Lubrificante

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Um lubrificante é uma substância que ajuda a reduzir o atrito entre as superfícies em contato mútuo, o que acaba reduzindo o calor gerado quando as superfícies se movem. Também pode ter a função de transmitir forças, transportar partículas estranhas, ou aquecer ou resfriar as superfícies. A propriedade de reduzir o atrito é conhecida como lubricidade .

Além das aplicações industriais, os lubrificantes são usados ​​para muitos outros fins. Outros usos incluem culinária ( óleos e gorduras usados ​​em frigideiras , em panificação para evitar que os alimentos grudem), bioaplicações em humanos (por exemplo, lubrificantes para articulações artificiais ), exames de ultrassom, exames médicos e relações sexuais. É utilizado principalmente para reduzir o atrito e contribuir para um funcionamento melhor e eficiente de um mecanismo.

História

Os lubrificantes são usados ​​há milhares de anos. Sabonetes de cálcio foram identificados nos eixos de carruagens datadas de 1400 aC. Na época das pirâmides, pedras de construção foram colocadas em madeira impregnada de óleo. Na era romana, os lubrificantes eram baseados em azeite de oliva e óleo de colza , além de gorduras animais. O crescimento da lubrificação se acelerou na Revolução Industrial com o uso de maquinário à base de metal. Baseando-se inicialmente em óleos naturais, as necessidades de tais máquinas mudaram para materiais à base de petróleo no início do século XX. Um grande avanço veio com o desenvolvimento da destilação a vácuo de petróleo, conforme descrito pela Vacuum Oil Company. Essa tecnologia permitiu a purificação de substâncias muito não voláteis, comuns em muitos lubrificantes. [1]

Propriedades

Um bom lubrificante geralmente possui as seguintes características:

  • Um alto ponto de ebulição e baixo ponto de congelamento (a fim de permanecer líquido dentro de uma ampla faixa de temperatura)
  • Um alto índice de viscosidade
  • Estabilidade térmica
  • Estabilidade hidráulica
  • Demulsibilidade
  • Prevenção de corrosão
  • Uma alta resistência à oxidação

Formulação

Normalmente, os lubrificantes contêm 90% de óleo básico (na maioria das vezes , frações do petróleo , chamadas óleos minerais ) e menos de 10% de aditivos . Óleos vegetais ou líquidos sintéticos, como poliolefinas hidrogenadas , ésteres , silicones , fluorcarbonos e muitos outros, às vezes são usados ​​como óleos básicos. Os aditivos proporcionam fricção e desgaste reduzidos, maior viscosidade , índice de viscosidade melhorado, resistência à corrosão e oxidação , envelhecimento ou contaminação, etc.

Lubrificantes não líquidos incluem pós ( grafite seca , PTFE , bissulfeto de molibdênio , bissulfeto de tungstênio , etc.), fita PTFE usada em encanamentos, almofada de ar e outros. Lubrificantes secos como grafite, bissulfeto de molibdênio e bissulfeto de tungstênio também oferecem lubrificação em temperaturas (até 350 ° C) mais altas do que os lubrificantes à base de óleo e líquidos são capazes de operar. Interesse limitado foi mostrado nas propriedades de baixo atrito de camadas de esmalte de óxido compactado formadas a várias centenas de graus Celsius em sistemas deslizantes metálicos; no entanto, o uso prático ainda está a muitos anos de distância devido à sua natureza fisicamente instável.

Aditivos

Um grande número de aditivos é usado para conferir características de desempenho aos lubrificantes. Os lubrificantes automotivos modernos contêm até dez aditivos, compreendendo até 20% do lubrificante, as principais famílias de aditivos são: [1]

  • Os depressores do ponto de fluidez são compostos que evitam a cristalização das ceras. Os alquilbenzenos de cadeia longa aderem a pequenos cristalitos de cera, evitando o crescimento do cristal.
  • Os agentes anti-espuma são tipicamente compostos de silicone que aumentam a tensão superficial para desencorajar a formação de espuma.
  • Os melhoradores do índice de viscosidade (VIIs) são compostos que permitem que os lubrificantes permaneçam viscosos em temperaturas mais altas. VIIs típicos são poliacrilatos e butadieno .
  • Os antioxidantes suprimem a taxa de degradação oxidativa das moléculas de hidrocarbonetos dentro do lubrificante. Em baixas temperaturas, inibidores de radicais livres, como fenóis impedidos, são usados, por exemplo, hidroxitolueno butilado . Em temperaturas> 90 ° C, onde os metais catalisam o processo de oxidação, os ditiofosfatos são mais úteis. Na última aplicação, os aditivos são chamados de desativadores de metal .
  • Os detergentes garantem a limpeza dos componentes do motor, evitando a formação de depósitos nas superfícies de contato em altas temperaturas.
  • Os inibidores de corrosão ( inibidores de ferrugem) são geralmente materiais alcalinos, como sais de alquilsulfonato, que absorvem ácidos que corroem as peças de metal.
  • Os aditivos antidesgaste formam "tribofilmes" de proteção nas peças metálicas, suprimindo o desgaste . Eles vêm em duas classes, dependendo da força com que se ligam à superfície. Exemplos populares incluem ésteres de fosfato e ditiofosfatos de zinco . [2]
  • Os aditivos de extrema pressão (anti-arranhões) formam películas protetoras nas peças metálicas deslizantes. Esses agentes são frequentemente compostos de enxofre, como ditiofosfatos.
  • Os modificadores de fricção reduzem a fricção e o desgaste, particularmente no regime de lubrificação de limite, onde as superfícies entram em contato direto. [3]

Tipos de lubrificantes

Em 1999, cerca de 37.300.000 toneladas de lubrificantes foram consumidas em todo o mundo. [4] As aplicações automotivas dominam, incluindo veículos elétricos [5], mas outras aplicações industriais, marítimas e de usinagem também são grandes consumidores de lubrificantes. Embora sejam conhecidos lubrificantes à base de ar e outros gases (por exemplo, em mancais de fluido ), os lubrificantes líquidos dominam o mercado, seguidos pelos lubrificantes sólidos.

Lubrificantes são geralmente compostos de uma maioria de óleo de base mais uma variedade de aditivos para conferir as características desejáveis. Embora geralmente os lubrificantes sejam baseados em um tipo de óleo de base, misturas de óleos de base também são usadas para atender aos requisitos de desempenho.

Óleo mineral

O termo " óleo mineral " é usado para se referir a óleos básicos lubrificantes derivados de petróleo bruto . O American Petroleum Institute (API) designa vários tipos de óleo base lubrificante: [6]

Fabricado por extração com solvente, desparafinação com solvente ou catalítico e processos de hidro-acabamento. Os óleos de base comuns do Grupo I são 150SN (solvente neutro), 500SN e 150BS (material brilhante)
  • Grupo II - Satura> 90% e enxofre <0,03%, e índice de viscosidade SAE de 80 a 120
Fabricado por hidrocraqueamento e processos de desparafinação com solvente ou catalítico. O óleo básico do Grupo II tem propriedades antioxidantes superiores, uma vez que virtualmente todas as moléculas de hidrocarbonetos são saturadas. Possui cor branca como a água.
  • Grupo III - Satura> 90%, enxofre <0,03% e índice de viscosidade SAE acima de 120
Fabricado por processos especiais, como isohidromerização. Pode ser fabricado a partir de óleo básico ou cera slax do processo de desparafinação.
  • Grupo IV - Polialfaolefinas (PAO)
  • Grupo V - Todos os outros não incluídos acima, como naftênicos, polialquilenoglicóis (PAG) e poliésteres .

A indústria de lubrificantes comumente estende esta terminologia de grupo para incluir:

  • Grupo I + com um índice de viscosidade de 103-108
  • Grupo II + com um índice de viscosidade de 113-119
  • Grupo III + com um índice de viscosidade de pelo menos 140

Também pode ser classificado em três categorias, dependendo das composições predominantes:

  • Parafínico
  • Naftênica
  • Aromático

Os óleos sintéticos

Lubrificante derivado de petróleo também pode ser produzido usando hidrocarbonetos sintéticos (derivados em última análise do petróleo), " óleos sintéticos ".

Esses incluem:

Lubrificantes sólidos

PTFE: o politetrafluoroetileno (PTFE) é normalmente usado como uma camada de revestimento em, por exemplo, utensílios de cozinha para fornecer uma superfície antiaderente. Sua faixa de temperatura de utilização de até 350 ° C e sua inércia química o tornam um aditivo útil em graxas especiais , onde pode funcionar tanto como espessante quanto como lubrificante. Sob pressões extremas, o pó ou sólidos de PTFE tem pouco valor, pois é macio e flui para longe da área de contato. Devem ser usados ​​lubrificantes de cerâmica, metal ou liga. [7]

Sólidos inorgânicos: grafite , nitreto de boro hexagonal , dissulfeto de molibdênio e dissulfeto de tungstênio são exemplos de lubrificantes sólidos . Alguns retêm sua lubricidade a temperaturas muito altas. O uso de alguns desses materiais é às vezes restrito por sua fraca resistência à oxidação (por exemplo, dissulfeto de molibdênio degrada acima de 350 ° C no ar, mas 1100 ° C em ambientes redutores.

Metal / liga: ligas metálicas, compostos e metais puros podem ser usados ​​como aditivos de graxa ou como componentes únicos de superfícies deslizantes e rolamentos. O cádmio e o ouro são usados ​​no revestimento de superfícies, o que lhes confere boa resistência à corrosão e propriedades de deslizamento. Chumbo , estanho , ligas de zinco e várias ligas de bronze são usados ​​como rolamentos deslizantes ou seu pó pode ser usado para lubrificar apenas as superfícies deslizantes.

Lubrificação aquosa

A lubrificação aquosa é interessante em várias aplicações tecnológicas. Polímeros em escova fortemente hidratados , como o PEG, podem servir como lubrificantes em interfaces líquido-sólido. [8] Pela troca rápida e contínua de água ligada com outras moléculas de água livres, esses filmes de polímero mantêm as superfícies separadas enquanto mantêm uma alta fluidez na interface escova-escova em altas compressões, levando assim a um coeficiente de fricção muito baixo.

Biolubricant

Os biolubrificantes são derivados de óleos vegetais e outras fontes renováveis. Geralmente são ésteres de triglicerídeos (gorduras obtidas de plantas e animais). Para uso de óleo base lubrificante, os materiais derivados de vegetais são preferidos. As mais comuns incluem alto oleico óleo de canola , óleo de rícino , óleo de palma , óleo de semente de girassol e óleo de colza de vegetal, e tall oil a partir de fontes de árvores. Muitos óleos vegetais são frequentemente hidrolisados ​​para produzir os ácidos que são subsequentemente combinados seletivamente para formar ésteres sintéticos especializados. Outros lubrificantes de origem natural incluem a lanolina (graxa de lã, um repelente natural de água). [9]

O óleo de baleia foi um lubrificante historicamente importante, com alguns usos até a última parte do século 20 como aditivo modificador de fricção para fluido de transmissão automática . [10]

Em 2008, o mercado de biolubrificantes representava cerca de 1% das vendas de lubrificantes do Reino Unido, em um mercado total de lubrificantes de 840.000 toneladas / ano. [11]

A partir de 2020 , os pesquisadores da CSIRO da Austrália têm estudado o óleo de cártamo como lubrificante para motores, encontrando desempenho superior e emissões mais baixas do que os lubrificantes à base de petróleo em aplicações como cortadores de grama movidos a motor , motosserras e outros equipamentos agrícolas. Os produtores de grãos que experimentaram o produto receberam bem a inovação, com um descrevendo-a como necessitando de muito pouco refino, biodegradável , bioenergia e biocombustível . Os cientistas reprojetaram a planta usando silenciamento de genes, criando uma variedade que produz até 93% de óleo, a maior quantidade atualmente disponível em qualquer planta. Pesquisadores do Centro de Combustível Avançado da Montana State University , nos Estados Unidos, estudando o desempenho do óleo em um grande motor a diesel , comparando-o com o óleo convencional, descreveram os resultados como uma "virada de jogo". [12]

Funções de lubrificantes

Uma das maiores aplicações de lubrificantes, na forma de óleo de motor , é a proteção de motores de combustão interna em veículos automotores e equipamentos motorizados.

Lubrificante versus anti-aderência do revestimento

Os revestimentos antiaderentes ou antiaderentes são projetados para reduzir a condição adesiva (pegajosidade) de um determinado material. As indústrias de borracha, mangueiras e fios e cabos são as maiores consumidoras de produtos antiaderentes, mas praticamente todas as indústrias usam alguma forma de agente antiaderente. Os agentes antiaderentes diferem dos lubrificantes porque são projetados para reduzir as qualidades inerentemente adesivas de um determinado composto, enquanto os lubrificantes são projetados para reduzir o atrito entre quaisquer duas superfícies.

Mantenha-se movendo peças para além

Lubrificantes são normalmente usados ​​para separar peças móveis em um sistema. Essa separação tem o benefício de reduzir o atrito, o desgaste e a fadiga da superfície, junto com a redução da geração de calor, ruído operacional e vibrações. Os lubrificantes conseguem isso de várias maneiras. O mais comum é a formação de uma barreira física, ou seja, uma fina camada de lubrificante separa as partes móveis. Isso é análogo ao aquaplanagem, a perda de fricção observada quando um pneu de carro é separado da superfície da estrada movendo-se em água parada. Isso é denominado lubrificação hidrodinâmica. Em casos de altas pressões ou temperaturas superficiais, a película de fluido é muito mais fina e algumas das forças são transmitidas entre as superfícies através do lubrificante.

Reduzir o atrito

Normalmente, o atrito do lubrificante à superfície é muito menor do que o atrito da superfície à superfície em um sistema sem qualquer lubrificação. Assim, o uso de um lubrificante reduz o atrito geral do sistema. O atrito reduzido tem o benefício de reduzir a geração de calor e a formação reduzida de partículas de desgaste, bem como de melhorar a eficiência. Os lubrificantes podem conter aditivos polares conhecidos como modificadores de fricção que se ligam quimicamente às superfícies de metal para reduzir o atrito da superfície, mesmo quando não há lubrificante a granel suficiente presente para a lubrificação hidrodinâmica, por exemplo, protegendo o trem de válvula em um motor de carro na inicialização. O próprio óleo de base também pode ser de natureza polar e, como resultado, inerentemente capaz de se ligar a superfícies de metal, como acontece com os óleos de polioléster .

De transferência de calor

Lubrificantes gasosos e líquidos podem transferir calor. No entanto, os lubrificantes líquidos são muito mais eficazes devido à sua alta capacidade de calor específico. Normalmente, o lubrificante líquido é constantemente circulado de e para uma parte mais fria do sistema, embora os lubrificantes possam ser usados ​​para aquecer e também para resfriar quando uma temperatura regulada é necessária. Esse fluxo circulante também determina a quantidade de calor que é transportada em qualquer unidade de tempo. Os sistemas de alto fluxo podem remover muito calor e têm o benefício adicional de reduzir o estresse térmico do lubrificante. Assim, podem ser usados ​​lubrificantes líquidos de baixo custo. A principal desvantagem é que fluxos altos normalmente requerem reservatórios maiores e unidades de resfriamento maiores. Uma desvantagem secundária é que um sistema de alto fluxo que depende da taxa de fluxo para proteger o lubrificante do estresse térmico é suscetível a falhas catastróficas durante desligamentos repentinos do sistema. Um turbocompressor automotivo refrigerado a óleoé um exemplo típico. Os turbocompressores esquentam durante a operação e o óleo que os resfria só sobrevive porque seu tempo de residência no sistema é muito curto (ou seja, alta vazão). Se o sistema for desligado repentinamente (puxando para uma área de serviço após uma condução em alta velocidade e desligando o motor), o óleo que está no turboalimentador oxida imediatamente e obstruirá as vias de óleo com depósitos. Com o tempo, esses depósitos podem bloquear completamente as passagens de óleo, reduzindo o resfriamento, fazendo com que o turboalimentador falhe totalmente, normalmente com rolamentos emperrados . Lubrificantes que não fluem, como graxas e pastas, não são eficazes na transferência de calor, embora contribuam, em primeiro lugar, reduzindo a geração de calor.

Transportam os contaminantes e detritos

Os sistemas de circulação de lubrificante têm a vantagem de transportar os detritos gerados internamente e os contaminantes externos que são introduzidos no sistema para um filtro de onde podem ser removidos. Lubrificantes para máquinas que geram regularmente detritos ou contaminantes, como motores automotivos, normalmente contêm aditivos detergentes e dispersantes para auxiliar no transporte e remoção de detritos e contaminantes para o filtro. Com o tempo, o filtro ficará obstruído e precisará ser limpo ou substituído, daí a recomendação de trocar o filtro de óleo do carro ao mesmo tempo que troca o óleo. Em sistemas fechados, como caixas de engrenagens, o filtro pode ser complementado por um ímã para atrair quaisquer partículas de ferro que sejam criadas.

É evidente que em um sistema circulatório o óleo será tão limpo quanto o filtro pode torná-lo, portanto, é lamentável que não existam padrões da indústria pelos quais os consumidores possam avaliar prontamente a capacidade de filtragem de vários filtros automotivos. Filtros automotivos de baixa qualidade reduzem significativamente a vida útil da máquina (motor), além de tornar o sistema ineficiente.

Potência de transmissão

Lubrificantes conhecidos como fluido hidráulico são usados ​​como fluido de trabalho na transmissão de energia hidrostática. Os fluidos hidráulicos representam grande parte de todos os lubrificantes produzidos no mundo. A transmissão automática do conversor de binário é outra importante aplicação para transmissão de energia com lubrificantes.

Desgaste contra Protect

Os lubrificantes evitam o desgaste, mantendo as peças móveis separadas. Os lubrificantes também podem conter aditivos antidesgaste ou de extrema pressão para aumentar seu desempenho contra o desgaste e a fadiga.

Evitar a corrosão

Muitos lubrificantes são formulados com aditivos que formam ligações químicas com as superfícies ou que excluem a umidade, para evitar corrosão e ferrugem. Ele reduz a corrosão entre duas superfícies metálicas e evita o contato entre essas superfícies para evitar a corrosão imersa.

Selo de gases

Os lubrificantes ocuparão a folga entre as partes móveis através da força capilar, vedando assim a folga. Este efeito pode ser usado para vedar pistões e eixos.

Tipos de fluidos


"Vidrado" formação (desgaste de alta temperatura)

Um outro fenômeno que foi investigado em relação à prevenção do desgaste em alta temperatura e lubrificação é o da formação de um esmalte de camada de óxido compactado . Esses esmaltes são gerados pela sinterização de uma camada de óxido compactado. Esses esmaltes são cristalinos, em contraste com os esmaltes amorfos vistos na cerâmica. As altas temperaturas necessárias surgem de superfícies metálicas deslizando umas contra as outras (ou uma superfície metálica contra uma superfície de cerâmica). Devido à eliminação do contato metálico e da adesão pela geração de óxido, o atrito e o desgaste são reduzidos. Efetivamente, essa superfície é autolubrificante.

Como o "esmalte" já é um óxido, ele pode sobreviver a temperaturas muito altas no ar ou em ambientes oxidantes. No entanto, é desvantajoso por ser necessário que o metal de base (ou cerâmica) tenha que sofrer algum desgaste primeiro para gerar resíduos de óxido suficientes.

Eliminação e impacto ambiental

Estima-se que cerca de 50% de todos os lubrificantes são lançados no meio ambiente. [ carece de fontes? ] Métodos comuns de descarte incluem reciclagem , queima , aterro e descarte na água, embora o descarte em aterro e descarte na água sejam estritamente regulamentados na maioria dos países, pois mesmo uma pequena quantidade de lubrificante pode contaminar uma grande quantidade de água. A maioria dos regulamentos permite um nível mínimo de lubrificante que pode estar presente nos fluxos de resíduos e as empresas gastam centenas de milhões de dólares anualmente no tratamento de suas águas residuais para chegar a níveis aceitáveis. [ citação necessária ]

A queima do lubrificante como combustível, normalmente para gerar eletricidade, também é regida por regulamentos, principalmente devido ao nível relativamente alto de aditivos presentes. A queima gera poluentes transportados pelo ar e cinzas ricas em materiais tóxicos, principalmente compostos de metais pesados. Assim, a queima de lubrificantes ocorre em instalações especializadas que incorporaram depuradores especiais para remover poluentes transportados pelo ar e têm acesso a aterros com licenças para manusear as cinzas tóxicas.

Infelizmente, a maior parte do lubrificante que acaba diretamente no meio ambiente se deve ao fato do público em geral descartá-lo no solo, em ralos e diretamente em aterros sanitários como lixo. Outras fontes de contaminação direta incluem escoamento de estradas, derramamentos acidentais, desastres naturais ou provocados pelo homem e vazamentos de oleodutos.

A melhoria nas tecnologias e processos de filtração agora tornou a reciclagem uma opção viável (com o aumento do preço do estoque básico e do petróleo bruto) Normalmente, vários sistemas de filtração removem partículas, aditivos e produtos de oxidação e recuperam o óleo base. O óleo pode ser refinado durante o processo. Este óleo de base é então tratado da mesma forma que o óleo de base virgem, no entanto, há uma relutância considerável em usar óleos reciclados, pois eles são geralmente considerados inferiores. A base de gado destilada a vácuo fracionada de lubrificantes usados ​​tem propriedades superiores aos óleos totalmente naturais, mas a relação custo-benefício depende de muitos fatores. O lubrificante usado também pode ser usado como matéria-prima da refinaria para se tornar parte do petróleo bruto. Novamente, há uma relutância considerável a esse uso, pois os aditivos, fuligem e metais de desgaste irão envenenar / desativar seriamente os catalisadores críticos no processo. O custo proíbe a realização de filtração (fuligem, remoção de aditivos) e rerrefino ( destilação, isomerização, hidrocraqueamento, etc.) no entanto, o principal obstáculo à reciclagem ainda é a coleta de fluidos, pois as refinarias precisam de abastecimento contínuo em quantidades medidas em cisternas, tanques ferroviários.

Ocasionalmente, o lubrificante não utilizado requer descarte. O melhor curso de ação em tais situações é devolvê-lo ao fabricante, onde pode ser processado como parte de novos lotes.

Meio ambiente: Lubrificantes frescos e usados ​​podem causar danos consideráveis ​​ao meio ambiente, principalmente devido ao seu alto potencial de poluição da água. Além disso, os aditivos tipicamente contidos no lubrificante podem ser tóxicos para a flora e a fauna. Em fluidos usados, os produtos de oxidação também podem ser tóxicos. A persistência do lubrificante no meio ambiente depende muito do fluido de base, no entanto, se aditivos muito tóxicos forem usados, eles podem afetar negativamente a persistência. Os lubrificantes de lanolina não são tóxicos, o que os torna a alternativa ambiental segura para os usuários e para o meio ambiente.

Sociedades e entidades da indústria

Publicações principais

  • Revisado por pares
    • ASME Journal of Tribology
    • Tribology International
    • Transações de Tribologia
    • Journal of Synthetic Lubricants
    • Cartas de Tribologia
    • Ciência da Lubrificação
  • Periódicos comerciais
    • Tribologia e Tecnologia de Lubrificação
    • Combustíveis e lubrificantes internacionais
    • Tendências do petróleo
    • Lubrificantes e graxas
    • Compostos
    • Análise do mercado químico
    • Lubrificação de máquinas

Veja também

  • Lubrificação  - A presença de um material para reduzir o atrito entre duas superfícies.
  • Óleo de motor  - Lubrificante usado para lubrificação de motores de combustão interna
  • Análise de óleo  - análise de laboratório das propriedades e contaminantes de um lubrificante à base de óleo
  • Óleo penetrante  - Óleo de viscosidade muito baixa.
  • Tribologia  - Ciência e engenharia de superfícies interagentes em movimento relativo

Referências

Notas

  1. ^ a b Don M. Pirro; Martin Webster; Ekkehard Daschner (2016). Lubrication Fundamentals (Terceira edição, edição revisada e expandida). CRC Press. ISBN 978-1-4987-5290-9.(impresso) ISBN 978-1-4987-5291-6 (e-book) 
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Fontes

Ligações externas