Additivi per Lubrificanti: Una Guida Completa

I lubrificanti fanno girare il mondo. Una volta che qualcosa si muove, dovrebbe essere presente un lubrificante per ridurre l'attrito o l'usura tra le superfici. Ma cosa rende i lubrificanti così unici nel nostro settore? E' solo l'olio base?

No, è qui che risiede il potere additivi lubrificanti brilla davvero, un'area che molti trascurano. Questo articolo si concentra maggiormente sugli eroi non celebrati del settore, sui tipi coinvolti, sulle loro funzionalità e su alcune sfide.

Perché abbiamo bisogno di additivi lubrificanti?

Prima di addentrarci nel mondo degli additivi, facciamo un passo indietro: a cosa servono? Un lubrificante è composto da olio base e additivi. A seconda del tipo di olio, verranno utilizzati rapporti diversi di additivi per le varie applicazioni. Inoltre, ogni OEM di lubrificante avrà la sua formula unica per il suo lubrificante.

Per semplificare possiamo pensare di preparare una tazza di tè. La prima cosa di cui abbiamo bisogno è dell'acqua calda in una tazza. Questo può essere il nostro olio base. Può essere usato da solo (alcuni bevono acqua calda o lo usano per altri scopi), ma se vogliamo preparare una tazza di tè dobbiamo aggiungere del tè.

A seconda dello scopo per cui stai bevendo il tè, puoi scegliere un gusto particolare. Forse la menta piperita per migliorare la digestione o per migliorare la concentrazione o la camomilla per mantenerti calmo.

Questi aromi possono rappresentare i vari tipi di oli: oli per ingranaggi, oli per turbine o oli per motori. Miscele diverse sono adatte per applicazioni diverse.

Ora, mentre noi abbiamo aggiunto la bustina di tè all’acqua calda (e alcune persone possono bere il tè in questo modo), altri devono aggiungere dolcificante o latte. Questi sono gli additivi all'olio base (acqua calda).

A seconda delle preferenze della persona che beve il tè, ci saranno quantità variabili di dolcificante (miele, stevia o zucchero) e quantità variabili di latte (normale, magro, avena, senza latticini). Le combinazioni sono infinite!

Lo stesso si può dire degli additivi nei lubrificanti finiti. A seconda del tipo di olio (aroma del tè, si pensi all'olio per ingranaggi o per turbine) e alla sua applicazione (la persona che beve il tè, con preferenze dietetiche senza latticini o senza zucchero), la combinazione di additivi lubrificanti e i loro rapporti differiranno. La percentuale di additivi può variare dallo 0,001 al 30% in base al tipo di olio.

Il lubrificante finito avrà le proprietà dell'olio base e degli additivi combinati. Esploriamo un po’ più a fondo il funzionamento di questi additivi e le loro caratteristiche.

Tipi di additivi lubrificanti

Esistono molti tipi di additivi per lubrificanti e esistono varie formulazioni di diversi fornitori. In questa sezione tratteremo gli additivi più comuni presenti nei lubrificanti finiti.

Depressori del punto di scorrimento

Tutti i liquidi hanno una temperatura particolare alla quale possono fluire efficacemente. La viscosità del liquido e la temperatura attuale determinano la velocità con cui si muove. Come suggerisce il nome, i depressori del punto di scorrimento possono contribuire ad abbassare la temperatura alla quale scorre il lubrificante1.

Miglioratori dell'indice di viscosità

Miglioratori dell'indice di viscosità 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.

Modificatori di attrito

Quando due superfici sfregano l'una contro l'altra si forma l'attrito. A seconda del tipo e dell'entità dell'attrito, alcune superfici possono subire saldature e persino usura adesiva. È qui che i modificatori di attrito possono aiutare riducendo le forze di attrito associate alle oscillazioni e ai rumori di stick-slip.

Antischiuma (Antischiuma)

Alcuni lubrificanti soccombono alla formazione di schiuma nei loro sistemi. La formazione di schiuma influisce in modo significativo sulle funzioni del lubrificante e può portare a un'usura eccessiva dovuta alla mancanza di lubrificazione (distruggono la superficie del lubrificante), cavitazione (a causa della presenza di bolle d'aria) e persino maggiore ossidazione (a causa della presenza di aria intrappolata nel sistema). La schiuma può anche influenzare la capacità di un liquido di trasferire calore o raffreddarsi. Gli antischiuma o gli additivi antischiuma riducono la quantità di schiuma prodotta.

Inibitori dell'ossidazione (antiossidanti)

L'ossidazione si verifica nella maggior parte dei lubrificanti. Durante il processo di ossidazione, emergono i radicali liberi, che si propagano per formare radicali alchilici o perossidici e idroperossidi, che alla fine reagiscono con altri per formare sottoprodotti dell'ossidazione. Durante la fase di propagazione, gli antiossidanti vengono solitamente utilizzati per neutralizzare i radicali liberi o decomporre gli idroperossidi3. In quanto tali, questi additivi sono di natura sacrificale, poiché proteggono l'olio base dall'ossidazione mediante esaurimento.

Esistono molti tipi di antiossidanti, inclusi i composti fenolici e i composti aromatici dell'azoto, i fenoli impediti, le ammine aromatiche, i ditiofosfati di zinco e un paio di altri.

Inibitori di ruggine e corrosione

Se in un luogo contenente ferro sono presenti ossigeno e acqua, si può formare ruggine. La corrosione colpisce i metalli non ferrosi in presenza di acidi nel lubrificante1. La maggior parte delle apparecchiature soccombono abbastanza facilmente alla ruggine e alla corrosione, pertanto questi inibitori sono stati sviluppati per mitigare questi effetti formando strati protettivi sulle superfici dell'apparecchiatura.

Detergenti e disperdenti

Detergenti e disperdenti vengono spesso confusi poiché di solito lavorano insieme per evitare l'accumulo di depositi negli oli. I detergenti neutralizzano i precursori dei depositi (soprattutto negli oli motore), mentre i disperdenti sospendono i potenziali materiali che formano morchie o vernici4.

Additivi antiusura

Gli additivi antiusura riducono l'attrito e l'usura, soprattutto in condizioni limite di lubrificazione. Sono progettati per ridurre l'usura quando il sistema è esposto a sollecitazioni moderate2.

Additivi per pressioni estreme

Gli additivi per pressioni estreme vengono solitamente confusi con gli additivi antiusura oppure i nomi sono usati in modo intercambiabile. Tuttavia, gli additivi per pressioni estreme iniziano a funzionare quando il sistema è sottoposto a stress elevato e cercano di impedire la saldatura delle parti mobili, a differenza degli additivi antiusura, che funzionano quando il sistema è sottoposto a stress moderato.

Come funzionano gli additivi per lubrificanti?

Ciascun additivo funziona in modo diverso per svolgere la propria funzione sull'olio base e sul lubrificante finito complessivo. Questa sezione esplorerà il funzionamento di ciascuno degli additivi per lubrificanti e alcune delle sfide che potrebbero incontrare.

Depressori del punto di scorrimento

Come notato sopra, gli abbassatori del punto di scorrimento aiutano a controllare il flusso del lubrificante. Ciò si ottiene modificando i cristalli di cera presenti nell’olio base del lubrificante. A temperature più basse, il liquido solitamente ha difficoltà a essere versato a causa della presenza di molecole di cera nell'olio base1.

Esistono due tipi principali di depressori del punto di scorrimento, vale a dire;

• Polimeri alchilaromatici si adsorbono sui cristalli di cera man mano che si formano, impedendo loro di crescere e di aderire tra loro. Ciò controlla efficacemente il processo di cristallizzazione e garantisce che il lubrificante possa essere versato.
• Polimetacrilati co-cristallizzare con la cera per prevenire la crescita dei cristalli.

Sebbene questi additivi non impediscano del tutto la crescita dei cristalli di cera, abbassano la temperatura alla quale si formano queste strutture rigide. Questi additivi possono raggiungere un abbassamento del punto di scorrimento fino a 28°C (50°F); tuttavia, l'intervallo comune è tipicamente compreso tra 11 e 17°C (20-30°F).

Le soglie di solubilità possono limitare l'uso di questo tipo di additivo per ottenere l'effetto desiderato sull'olio base.

Miglioratori dell'indice di viscosità

Questi additivi sono tipicamente polimeri a catena lunga e ad alto peso molecolare che cambiano la loro configurazione nel lubrificante in base alla temperatura4. Quando il lubrificante si trova in un ambiente freddo, questi polimeri adottano una forma a spirale per ridurre al minimo l'effetto sulla viscosità. D'altra parte, in un ambiente caldo, si raddrizzeranno, consentendo all'olio di produrre un effetto addensante.

Sebbene sia più desiderabile utilizzare polimeri ad alto peso molecolare (poiché forniscono un migliore effetto addensante), queste molecole a catena lunga sono anche soggette a degradazione a causa del taglio meccanico. Pertanto, è necessario raggiungere un equilibrio tra il peso molecolare e le condizioni di servizio stabili al taglio.

Un’altra sfida per i formulatori è bilanciare la tendenza del polimero al taglio con l’aumento della viscosità previsto dovuto ai processi ossidativi e l’assottigliamento della viscosità dovuto alla diluizione del carburante1.

Modificatori di attrito

Questi di solito competono con gli additivi antiusura e per pressioni estreme (e altri composti polari) per lo spazio superficiale. Tuttavia, si attivano a temperature in cui gli additivi AW ed EP non sono ancora attivi. Pertanto, formano sottili strati monomolecolari di prodotti solubili polari adsorbiti fisicamente o strati di carbonio tribochimici che riducono l'attrito, che mostrano un comportamento di attrito inferiore rispetto agli additivi AW ed EP2.

Esistono diversi gruppi di modificatori di attrito in base alla loro funzione. Alcuni sono FM che lavorano meccanicamente (composti lubrificanti solidi, ad esempio bisolfuro di molibdeno, grafite, PTFE, ecc.), strati di adsorbimento che formano FM (ad esempio esteri di acidi grassi, ecc.), strati di reazione tribochimica che formano FM, polimeri di attrito che formano FM e composti organometallici.

Antischiuma (Antischiuma)

Quando nel lubrificante si forma della schiuma, minuscole bolle d'aria rimangono intrappolate sulla superficie o all'interno (la cosiddetta schiuma interna). Gli antischiuma agiscono adsorbendo sulla bolla di schiuma e influenzando la tensione superficiale della bolla. Ciò provoca la coalescenza e rompe la bolla sulla superficie del lubrificante1.

Per la schiuma che si forma in superficie, detta schiuma superficiale, vengono utilizzati antischiuma con tensione superficiale inferiore. Solitamente non sono solubili nell'olio base e devono essere finemente dispersi per essere sufficientemente stabili anche dopo uno stoccaggio o un utilizzo a lungo termine.

La schiuma interna, costituita da bolle d'aria finemente disperse nel lubrificante, può invece formare dispersioni stabili. I comuni antischiuma sono progettati per controllare la schiuma superficiale ma stabilizzare la schiuma interna2.

Inibitori dell'ossidazione

Come notato sopra, gli antiossidanti vengono solitamente utilizzati durante la fase di propagazione per neutralizzare i radicali eliminatori o decomporre gli idroperossidi3. Esistono due forme principali di antiossidanti: antiossidanti primari e secondari.

Gli antiossidanti primari, noti anche come spazzini dei radicali, rimuovono i radicali dal petrolio. I tipi più comuni sono ammine e fenoli.

Gli antiossidanti secondari sono progettati per eliminare i perossidi e formare prodotti non reattivi nel lubrificante. Alcuni esempi includono il ditiofosfato di zinco (ZDDP) e i fenoli solforati.

Esistono anche sistemi antiossidanti misti in cui due antiossidanti hanno una relazione sinergica. Un esempio è la relazione tra fenoli e ammine, dove i fenoli si esauriscono precocemente durante l’ossidazione mentre le ammine si esauriscono più tardi. Un altro esempio è l’utilizzo di antiossidanti primari e secondari per rimuovere radicali e idroperossidi.

Inibitori di ruggine e corrosione

Gli inibitori di ruggine e corrosione sono generalmente lunghe catene alchiliche e gruppi polari che possono essere adsorbiti sulla superficie metallica in una formazione densamente compattata di strati idrofobici.

Tuttavia, questo è un additivo tensioattivo e, come tale, compete con altri additivi tensioattivi (come gli additivi antiusura o per pressioni estreme) per la superficie metallica. Esistono due gruppi principali di additivi anticorrosione: additivi antiruggine (per proteggere i metalli ferrosi) e passivatori metallici (per metalli non ferrosi2).

Gli inibitori della Rus hanno un'elevata attrazione polare per le superfici metalliche. Formano una pellicola tenace e continua che impedisce all'acqua di raggiungere la superficie metallica. Va inoltre notato che i contaminanti possono introdurre corrosione in un olio, proprio come vengono prodotti gli acidi organici.

Detergenti e disperdenti

I detergenti sono molecole polari che rimuovono le sostanze dalla superficie metallica, simile ad un'azione pulente. Tuttavia, alcuni detersivi possiedono anche proprietà antiossidanti. La natura di un detergente è particolarmente importante poiché i detergenti contenenti metalli producono ceneri (tipicamente calcio, litio, potassio e sodio)1.

D'altro canto, anche i disperdenti sono polari e mantengono i contaminanti e i componenti insolubili dell'olio in sospensione nel lubrificante. Riducono al minimo l’agglomerazione delle particelle, che a sua volta mantiene la viscosità dell’olio (rispetto alla coalescenza delle particelle, che porta all’ispessimento). A differenza dei detergenti, i disperdenti sono considerati senza ceneri. In genere funzionano a basse temperature di esercizio.

Additivi antiusura

Questi sono tipicamente polari con molecole a catena lunga che si adsorbono sulle superfici metalliche per formare uno strato protettivo. Ciò può ridurre l'attrito e l'usura in condizioni di scorrimento moderato. Di solito, questi additivi sono formati da esteri, oli grassi o acidi, che possono funzionare solo a livelli di stress bassi o moderati all'interno del sistema.

La forma più comune di antiusura è lo ZDDP, utilizzato negli oli motore o idraulici. D'altro canto, esiste anche un tipo di antiusura al fosforo senza ceneri per i sistemi che richiedono tale caratteristica, e il tricreysl fosfato è la scelta abituale.

Additivi per pressioni estreme

Poiché gli additivi per pressioni estreme diventano attivi solo quando sul sistema sono presenti temperature più elevate o carichi più pesanti, si sono guadagnati il nome di “additivi anti-scuffing”.

A differenza degli additivi antiusura, gli additivi per pressioni estreme reagiscono chimicamente con le superfici metalliche di scorrimento per formare pellicole superficiali relativamente insolubili. Questa reazione avviene solo a temperature più elevate, talvolta tra 180 e 1000°C, a seconda del tipo di additivo EP utilizzato1.

Va notato che anche con la presenza di additivi EP in un lubrificante, si verificherà comunque una certa usura durante il periodo di rodaggio poiché gli additivi devono ancora formare i loro strati protettivi sulle superfici.

Gli additivi EP devono anche essere progettati per il sistema che proteggono poiché i diversi metalli hanno reattività variabile (gli additivi EP progettati per sistemi acciaio su acciaio potrebbero non essere appropriati per i sistemi in bronzo poiché non sono così reattivi con il bronzo).

Gli additivi EP contribuiscono inoltre alla lucidatura delle superfici di scorrimento poiché queste subiscono la reazione chimica più significativa quando le asperità sono a contatto e le temperature localizzate sono massime. Tendono a essere creati da composti contenenti zolfo, fosforo, borato, cloro o altri metalli4.

Gli additivi per lubrificanti si degradano nel tempo?

Come notato in precedenza, la maggior parte degli additivi può esaurirsi nel tempo man mano che esaurisce le sue varie funzioni. Gli additivi antiusura e protettivi contro la ruggine rivestono continuamente le superfici dei metalli interfacciati.

Ciò può far sì che le loro concentrazioni iniziali diminuiscano nel tempo fino a raggiungere un punto in cui la concentrazione dell'additivo è troppo bassa per offrire protezione. In questo caso non si è degradato ma esaurito.

Negli anni precedenti, a causa della filtrazione, erano frequenti i problemi legati alla separazione degli additivi dal lubrificante finito. Tuttavia, con l’evoluzione della tecnologia e delle migliori pratiche, questo non è più un problema comune che gli operatori devono affrontare.

In passato, gli operatori notavano frequenti intasamenti dei filtri e la conseguente riduzione delle concentrazioni di additivi, rendendo l'olio non protetto. Era comune notare gli additivi depositarsi sul fondo di un fusto di olio dopo essere rimasti fermi per un po' di tempo.

In sostanza, gli additivi lubrificanti non si degradano realmente nel tempo; piuttosto, la loro concentrazione si esaurisce, il che contribuisce a far sì che il lubrificante si degradi più rapidamente rispetto a un lubrificante finito con concentrazioni di additivi più elevate.

Innovazione e tendenze future per gli additivi

Come si prospetta il futuro per gli additivi nel nostro settore? Se ne andranno del tutto?

Secondo le mie stime, siamo molto lontani da ciò che ciò accada. L'industria dei lubrificanti si è evoluta nel corso degli anni, con molti progressi dal lato chimico, che ha sviluppato additivi più adatti, e dal lato OEM, che ha spinto i chimici a sviluppare additivi per lubrificanti in grado di adattarsi ai cambiamenti delle apparecchiature.

Gli OEM stanno creando sempre più componenti in grado di resistere a temperature più elevate, pressioni più elevate e ambienti più esigenti. Anche i lubrificanti devono essere sviluppati per questo uso specifico e la tecnologia degli additivi continuerà ad evolversi man mano che questi limiti vengono ampliati.

Siamo inoltre spinti verso prodotti più rispettosi dell’ambiente e anche gli additivi figurano in quell’elenco. La maggior parte dei metalli utilizzati nella produzione di additivi (come gli additivi EP o AW) sono tossici per l'ambiente e si stanno scoprendo alternative.

Anche nel campo della tribologia è stata condotta una continua ricerca sui modi per ridurre l'attrito e l'usura. A ciò si aggiunge la ricerca sull’interazione delle diverse superfici e sui modi in cui i lubrificanti possono ridurre efficacemente il coefficiente di attrito, portando in alcuni casi a una maggiore efficienza energetica e di carburante.

Gli additivi lubrificanti saranno in circolazione per un po' di tempo poiché tutto ciò che si muove deve essere lubrificato e gli oli base non hanno tutte le proprietà richieste per gestire le variazioni di temperatura e altre condizioni incontrate dalla macchina.

Sebbene la loro struttura cambierà per adattarsi e fornire un impatto più rispettoso dell’ambiente, anche le loro funzioni si evolveranno in base alle esigenze future.

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