Basisflüssigkeiten für Schmierstoffe

Wilhelm Rehbein, Dipl.-Ing. (FH) Chemie
oelheld GmbH, Stuttgart

Basisöle von Schmierstoffen

Nichtwassermischbare Kühlschmierstoffe für die Metallbearbeitung sowie flüssige Industrieschmierstoffe bestehen überwiegend aus Kohlenwasserstoffen, denen zur Verbesserung der Hochdruck-, Schmier-, Benetzungs- und Alterungseigenschaften verschiedenste Additive zugegeben werden. Als Kohlenwasserstoffe werden traditionell Mineralölfraktionen verwendet. Neue Hochleistungs- Metallbearbeitungsverfahren, erhöhte Anforderungen an Belastbarkeit und Ölwechselfristen in Hydraulik und Getriebe, aber auch Produkte, die Mensch und Umwelt möglichst wenig belasten, erfordern jedoch moderne Kohlenwasserstoff- Basisflüssigkeiten, die sowohl leistungsfähiger als auch aus arbeitsmedizinischer Sicht unproblematischer sind als Mineralöle.

Mineralölraffinate

Die direkt aus Erdöl gewonnenen Kohlenwasserstoffe bilden derzeit, in erster Linie aus wirtschaftlichen Gründen, noch den Hauptanteil der verwendeten Basisflüssigkeiten. Mit Hilfe verschiedener physikalischer (Destillation, Extraktion) und chemischer (Hydrierung) Verfahren werden aus dem Rohöl Mineralölfraktionen gewonnen, die überwiegend aus gesättigten Kohlenwasserstoffen (Paraffine) von geradkettiger (n-Paraffine), verzweigtkettiger (Isoparaffine) oder cyclischer Struktur (Naphthene) bestehen.

Bild 1: Strukturen von im Mineralöl vorkommenden Kohlenwasserstoffen

Aus Gründen der Oxidationsstabilität unerwünscht sind Beimischungen ungesättigter Kohlenwasserstoffe (Olefine, Acetylene) sowie aus toxikologischen Gründen die ungesättigten cyclischen und polycyclischen Aromaten (Bild 1). Diese Stoffe werden durch die heute üblichen Raffinationsverfahren weitgehend, aber nicht vollständig entfernt. Das breite Spektrum von Struktur und Größe der Kohlenwasserstoffmoleküle einer Mineralölfraktion bedingt eine vergleichsweise hohe Verdampfungsneigung (Bild 2), die auch nicht durch die Zugabe von Additiven beeinflusst werden kann.

Bild 2: Relativer Verdampfungsverlust von Basisflüssigkeiten gleicher kinematischer Viskosität. Bestimmung nach Noack (DIN 51581) bei 250°C.

Hydrocracköle

Eine Methode zur Veredelung der Erdölkohlenwasserstoffe besteht in der Herstellung von Hydrocrackölen. Dazu werden Rohparaffin oder auch der Rückstand der Vakuumdestillation in Gegenwart von Wasserstoff und mit Hilfe von Katalysatoren bei Temperaturen bis zu 450°C und Drü cken bis zu 300 bar in kürzere Moleküle gespalten. Gleichzeitig erfolgt eine Spaltung und Hydrierung der enthaltenen aromatischen Verbindungen, der Aromatengehalt von Hydrocrackölen ist daher geringer als der vergleichbarer Mineralöle. Da mit diesem Prozess aus Verbindungen mit schlechtem Viskositäts-Temperatur-Verhalten und geringer Schmierfähigkeit (Naphthene, Aromaten) solche mit günstigeren Eigenschaften (Paraffine) erzeugt werden, zeichnen sich die so erzeugten Produkte im Vergleich zu Mineralölen durch einen höheren Viskositätsindex und eine bessere Schmierfähigkeit aus. Ein weiterer Vorteil der Hydrocracköle liegt in ihrer geringeren Verdampfungs und Vernebelungsneigung aufgrund der homogeneren Molekülgrößenverteilung, durch die Kohlenwasserstoffemissionen am Arbeitsplatz reduziert werden können.

Polyalphaolefine

Vergleichbar mit Premium-Motorenölen können eine minimale Verdunstung, ein hoher Flammpunkt bei niedriger Viskosität, ein hoher Viskositätsindex sowie eine ausgezeichnete Scher- und Alterungsstabilität auch bei Hochleistungs- Kühlschmierstoffen und –Industrieschmierstoffen nur durch die Verwendung synthetischer Polyalphaolefine (kurz PAO´s) erreicht werden. Durch die thermische Spaltung von Mineralöl in Gegenwart von Wasserstoff erhält man Ethen, aus dem mit Hilfe von Katalysatoren mittels Olefinsynthese ein lineares _-Olefin, meist das 1- Decen hergestellt wird. Dieses wird in einem weiteren katalysierten Reaktionsschritt oligomerisiert, d.h. es werden zwei, drei oder mehrere Olefinmoleküle verbunden (Bild 3). Durch diese Vorgehensweise enthält man nahezu reine PAO´s eines bestimmten Polymerisationsgrades, aromatische Kohlenwasserstoffe entstehen hier genauso wenig wie ungesättigte Verbindungen, welche für die Oxidation bzw. Alterung der Produkte verantwortlich sind. Bedingt durch die einheitliche Zusammensetzung ist die Verdunstungsneigung der PAO´s wesentlich geringer als die vergleichbarer Mineralölfraktionen oder Hydrocracköle, auch die Vernebelungsneigung ist verringert. Schmierstoffe auf der Basis von Polyalphaolefinen sind bei geeigneter Formulierung biologisch abbaubar.

Bild 3: Synthese von Polyalphaolefinen

Esteröle

Neben den Kohlenwasserstoffen werden auch Carbonsäureester alsBasisflüssigkeiten verwendet. Diese können in synthetische Produkte und solche natürlichen Ursprungs (Pflanzenöle, tierische Fette) unterteilt werden (Bild 4). Ihre Verdampfungsneigung ist noch geringer als die der PAO´s. Natürliche Ester sind gut biologisch abbaubar, allerdings ist ihre Alterungsbeständigkeit gering. Die Oxidationsstabilität von Schmierstoffen auf der Basis synthetischer Ester ist bei geeigneter Auswahl wesentlich besser, da hier gesättigte Produkte von hohem Reinheitsgrad verfügbar sind. Allerdings sind diese Verbindungen oft nicht mehr so gut biologisch abbaubar. Auch die Stabilität gegen Hydrolyse (in Gegenwart von Wasser spaltet sich der Ester in Alkohol und Säure) kann durch die Verwendung sterisch gehinderter synthetischer Ester verbessert werden, die aber wiederum eine relativ hohe Viskosität aufweisen.

Bild 4: Chemische Strukturen natürlicher und synthetischer Ester

Ein generelles Problem der Schmierstoffe auf Esterbasis ist ihre geringere Verträglichkeit mit Elastomeren und Lacken. Besonders die niedrigviskosen Ester, die für dünnflüssige Metallbearbeitungsöle oder Spindelöle verwendet werden, verhalten sich vielen Dichtungs- und Isoliermaterialien gegenüber sehr aggressiv.

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