wirken Schmierstoffadditive?

Jedes Additiv wirkt anders, um seine Wirkung auf das Grundöl und das gesamte fertige Schmiermittel auszuüben. In diesem Abschnitt wird untersucht, wie die einzelnen Schmiermittelzusätze funktionieren und welche Herausforderungen dabei auftreten können.

Stockpunkterniedriger

Wie oben erwähnt, helfen die Pourpoint-Erniedriger dabei, den Fluss des Schmiermittels zu kontrollieren. Dies wird durch die Modifizierung der im Grundöl des Schmierstoffs vorhandenen Wachskristalle erreicht. Bei niedrigeren Temperaturen lässt sich die Flüssigkeit normalerweise nur schwer gießen, da im Grundöl Wachsmoleküle vorhanden sind1.

Es gibt zwei Haupttypen von Pourpoint-Erniedrigern, nämlich:

• Alkylaromatische Polymere Adsorbieren Sie bei der Bildung der Wachskristalle und verhindern Sie so, dass sie wachsen und aneinander haften. Dadurch wird der Kristallisationsprozess effektiv gesteuert und sichergestellt, dass das Schmiermittel ausgegossen werden kann.
• Polymethacrylate Cokristallisieren Sie mit Wachs, um Kristallwachstum zu verhindern.

Diese Zusatzstoffe verhindern zwar das Wachskristallwachstum nicht vollständig, senken jedoch die Temperatur, bei der diese starren Strukturen gebildet werden. Diese Additive können eine Stockpunkterniedrigung von bis zu 28 °C (50 °F) erreichen; Der übliche Bereich liegt jedoch typischerweise zwischen 11 und 17 °C (20 und 30 °F).

Löslichkeitsschwellen können die Verwendung dieser Art von Additiv einschränken, um die gewünschte Wirkung auf das Grundöl zu erzielen.

Viskositätsindexverbesserer

Bei diesen Additiven handelt es sich typischerweise um langkettige Polymere mit hohem Molekulargewicht, die ihre Konfiguration im Schmierstoff je nach Temperatur ändern4. Wenn sich das Schmiermittel in einer kalten Umgebung befindet, nehmen diese Polymere eine gewickelte Form an, um die Auswirkung auf die Viskosität zu minimieren. In einer heißen Umgebung hingegen glätten sie sich, wodurch das Öl eine verdickende Wirkung entfalten kann.

Während es wünschenswerter ist, Polymere mit hohem Molekulargewicht zu verwenden (da sie eine bessere Verdickungswirkung haben), unterliegen diese langkettigen Moleküle auch einem Abbau durch mechanische Scherung. Daher muss ein Gleichgewicht zwischen Molekulargewicht und scherstabilem Betriebszustand erreicht werden.

Eine weitere Herausforderung für Formulierer besteht darin, die Scherneigung des Polymers mit der erwarteten Viskositätsverdickung aufgrund oxidativer Prozesse und der Viskositätsverdünnung aufgrund der Kraftstoffverdünnung in Einklang zu bringen1.

Reibungsmodifikatoren

Diese konkurrieren normalerweise mit den Antiverschleiß- und Hochdruckadditiven (und anderen polaren Verbindungen) um Platz auf der Oberfläche. Sie werden jedoch bei Temperaturen aktiviert, bei denen die Additive AW und EP noch nicht aktiv sind. So bilden sie dünne monomolekulare Schichten physikalisch adsorbierter polarer löslicher Produkte oder tribochemische reibungsmindernde Kohlenstoffschichten, die ein geringeres Reibungsverhalten aufweisen als AW- und EP-Additive2.

Aufgrund ihrer Funktion gibt es verschiedene Gruppen von Reibungsmodifikatoren. Bei einigen handelt es sich um mechanisch arbeitende FMs (feste Schmiermittel, z. B. Molybdändisulfid, Graphit, PTFE usw.), Adsorptionsschichten, die FMs bilden (z. B. Fettsäureester usw.), tribochemische Reaktionsschichten, die FMs bilden, Reibungspolymere, die FMs bilden, und metallorganische Verbindungen.

Entschäumer (Antifoam)

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.

Oxidationsinhibitoren

Wie oben erwähnt, werden Antioxidantien normalerweise während der Ausbreitungsphase eingesetzt, um die Radikalfänger zu neutralisieren oder die Hydroperoxide zu zersetzen3. Es gibt zwei Hauptformen von Antioxidantien: primäre und sekundäre Antioxidantien.

Primäre Antioxidantien, auch Radikalfänger genannt, entfernen Radikale aus Öl. Die häufigsten Arten sind Amine und Phenole.

Sekundäre Antioxidantien sollen Peroxide eliminieren und im Schmiermittel nicht reaktive Produkte bilden. Einige Beispiele umfassen Zinkdithiophosphat (ZDDP) und geschwefelte Phenole.

Es gibt auch gemischte Antioxidantiensysteme, bei denen zwei Antioxidantien eine synergistische Beziehung haben. Ein Beispiel ist die Beziehung zwischen Phenolen und Aminen, bei der Phenole während der Oxidation früh abgebaut werden, während Amine später abgebaut werden. Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung primärer und sekundärer Antioxidantien zur Entfernung von Radikalen und Hydroperoxiden.

Rost- und Korrosionsinhibitoren

Rost- und Korrosionsinhibitoren sind in der Regel lange Alkylketten und polare Gruppen, die in einer dicht gepackten Formation hydrophober Schichten auf der Metalloberfläche adsorbiert werden können.

Dabei handelt es sich jedoch um ein oberflächenaktives Additiv, das als solches mit anderen oberflächenaktiven Additiven (z. B. Antiverschleiß- oder Hochdruckadditiven) um die Metalloberfläche konkurriert. Es gibt zwei Hauptgruppen von Korrosionsadditiven: Rostschutzadditive (zum Schutz von Eisenmetallen) und Metallpassivatoren (für Nichteisenmetalle2).

Rus-Inhibitoren haben eine hohe polare Anziehungskraft auf Metalloberflächen. Sie bilden einen zähen, durchgehenden Film, der verhindert, dass Wasser an die Metalloberfläche gelangt. Es muss auch beachtet werden, dass Verunreinigungen zu Korrosion in einem Öl führen können, ebenso wie organische Säuren entstehen.

Detergentien und Dispergiermittel

Reinigungsmittel sind polare Moleküle, die ähnlich einer Reinigungswirkung Substanzen von der Metalloberfläche entfernen. Einige Waschmittel verfügen jedoch auch über antioxidative Eigenschaften. Die Beschaffenheit eines Reinigungsmittels ist besonders wichtig, da metallhaltige Reinigungsmittel Asche produzieren (typischerweise Kalzium, Lithium, Kalium und Natrium)1.

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.

Antiverschleißadditive

Diese sind typischerweise polar und bestehen aus langkettigen Molekülen, die an den Metalloberflächen adsorbieren und eine Schutzschicht bilden. Dadurch können Reibung und Verschleiß bei milden Gleitbedingungen reduziert werden. Normalerweise werden diese Additive aus Estern, fetten Ölen oder Säuren gebildet, die nur bei geringer oder mäßiger Belastung des Systems wirken können.

Die häufigste Form des Verschleißschutzes ist ZDDP, das in Motor- oder Hydraulikölen verwendet wird. Andererseits gibt es für Systeme, die diese Eigenschaft erfordern, auch einen aschefreien Phosphortyp als Verschleißschutzmittel, und Trireyslphosphat ist die übliche Wahl.

Hochdruckadditive

Da Hochdruckadditive erst bei höheren Temperaturen oder stärkerer Belastung eines Systems aktiv werden, haben sie sich den Namen „Anti-Scuffing-Additive“ verdient.

Im Gegensatz zu Antiverschleißadditiven reagieren Hochdruckadditive chemisch mit den gleitenden Metalloberflächen und bilden relativ unlösliche Oberflächenfilme. Diese Reaktion findet nur bei höheren Temperaturen statt, manchmal zwischen 180 und 1000 °C, abhängig von der Art des verwendeten EP-Additivs1.

Es ist zu beachten, dass es trotz der Anwesenheit von EP-Additiven in einem Schmierstoff während der Einlaufzeit noch zu einem gewissen Verschleiß kommt, da die Additive ihre Schutzschichten auf den Oberflächen noch nicht gebildet haben.

EP-Additive müssen auch für das System, das sie schützen, konzipiert werden, da verschiedene Metalle eine unterschiedliche Reaktivität aufweisen (EP-Additive, die für Stahl-auf-Stahl-Systeme entwickelt wurden, sind möglicherweise nicht für Bronzesysteme geeignet, da sie mit Bronze nicht so reaktiv sind).

EP-Additive tragen auch zum Polieren der Gleitflächen bei, da sie die stärkste chemische Reaktion erfahren, wenn die Unebenheiten in Kontakt kommen und die lokalen Temperaturen am höchsten sind. Sie werden in der Regel aus Verbindungen hergestellt, die Schwefel, Phosphor, Borat, Chlor oder andere Metalle enthalten4.

Zersetzen sich Schmierstoffadditive mit der Zeit?

Wie bereits erwähnt, können sich die meisten Zusatzstoffe mit der Zeit verschlechtern, da sie für ihre verschiedenen Funktionen aufgebraucht sind. Antiverschleiß- und Rostschutzadditive beschichten kontinuierlich die Oberflächen der Verbindungsmetalle.

Dies kann dazu führen, dass ihre anfängliche Konzentration im Laufe der Zeit abnimmt, bis ein Punkt erreicht wird, an dem die Konzentration des Zusatzstoffs zu niedrig ist, um irgendeinen Schutz zu bieten. In diesem Fall ist es nicht abgebaut, sondern erschöpft.

In früheren Jahren gab es häufig Probleme mit der Abtrennung von Additiven aus dem fertigen Schmierstoff durch Filtration. Mit der Weiterentwicklung der Technologie und besseren Praktiken ist dies jedoch kein häufiges Problem mehr, mit dem Betreiber konfrontiert sind.

In der Vergangenheit bemerkten die Betreiber häufig eine Verstopfung ihrer Filter und eine daraus resultierende Verringerung der Additivkonzentrationen, wodurch das Öl ungeschützt wurde. Es kam häufig vor, dass sich Additive nach längerem Stillstand am Boden eines Ölfasses absetzten.

Im Wesentlichen werden Schmiermittelzusätze mit der Zeit nicht wirklich abgebaut; Ihre Konzentration nimmt vielmehr ab, was dazu beiträgt, dass sich der Schmierstoff schneller zersetzt als ein fertiger Schmierstoff mit höheren Additivkonzentrationen.

Innovation und Zukunftstrends für Additive

Wie sieht die Zukunft für Additive in unserer Branche aus? Werden sie ganz verschwinden?

Nach meiner Einschätzung sind wir noch weit davon entfernt. Die Schmierstoffindustrie hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt, mit vielen Fortschritten auf der chemischen Seite, die besser geeignete Additive entwickelt hat, und auf der OEM-Seite, die die Chemiker dazu gedrängt hat, Schmierstoffadditive zu entwickeln, die sich an Anlagenänderungen anpassen lassen.

OEMs entwickeln immer mehr Komponenten, die höheren Temperaturen, erhöhtem Druck und anspruchsvolleren Umgebungen standhalten. Für diesen speziellen Einsatz müssen auch Schmierstoffe entwickelt werden, und die Additivtechnologie wird sich mit der Ausweitung dieser Grenzen weiterentwickeln.

Wir werden auch zu umweltfreundlicheren Produkten getrieben, und auch Zusatzstoffe stehen auf dieser Liste. Die meisten Metalle, die bei der Herstellung von Additiven (wie EP- oder AW-Additiven) verwendet werden, sind giftig für die Umwelt, und es werden Alternativen entdeckt.

Auch im Bereich der Tribologie wird weiterhin an Möglichkeiten zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß geforscht. Dies geht einher mit der Erforschung der Wechselwirkung unterschiedlicher Oberflächen und der Art und Weise, wie Schmierstoffe den Reibungskoeffizienten effektiv reduzieren können, was in einigen Fällen zu einer höheren Energieeffizienz und Kraftstoffeffizienz führt.

Schmierstoffzusätze wird es noch einige Zeit geben, da alles, was sich bewegt, geschmiert werden muss und Grundöle nicht alle erforderlichen Eigenschaften haben, um schwankenden Temperaturen und anderen Bedingungen, denen die Maschine ausgesetzt ist, standzuhalten.

Während sich ihre Struktur ändern wird, um eine umweltfreundlichere Wirkung zu erzielen, werden sich auch ihre Funktionen basierend auf ihren zukünftigen Anforderungen weiterentwickeln.

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