Tribologie is een relatief onbekende tak van de wetenschap, maar het belang ervan kan nauwelijks genoeg worden benadrukt. De term tribologie is afkomstig van de Griekse wortels "tribo" en "logos", wat zich laat vertalen als "de leer van de wrijving".
Rond het jaar 1500 deed de legendarische wetenschapper Galileo al onderzoek naar tribologische verschijnselen en zijn bevindingen zijn nog altijd van invloed op het vakgebied, hoewel de naam tribologie pas veel later is bedacht. Ver voor hem hielden zelfs de oude Egyptische en Mesopotamische beschavingen zich er al mee bezig.
Tribologie houdt zich bezig met fenomenen zoals slijtage, frictie en smering. Strikt genomen is het de leer van de wisselwerking tussen verschillende oppervlakken.
De onbekendheid van de naam doet geen recht aan de impact die de wrijvingsleer heeft op industriële processen en de economie. Simpel gezegd gaan door wrijving machineonderdelen slijten en uiteindelijk leidt dat tot schade, storingen en uitval. Er wordt geschat dat alleen al de in economie van de VS elk jaar één á twee procent van het BBP verloren gaat aan slijtage van machines en ander materieel.
Sinds de jaren zestig van de vorige eeuw wordt dan ook over de hele wereld onderzoek gedaan naar smeermiddelen die onder de meest extreme omstandigheden de nodige bescherming bieden. Tijdens de lange geschiedenis van de tribologie heeft deze wetenschap veel bijgedragen aan de samenstelling van olie in een enorm scala aan toepassingen. Van oudsher is olie het smeermiddel bij uitstek, maar naarmate de kennis over smering en wrijving toenam werd het steeds duidelijker dat basisolie op zichzelf niet ideaal is om als smeermiddel te gebruiken.
Daarom zijn er steeds meer manieren bedacht om de smerende werking van verschillende soorten olie te versterken en voor specifieke omstandigheden geschikt te maken.
Meestal gebeurt dit door toevoeging van zogenaamde additieven. Additieven zijn hulpstoffen die via specifieke processen en reacties eigenschappen van de olie optimaliseren of juist reduceren, om zo tot het perfecte smeermiddel te komen voor een specifiek soort machine of een specifieke situatie.
In de onderstaande tekst worden een aantal van deze ontwikkelingen in detail besproken, om meer inzicht te geven in de wereld van olie en tribologie.
Ongeacht welke smeerolie voor een bepaalde toepassing wordt gebruikt, het zal gaan om een variant van wat basisolie wordt genoemd. Basisolie is letterlijk de basis van elke smeerolie.
Met basisolie als uitgangspunt worden voor allerlei specifieke situaties nieuwe producten bedacht die door toevoeging van additieven bijzondere eigenschappen krijgen.Daarnaast is het van belang welk type en welke kwaliteit basisolie er wordt gebruikt om tot een bepaald product te komen.
De grootste groep wordt gevormd door de minerale oliën. Zo is de welbekende en veel gebruikte 15W-40 olie gebaseerd op minerale olie. Minerale olie wordt als raffinageproduct gewonnen uit ruwe aardolie, een natuurproduct dat aan de aardbodem wordt onttrokken.
Zoals bij de meeste natuurproducten varieert de precieze samenstelling van ruwe aardolie per boring en per locatie. In de olie bevinden zich koolwaterstoffen, water, zout, zand en verschillende mineralen.
Deze bestanddelen worden tijdens het raffinageproces van elkaar gescheiden door destilleren en zuiveren van het basismateriaal. Zo kunnen uit verschillende soorten ruwe aardolie door verschillen in het raffinageproces allerlei variaties van minerale basisolie worden gecreëerd, die specifiek voor bepaalde toepassingen geschikt zijn.
Naast de algemene samenstelling is een belangrijk criterium voor de verschillende varianten de viscositeitsgraad. Dit is de mate waarin de stof zich vloeibaar of juist stroperig gedraagt.
Minerale basisoliën kunnen worden onderverdeeld in twee soorten: parafinische en naftenische basisoliën. Hiervan komen de naftenische oliën relatief weinig voor, behalve in processen waar bijzonder lage vloeipunten vereist zijn.
Paraffinische oliën worden voor de meeste reguliere processen ingezet, omdat ze een grote viscositeit bezitten en verder op alle belangrijke punten prima kwalificaties hebben.
Van een hele andere orde zijn de zogenaamde hydrocrack basisolën. Deze oliesoorten worden geraffineerd volgens een ander procedé waarbij in een waterstofomgeving door isomerisatie de molecuulstructuur wordt gewijzigd. De chemie achter deze processen is ingewikkeld, maar de resultaten zijn dan ook indrukwekkend.
De iso-alkanen die uit de reacties voortkomen zijn qua vorm vergelijkbaar met compleet synthetische basisoliën, waaruit mooie eigenschappen voortkomen zoals de viscositeitsindex, een lage vluchtigheid en een zeer geringe gevoeligheid voor oxidatiereacties.
Hierdoor zijn hydrocrack olië op meerdere vlakken superieur aan reguliere minerale basisolie. Een bijkomend voordeel van hydrocrack basisolie is de grote capaciteit om additieven op te laten lossen, wat veel mogelijkheden biedt voor specifieke toepassingen.
Niet voor niets wordt hydrocrack basisolie steeds vaker gebruikt voor hoogwaardige automotoren en industriële doeleinden.
Synthetische basisoliën verschillen van minerale basisoliën doordat er veel stoffen in voorkomen die in de natuur niet of nauwelijks te vinden zijn. Dit wordt bereikt door een vernuftige reeks chemische reacties, waarbij grondstoffen tot polymeren worden gevormd.
Door deze synthese neemt het moleculair gewicht van de oorspronkelijke grondstoffen toe. Afhankelijk van de precieze bewerkingen zijn enorm veel soorten synthetische basisoliën te onderscheiden.
Eigenlijk is de naam synthetisch daardoor vooral een containerbegrip geworden, dat op zichzelf weinig zegt over de precieze samenstelling en kwaliteit van een bepaalde soort olie. Synthetische oliën vormen dan ook een enorm gevarieerde groep smeermiddelen, waarbij de exacte kenmerken volledig afhankelijk zijn van het desbetreffende productieproces.
Een aantal bekende namen binnen de synthetische oliën zijn siliconen, polyalkeenglycolen, polyalfa-olefinen, organische esters en fosfaatesters. Om een overzicht te verkrijgen van synthetische oliën zoals ze in de praktijk worden verkocht is bijvoorbeeld op www.overweg-olie.nl veel informatie te vinden.
Omdat synthetische oliën speciaal voor bepaalde doeleinden kunnen worden ontworpen, komen we ze met name tegen binnen toepassingen waarvoor minerale basisoliën niet geschikt zijn.Dit kan bijvoorbeeld gelden voor extreem koude omstandigheden of juist hoog oplopende temperaturen.
Synthetische olie is erg in trek binnen de auto-industrie, juist vanwege de grote diversiteit die deze biedt. Vooral de hierboven genoemde polyalfa-olefinen worden veel gebruikt, voor zowel motorolie als transmissie-olie waarbij besparing op brandstofverbruik een belangrijke eis is.
Het nadeel van deze polyalfa-olefinen is hun hoge kostprijs. In verband hiermee wordt momenteel vaak naar goedkopere alternatieven gezocht in een branche die gekenmerkt wordt door krappe marges en moordende concurrentie.
Een oplossing kan worden gezocht in mengsels van verschillende soorten oliën. Hydrocrack olie of minerale basisolie wordt hierbij aan de synthetische polyalfa-olefinen, om een middenweg te vinden tussen de mooie eigenschappen van synthetische olie en de gunstige prijs van minerale alternatieven. Eigenlijk wordt zuivere polyalfa-olefine olie nauwelijks meer gebruikt buiten extreme sectoren zoals formule 1 racing of duurzame long-life transmissie-olie.
Een nog hoogwaardiger type synthetische basisolie is de categorie esters. Deze stoffen zijn buitengewoon stabiel onder extreme temperatuuromstandigheden. De smerende werking van esters is formidabel, maar ook de vluchtigheid en het vloeipunt zijn ongeëvenaard laag.
Daarentegen is de viscositeitsindex weer exceptioneel hoog, wat esters geschikt maakt voor de meest veeleisende situaties. Van steeds groter belang wordt de biologische structuur van esters, die ze aanzienlijk gemakkelijker maakt om op natuurlijke wijze te worden afgebroken. Dit alles maakt esters begrijpelijkerwijs veel kostbaarder dan minerale basisoliën en minder hoogwaardige synthetische varianten.
Om die reden komen we esters als smeermiddelen nauwelijks tegen buiten high-end industriële omgevingen en als additief om de kwalitatieve eigenschappen van andere smeermiddelen nog een tandje op te schroeven.
Een bijzondere groep binnen de synthetische basisoliën wordt tenslotte gevormd door de polyalkeenglycolen. Deze synthetische smeermiddelen zijn bijzonder en alleen geschikt voor bepaalde toepassingen door hun polariteit.
Wormwiel- en tandwielkasten zijn voorbeelden van zulke toepassingen. In deze constructies wordt veel metaal gebruikt, waar de polariteit van polyalkeenglycolen handig van pas komt doordat de film van smeermiddel aan de koperen of andere metalen onderdelen blijft 'kleven' als een magneet. Hierdoor is het verlies zeer gering, wat de duurzaamheid uiteraard ten goede komt.
Deze polariteit heeft ook nadelen. Het maakt het bijvoorbeeld onmogelijk om deze stoffen met andere basisoliën te mengen. Ook kunnen bepaalde soorten afdichtingsmaterialen worden aangetast door de polyalkeenglycolen, wat deze groep basisoliën beperkt tot een specialistische, vaak industriële nichemarkt.
Zoals eerder werd aangegeven zijn de meeste soorten olie niet zonder meer geschikt om als smeermiddel te worden toegepast.
Daarom worden allerlei verschillende stoffen aan de mengsels toegevoegd om bepaalde eigenschappen te versterken of juist af te zwakken. Deze toegevoegde middelen staan bekend als additieven.
Deze additieven maken de mogelijkheden om te variëren nog groter dan al het geval was bij de verschillende basisoliën. Een kijkje in het assortiment van een leverancier als Overweg Olie biedt een eerste indruk van de veelheid aan additieven die alleen al voor motorolie worden ingezet.
Een aanzienlijk deel van de gebruikte additieven zijn bedoeld om corrosie tegen te gaan. De bepalende eigenschap voor deze additieven is het vermogen om aan metalen oppervlakken te hechten, waardoor een dun maar effectief beschermingslaagje ontstaat op kwetsbare plaatsen.
De stoffen die corrosie veroorzaken kunnen niet door dit beschermingslaagje dringen, waardoor corrosie in belangrijke mate wordt voorkomen en de machineonderdelen aanzienlijk langer meegaan.
Metaal kan zoals bekend gaan roesten, maar ook smeerolie is onderhevig aan oxidatiereacties.
Oxidatie is een type reactie van de desbetreffende stof met zuurstof, waardoor verval plaatsvindt. De werkzame stoffen in de smeermiddelen worden door oxidatie omgevormd tot bepaalde zuren en lange polymeerketens, waardoor de werkzaamheid geleidelijk afneemt.
Deze reacties worden nog eens versneld door aanwezigheid van metaalresten in de olie en andere vervuiling, hoge temperaturen en de aanwezigheid van water.
Het toevoegen van antioxidatie-additieven gaat deze reacties tegen en vergroot de werkzame levensduur van smeermiddelen aanzienlijk, wat uiteraard een kostenbesparing met zich meebrengt.
Antislijtage-additieven zijn zodanig ontworpen dat ze worden geactiveerd zodra de temperatuur boven een bepaalde waarde uitstijgt. Hierdoor werken ze alleen waar metaal op metaal wrijft.
Juist op die kwetsbare plekken ontstaat zo een dun beschermingslaagje dat ook weer snel verdwijnt las de omstandigheden normaliseren. Dit zorgt ervoor dat de metalen onderdelen soepeler over elkaar bewegen, wat resulteert in een afname van slijtage en daarmee wederom een langere levensduur van de betreffende onderdelen waarborgt.
Door beweging en opname van luchtbelletjes in het smeermiddel kan schuimvorming ontstaan. Schuim is een negatieve invloed op de smering van bewegende onderdelen. De olie wordt minder smerend, het wordt moeilijker te comprimeren, het koelvermogen loopt terug, de olie beweegt trager en oxidatie wordt in de hand gewerkt wanneer er schuim in het smeermiddel aanwezig is.
Om dit te voorkomen worden antischuim-additieven met een lage oppervlaktespanning in het smeermiddel opgelost. Hier vormen ze extreem kleine deeltjes die schuimvorming tegengaan door de luchtbellen waaruit het schuim is opgebouwd kapot maken zodra ze ermee in contact komen.
Wanneer de temperatuur in een bepaald onderdeel afneemt, zal de viscositeit van de smeerolie toenemen. Hierdoor wordt het smeermiddel stroperig en vloeit het niet op de juiste manier door.
Wanneer de temperatuur stijgt neemt de viscositeit juist af, waardoor het smeermiddel te vloeibaar wordt en niet meer de juiste mate van smering biedt.
De viscositeitsindex van een stof geeft aan in hoeverre de viscositeit stabiel blijft onder wisselende temperaturen. Een hoge viscositeitsindex wijst op een stabiele viscositeit bij temperatuurschommelingen. Voor de meeste toepassingen van smeermiddelen is een hoge viscositeitsindex een wenselijke eigenschap.
Om deze index te kunnen beïnvloeden worden speciaal ontworpen langgerekte polymeren toegevoegd. Zolang de temperatuur niet te hoog oploopt ballen deze moleculen zich samen, waardoor ze weinig invloed hebben op de viscositeit van de smeermiddelen.
Wanner de temperatuur stijgt rekken de polymeren zich op en gaat het smeermiddel minder gemakkelijk stromen. Door deze additieven toe te voegen wordt in belangrijke mate voorkomen dat smeermiddelen te dun worden bij hogere werktemperaturen.
Extreme Pressure dopes zijn additieven die worden geactiveerd door temperatuurstijging. De temperatuur stijgt in de regel op plaatsen waar wrijving tussen onderdelen plaatsvindt.
Bij extreme wrijvingswarmte kunnen metalen onderdelen snel slijten of zelfs op elkaar kunnen smelten. Hier komen de zogenaamde Extreme Pressure dopes goed van pas.
Deze additieven werken meestal op basis van zwavelverbindingen, die bij hogere temperaturen ijzeren oppervlakken bedekt met een laagje ijzersulfide.
Eventuele verklevingen tussen gesmolten onderdelen worden hierdoor weer verzwakt en komen zo los van elkaar. Deze additieven zijn vooral bedoeld voor extreme omstandigheden zoals die kunnen voorkomen in zware transmissie- en differentieelonderdelen.
Afzettingen van stoffen zoals lak, roet en koolstofverbindingen kunnen machineonderdelen gemakkelijk beschadigen wanneer ze niet tijdig worden verwijderd.
Met additieven kan dit worden voorkomen.
Zogeheten detergenten en dispersanten voorkomen dat rondzwevende vuildeeltjes samenklonteren, waardoor ze door de vloeistof kunnen worden afgevoerd zonder zich aan een oppervlak te hechten.
Detergenten worden geactiveerd door oplopende temperaturen en dispersanten door afnemende temperaturen. In combinatie voorkomen ze dat rondzwevende deeltjes zich kunnen verzamelen om een afzetting te vormen.
Het vloeipunt is het moment waarop een stof overgaat van vaste naar vloeibare vorm, of vice versa.
Omdat in enorm veel toepassingen gebruik wordt gemaakt van de paraffinische basisoliën, moet over dit vloeipunt worden nagedacht.
Paraffinische basisoliën hebben de neiging tot klontvorming wanneer de temperatuur terugloopt. De stof wordt minder vloeibaar en de smerende werking neemt snel af.
Vloeipuntverlaging wordt bereikt door speciale additieven die een laagje vormen om de paraffinekristallen in deze oliën. Hierdoor kunnen ze niet samenklonteren en wordt de vloeibaarheid van het smeermiddel beschermd.
Zoals uit de bovenstaande tekst duidelijk wordt is het werkveld van de tribologie een enorm breed vakgebied, waarbinnen continu innovaties worden toegepast om de werking van bewegende onderdelen te blijven garanderen.
Dit brede scala aan producten is de moeite van het onderzoeken waard voor iedereen die geïnteresseerd is in processen die gesmeerd moeten verlopen. Het assortiment smeerolieproducten van Overweg Olie biedt een eerste aanknopingspunt voor wie op zoek is naar de meest geschikte smeermiddelen bij uiteenlopende toepassingen en omstandigheden. Hopelijk is de uitleg in deze korte beschrijving een eerste basis om de juiste keuze te kunnen maken!
Informatiebron:Overweg Olie
