Aditivos Lubrificantes: Um Guia Abrangente

Os lubrificantes mantêm o mundo girando. Assim que algo se move, um lubrificante deve estar presente para reduzir o atrito ou desgaste entre as superfícies. Mas o que torna os lubrificantes tão únicos na nossa indústria? É apenas o óleo base?

Não, é aqui que o poder de aditivos lubrificantes realmente brilha, uma área que muitos ignoram. Este artigo concentra-se mais nos heróis anônimos da indústria, nos tipos envolvidos, em suas funcionalidades e em alguns desafios.

Por que precisamos de aditivos lubrificantes?

Antes de entrar no mundo dos aditivos, voltemos ao básico: por que eles são necessários? Um lubrificante é composto de óleo base e aditivos. Dependendo do tipo de óleo, diferentes proporções de aditivos serão utilizadas para as diversas aplicações. Além disso, cada OEM de lubrificante terá sua fórmula exclusiva para seu lubrificante.

Para simplificar, podemos pensar em fazer uma xícara de chá. A primeira coisa que precisamos é de um pouco de água quente em um copo. Este pode ser nosso óleo base. Pode ser usado sozinho (algumas pessoas bebem água quente ou usam para outros fins), mas se quisermos fazer uma xícara de chá, devemos adicionar coisas.

Dependendo da finalidade para a qual você está bebendo o chá, você pode escolher um sabor específico. Talvez hortelã-pimenta para melhorar a digestão ou para ajudar a melhorar a concentração ou camomila para mantê-lo calmo.

Esses sabores podem representar os vários tipos de óleos: óleos de engrenagens, óleos de turbina ou óleos de motor. Diferentes misturas são adequadas para diferentes aplicações.

Agora, embora tenhamos adicionado o saquinho de chá à água quente (e algumas pessoas podem beber chá assim), outras precisam adicionar adoçante ou leite. Estes são os aditivos ao óleo base (água quente).

Dependendo da preferência de quem bebe o chá, haverá quantidades variadas de adoçante (mel, estévia ou açúcar) e quantidades variadas de leite (regular, desnatado, aveia, sem laticínios). As combinações são infinitas!

O mesmo pode ser dito dos aditivos em lubrificantes acabados. Dependendo do tipo de óleo (sabor de chá, óleo de engrenagem ou de turbina) e sua aplicação (a pessoa que bebe o chá, com preferências alimentares de ser sem laticínios ou sem açúcar), a combinação de aditivos lubrificantes e suas proporções serão diferentes. A porcentagem de aditivos pode variar de 0,001 a 30% dependendo do tipo de óleo.

O lubrificante final terá propriedades combinadas do óleo base e dos aditivos. Vamos explorar um pouco mais como esses aditivos funcionam e suas características.

Tipos de aditivos lubrificantes

Existem muitos tipos de aditivos lubrificantes e existem várias formulações de diferentes fornecedores. Nesta seção, abordaremos os aditivos mais comuns encontrados em lubrificantes acabados.

Depressores de ponto de fluidez

Todos os líquidos têm uma temperatura específica na qual podem fluir efetivamente. A viscosidade do líquido e a temperatura atual determinam a rapidez com que ele se move. Como o nome indica, os depressores do ponto de fluidez podem ajudar a diminuir a temperatura na qual o lubrificante flui1.

Melhoradores do Índice de Viscosidade

Melhoradores do Índice de Viscosidade 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.

Modificadores de Fricção

Quando duas superfícies se esfregam, forma-se atrito. Dependendo do tipo e extensão do atrito, algumas superfícies podem sofrer soldagem e até mesmo desgaste adesivo. É aqui que os modificadores de atrito podem ajudar, reduzindo as forças de atrito associadas a oscilações e ruídos stick-slip.

Antiespumantes (antiespumantes)

Alguns lubrificantes sucumbem à formação de espuma em seus sistemas. Quando a espuma é feita, ela impacta significativamente as funções do lubrificante e pode levar ao desgaste excessivo por falta de lubrificação (rompe a superfície do lubrificante), cavitação (devido à presença de bolhas de ar) e até mesmo aumento da oxidação (devido à presença de ar preso no sistema). A espuma também pode afetar a capacidade de um líquido transferir calor ou esfriar. Antiespumantes ou aditivos antiespumantes reduzem a quantidade de espuma produzida.

Inibidores de oxidação (antioxidantes)

A oxidação ocorre na maioria dos lubrificantes. Durante o processo de oxidação, surgem radicais livres, propagando-se para formar radicais alquil ou peroxi e hidroperóxidos, que eventualmente reagem com outros para formar subprodutos de oxidação. Durante a fase de propagação, os antioxidantes são geralmente utilizados para neutralizar os radicais livres ou decompor os hidroperóxidos3. Como tal, estes aditivos são de natureza sacrificial, pois protegem o óleo base da oxidação ao serem esgotados.

Existem muitos tipos de antioxidantes, incluindo fenólicos e compostos de nitrogênio aromático, fenóis impedidos, aminas aromáticas, ditiofosfatos de zinco e alguns outros.

Inibidores de ferrugem e corrosão

Se oxigênio e água estiverem presentes em um local que contenha ferro, poderá formar-se ferrugem. A corrosão afeta os metais não ferrosos na presença de ácidos no lubrificante1. A maioria dos equipamentos sucumbe à ferrugem e à corrosão com bastante facilidade, por isso esses inibidores foram desenvolvidos para mitigar esses efeitos, formando camadas protetoras nas superfícies dos equipamentos.

Detergentes e Dispersantes

Detergentes e dispersantes muitas vezes ficam confusos, pois geralmente trabalham juntos para evitar o acúmulo de depósitos nos óleos. Os detergentes neutralizam os precursores de depósitos (especialmente em óleos de motor), enquanto os dispersantes suspendem os potenciais materiais formadores de lama ou verniz4.

Aditivos Antidesgaste

Os aditivos antidesgaste reduzem o atrito e o desgaste, especialmente durante condições extremas de lubrificação. Eles são projetados para reduzir o desgaste quando o sistema é exposto a estresse moderado2.

Aditivos de Extrema Pressão

Os aditivos de extrema pressão são geralmente confundidos com aditivos antidesgaste ou os nomes são usados de forma intercambiável. No entanto, os aditivos de extrema pressão começam a funcionar quando o sistema sofre tensões elevadas e tentam evitar a soldagem de peças móveis, ao contrário dos aditivos antidesgaste, que funcionam quando o sistema sofre tensões moderadas.

Como funcionam os aditivos lubrificantes?

Cada aditivo funciona de maneira diferente para desempenhar sua função no óleo base e no lubrificante final geral. Esta seção explorará como cada um dos aditivos lubrificantes funciona e alguns dos desafios que eles podem enfrentar.

Depressores de ponto de fluidez

Conforme observado acima, os depressores do ponto de fluidez ajudam a controlar o fluxo do lubrificante. Isto é conseguido modificando os cristais de cera presentes no óleo base do lubrificante. Em temperaturas mais baixas, o líquido geralmente tem dificuldade para ser derramado devido à presença de moléculas de cera no óleo base1.

Existem dois tipos principais de depressores de ponto de fluidez, a saber;

• Polímeros alquilaromáticos adsorver nos cristais de cera à medida que se formam, evitando assim que cresçam e adiram uns aos outros. Isto controla efetivamente o processo de cristalização e garante que o lubrificante possa ser derramado.
• Polimetacrilatos co-cristalizar com cera para evitar o crescimento de cristais.

Embora estes aditivos não impeçam totalmente o crescimento de cristais de cera, eles diminuem a temperatura à qual estas estruturas rígidas são formadas. Esses aditivos podem atingir uma depressão do ponto de fluidez de até 28°C (50°F); no entanto, a faixa comum é normalmente entre 11-17°C (20-30°F).

Os limites de solubilidade podem limitar o uso deste tipo de aditivo para alcançar o efeito desejado no óleo base.

Melhoradores do Índice de Viscosidade

Esses aditivos são tipicamente polímeros de cadeia longa e alto peso molecular que mudam sua configuração no lubrificante com base na temperatura4. Quando o lubrificante está em ambiente frio, esses polímeros adotam uma forma enrolada para minimizar o efeito na viscosidade. Por outro lado, em ambiente quente, eles se endireitarão, permitindo que o óleo produza um efeito espessante.

Embora seja mais desejável utilizar polímeros de elevado peso molecular (uma vez que proporcionam um melhor efeito de espessamento), estas moléculas de cadeia longa também estão sujeitas a degradação devido ao cisalhamento mecânico. Portanto, um equilíbrio deve ser alcançado entre o peso molecular e a condição de serviço estável ao cisalhamento.

Outro desafio para os formuladores é equilibrar a tendência do polímero ao cisalhamento com o esperado espessamento da viscosidade devido a processos oxidativos e o afinamento da viscosidade devido à diluição do combustível1.

Modificadores de Fricção

Eles geralmente competem com os aditivos antidesgaste e de extrema pressão (e outros compostos polares) pelo espaço da superfície. Contudo, eles são ativados em temperaturas quando os aditivos AW e EP ainda não estão ativos. Assim, eles formam finas camadas monomoleculares de produtos solúveis polares fisicamente adsorvidos ou camadas de carbono triboquímicas redutoras de atrito, que apresentam um comportamento de atrito menor do que os aditivos AW e EP2.

Existem diferentes grupos de modificadores de atrito com base em sua função. Alguns são FMs que funcionam mecanicamente (compostos lubrificantes sólidos, por exemplo, dissulfeto de molibdênio, grafite, PTFE, etc.), camadas de adsorção formando FMs (por exemplo, éster de ácido graxo, etc.), camadas de reação triboquímica formando FMs, polímeros de fricção formando FMs e compostos organometálicos.

Antiespumantes (antiespumantes)

Quando se forma espuma no lubrificante, pequenas bolhas de ar ficam presas na superfície ou no interior (chamadas de espuma interna). Os antiespumantes atuam adsorvendo-se na bolha de espuma e afetando a tensão superficial da bolha. Isto causa coalescência e rompe a bolha na superfície do lubrificante1.

Para a espuma que se forma na superfície, chamada de espuma superficial, são utilizados antiespumantes com menor tensão superficial. Eles geralmente não são solúveis em óleo base e devem ser finamente dispersos para serem suficientemente estáveis, mesmo após armazenamento ou uso prolongado.

Por outro lado, a espuma interna, que consiste em bolhas de ar finamente dispersas no lubrificante, pode formar dispersões estáveis. Os antiespumantes comuns são projetados para controlar a espuma superficial, mas estabilizar a espuma interna2.

Inibidores de oxidação

Como observado acima, os antioxidantes são geralmente implantados durante a fase de propagação para neutralizar os radicais eliminadores ou decompor os hidroperóxidos3. Existem duas formas principais de antioxidantes: antioxidantes primários e secundários.

Os antioxidantes primários, também conhecidos como eliminadores de radicais, removem os radicais do óleo. Os tipos mais comuns são aminas e fenóis.

Os antioxidantes secundários são projetados para eliminar peróxidos e formar produtos não reativos no lubrificante. Alguns exemplos incluem ditiofosfato de zinco (ZDDP) e fenóis sulfurados.

Também existem sistemas antioxidantes mistos onde dois antioxidantes têm uma relação sinérgica. Um exemplo é a relação entre fenóis e aminas, onde os fenóis se esgotam precocemente durante a oxidação, enquanto as aminas se esgotam posteriormente. Outro exemplo é o uso de antioxidantes primários e secundários para remover radicais e hidroperóxidos.

Inibidores de ferrugem e corrosão

Os inibidores de ferrugem e corrosão são geralmente cadeias alquílicas longas e grupos polares que podem ser adsorvidos na superfície do metal em uma formação densamente compactada de camadas hidrofóbicas.

No entanto, este é um aditivo tensoativo e, como tal, compete com outros aditivos tensoativos (como antidesgaste ou aditivos de extrema pressão) pela superfície do metal. Existem dois grupos principais de aditivos anticorrosivos: aditivos antiferrugem (para proteger metais ferrosos) e passivadores metálicos (para metais não ferrosos2).

Os inibidores de Rus têm uma alta atração polar pelas superfícies metálicas. Eles formam uma película tenaz e contínua que impede que a água atinja a superfície do metal. Deve-se notar também que contaminantes podem introduzir corrosão em um óleo, assim como são produzidos ácidos orgânicos.

Detergentes e Dispersantes

Os detergentes são moléculas polares que removem substâncias da superfície metálica, semelhante a uma ação de limpeza. No entanto, alguns detergentes também fornecem propriedades antioxidantes. A natureza de um detergente é particularmente importante porque os detergentes que contêm metais produzem cinzas (normalmente cálcio, lítio, potássio e sódio)1.

Por outro lado, os dispersantes também são polares e mantêm contaminantes e componentes insolúveis do óleo suspensos no lubrificante. Eles minimizam a aglomeração de partículas, o que por sua vez mantém a viscosidade do óleo (em comparação com a coalescência das partículas, que leva ao espessamento). Ao contrário dos detergentes, os dispersantes são considerados isentos de cinzas. Eles normalmente trabalham em baixas temperaturas operacionais.

Aditivos Antidesgaste

Estes são tipicamente polares com moléculas de cadeia longa que são adsorvidas nas superfícies metálicas para formar uma camada protetora. Isto pode reduzir o atrito e o desgaste sob condições de deslizamento suaves. Normalmente, esses aditivos são formados a partir de ésteres, óleos graxos ou ácidos, que só podem funcionar em níveis baixos ou moderados de estresse no sistema.

A forma mais comum de antidesgaste é o ZDDP, usado em óleos de motor ou hidráulicos. Por outro lado, também existe um tipo de antidesgaste de fósforo sem cinzas para sistemas que exigem essa característica, e o fosfato de tricreysl é a escolha usual.

Aditivos de Extrema Pressão

Como os aditivos de extrema pressão só se tornam ativos quando temperaturas mais altas ou cargas mais pesadas estão no sistema, eles ganharam o nome de “aditivos anti-arranhões”.

Ao contrário dos aditivos antidesgaste, os aditivos de extrema pressão reagem quimicamente com as superfícies metálicas deslizantes para formar películas superficiais relativamente insolúveis. Esta reação só ocorre em temperaturas mais elevadas, às vezes entre 180-1000°C, dependendo do tipo de aditivo EP utilizado1.

Deve-se notar que mesmo com a presença de aditivos EP num lubrificante, ainda haverá algum desgaste durante o período de rodagem, uma vez que os aditivos ainda não formaram as suas camadas protetoras nas superfícies.

Os aditivos EP também devem ser projetados para o sistema que protegem, pois diferentes metais têm reatividade variável (os aditivos EP projetados para sistemas aço-aço podem não ser apropriados para sistemas de bronze, pois não são tão reativos com o bronze).

Os aditivos EP também contribuem para o polimento das superfícies deslizantes, pois sofrem a reação química mais significativa quando as asperezas estão em contato e as temperaturas localizadas estão no seu máximo. Tendem a ser criados a partir de compostos que contêm enxofre, fósforo, borato, cloro ou outros metais4.

Os aditivos lubrificantes se degradam com o tempo?

Conforme observado anteriormente, a maioria dos aditivos pode esgotar-se com o tempo, à medida que se esgotam em suas diversas funções. Aditivos antidesgaste e de proteção contra ferrugem revestem continuamente as superfícies dos metais de interface.

Isto pode fazer com que as suas concentrações iniciais diminuam ao longo do tempo até atingir um ponto em que a concentração do aditivo é demasiado baixa para oferecer qualquer protecção. Neste caso, não se degradou, mas se esgotou.

Nos anos anteriores, existiam problemas predominantes com a separação de aditivos do lubrificante acabado devido à filtração. No entanto, com a evolução da tecnologia e das melhores práticas, este já não é um problema comum que os operadores enfrentam.

No passado, os operadores notavam o entupimento frequente dos seus filtros e a subsequente redução das concentrações de aditivos, deixando o óleo desprotegido. Era comum notar aditivos depositados no fundo de um tambor de óleo depois de algum tempo parado.

Em essência, os aditivos lubrificantes não se degradam com o tempo; em vez disso, suas concentrações se esgotam, o que ajuda na degradação do lubrificante mais rapidamente do que um lubrificante acabado com concentrações de aditivos mais altas.

Inovação e tendências futuras para aditivos

Como será o futuro para os aditivos em nossa indústria? Eles irão embora completamente?

Pelas minhas estimativas, estamos muito longe de isso acontecer. A indústria de lubrificantes evoluiu ao longo dos anos, com muitos avanços do lado químico, que desenvolveu aditivos mais adequados, e do lado OEM, que pressionou os químicos a desenvolverem aditivos lubrificantes que possam se adaptar às mudanças nos equipamentos.

Os OEMs estão criando mais componentes que podem suportar temperaturas mais altas, pressões mais altas e ambientes mais exigentes. Os lubrificantes também devem ser desenvolvidos para esse uso específico, e a tecnologia de aditivos continuará a evoluir à medida que esses limites forem ultrapassados.

Estamos também a ser orientados para produtos mais ecológicos e os aditivos também estão nessa lista. A maioria dos metais utilizados na produção de aditivos (como aditivos EP ou AW) são tóxicos para o meio ambiente e alternativas estão sendo descobertas.

No campo da tribologia, também tem havido pesquisas contínuas sobre formas de reduzir o atrito e o desgaste. Isto está associado à investigação sobre a interação de diversas superfícies e formas como os lubrificantes podem efetivamente reduzir o coeficiente de atrito, levando a uma maior eficiência energética e de combustível em alguns casos.

Os aditivos lubrificantes existirão por algum tempo, pois tudo o que se move precisa ser lubrificado e os óleos básicos não têm todas as propriedades necessárias para lidar com as variações de temperatura e outras condições que a máquina encontra.

Embora a sua estrutura mude para se adaptar e proporcionar um impacto mais ecológico, as suas funções também evoluirão com base nas suas necessidades futuras.

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