Aditivos de Lubrificantes - Um Guia Prático

Eles formam a base da alcalinidade de reserva dos óleos de motor, conhecida como número base (BN).  Eles são normalmente materiais da química do cálcio e do magnésio.  Detergentes à base de bário foram usados no passado, mas raramente são usados agora.

Como esses compostos metálicos deixam um depósito de cinzas quando o óleo é queimado, eles podem causar a formação de resíduos indesejados em aplicações de alta temperatura.  Devido a esta preocupação com as cinzas, muitos OEMs estão especificando óleos com baixo teor de cinzas para equipamentos que operam em altas temperaturas.  Um aditivo detergente é normalmente usado em conjunto com um aditivo dispersante.

Dispersantes

Dispersantes are mainly found in engine oil with detergents to help keep engines clean and free of deposits.  The main function of dispersants is to keep particles of diesel engine soot finely dispersed or suspended in the oil (less than 1 micron in size). 

O objetivo é manter o contaminante em suspensão e não permitir que ele se aglomere no óleo, minimizando os danos e podendo ser retirado do motor durante a troca de óleo.  Os dispersantes são geralmente orgânicos e sem cinzas.  Como tal, não são facilmente detectáveis com a análise convencional do óleo. 

A combinação de aditivos detergentes/dispersantes permite que mais compostos ácidos sejam neutralizados e que mais partículas contaminantes permaneçam em suspensão.  À medida que estes aditivos desempenham as suas funções de neutralização de ácidos e suspensão de contaminantes, acabarão por exceder a sua capacidade, o que exigirá uma mudança de óleo.

Agentes antiespumantes

Os produtos químicos deste grupo de aditivos possuem baixa tensão interfacial, o que enfraquece a parede da bolha de óleo e permite que as bolhas de espuma estourem mais facilmente.  Eles têm um efeito indireto na oxidação, reduzindo a quantidade de contato ar-óleo. 

Alguns desses aditivos são materiais de silicone insolúveis em óleo que não são dissolvidos, mas sim dispersos finamente no óleo lubrificante.  Geralmente são necessárias concentrações muito baixas.  Se for adicionado muito aditivo antiespumante, ele pode ter um efeito reverso e promover maior formação de espuma e entrada de ar.

Modificadores de Fricção

Os modificadores de atrito são normalmente usados em óleos de motor e fluidos de transmissão automática para alterar o atrito entre o motor e os componentes da transmissão.  Nos motores, a ênfase está na redução do atrito para melhorar a economia de combustível. 

Nas transmissões, o foco está em melhorar o engate dos materiais da embreagem.  Os modificadores de atrito podem ser considerados aditivos antidesgaste para cargas mais baixas que não são ativados pelas temperaturas de contato.

Depressores de ponto de fluidez

O ponto de fluidez de um óleo é aproximadamente a temperatura mais baixa na qual o óleo permanecerá fluido.  Os cristais de cera que se formam nos óleos minerais parafínicos cristalizam (tornam-se sólidos) a baixas temperaturas.  Os cristais sólidos formam uma rede que inibe o fluxo do óleo líquido restante. 

Os aditivos deste grupo reduzem o tamanho dos cristais de cera no óleo e a sua interação entre si, permitindo que o óleo continue a fluir a baixas temperaturas.

Desemulsificantes

Os aditivos desemulsificantes evitam a formação de uma mistura estável de óleo-água ou de uma emulsão, alterando a tensão interfacial do óleo de modo que a água coalesça e se separe mais facilmente do óleo.  Esta é uma característica importante para lubrificantes expostos a vapor ou água, para que a água livre possa assentar e ser facilmente drenada em um reservatório.

Emulsionantes

Emulsionantes are used in oil-water-based metal-working fluids and fire-resistant fluids to help create a stable oil-water emulsion.  The emulsifier additive can be thought of as a glue binding the oil and water together, because normally they would like to separate from each other due to interfacial tension and differences in specific gravity.

Biocidas

Biocidas are often added to water-based lubricants to control the growth of bacteria.

Adesivos

Adesivos are stringy materials used in some oils and greases to prevent the lubricant from flinging off the metal surface during rotational movement.

Para serem aceitáveis tanto para os misturadores quanto para os usuários finais, os aditivos devem poder ser manuseados em equipamentos de mistura convencionais, estáveis no armazenamento, livres de odores desagradáveis e não serem tóxicos segundo os padrões industriais normais. 

Como muitos são materiais altamente viscosos, eles são geralmente vendidos ao formulador de óleo como soluções concentradas em um transportador de óleo básico.

Alguns pontos-chave sobre aditivos:
Mais aditivo nem sempre é melhor.  O velho ditado: “Se um pouco de alguma coisa é bom, então mais do mesmo é melhor” não é necessariamente verdadeiro quando se usam aditivos de óleo. 

À medida que mais aditivos são misturados ao óleo, às vezes não há mais benefícios obtidos e, às vezes, o desempenho realmente se deteriora.  Noutros casos, o desempenho do aditivo não melhora, mas a duração do serviço melhora.

Aumentar a percentagem de um determinado aditivo pode melhorar uma propriedade de um óleo e, ao mesmo tempo, degradar outra.  Quando as concentrações especificadas de aditivos ficam desequilibradas, a qualidade geral do óleo pode ser afetada. 

Alguns aditivos competem entre si pelo mesmo espaço em uma superfície metálica.  Se uma alta concentração de um agente antidesgaste for adicionada ao óleo, o inibidor de corrosão poderá se tornar menos eficaz.  O resultado pode ser um aumento nos problemas relacionados à corrosão.

Como os aditivos de petróleo se esgotam

É muito importante compreender que a maioria destes aditivos é consumida e esgotada por:

1. “decomposição”ou colapso,
2. “adsorção”Em superfícies de metal, partículas e água, e
3. “separação”Devido à sedimentação ou filtração.

Os mecanismos de adsorção e separação envolvem transferência de massa ou movimento físico do aditivo.

Para muitos aditivos, quanto mais tempo o óleo permanecer em serviço, menos eficaz será o pacote de aditivos restante na proteção do equipamento. 

Quando o pacote de aditivos enfraquece, a viscosidade aumenta, a lama começa a se formar, os ácidos corrosivos começam a atacar os rolamentos e as superfícies metálicas e/ou o desgaste começa a aumentar.  Se forem utilizados óleos de baixa qualidade, o ponto em que estes problemas começam ocorrerá muito mais cedo.

É por essas razões que lubrificantes de alta qualidade que atendam às especificações corretas da indústria (por exemplo, classificações de serviço de motor API) devem sempre ser selecionados.  A tabela a seguir pode ser usada como guia para uma compreensão mais completa dos tipos de aditivos e suas funções nas formulações de óleos de motor.

É evidente pelas informações acima que há muita química ocorrendo na maioria dos óleos usados para lubrificar equipamentos.  São misturas complicadas de produtos químicos que estão em equilíbrio entre si e precisam ser respeitadas. 

É por essas razões que a mistura de óleos diferentes e a adição de aditivos lubrificantes adicionais devem ser evitadas. 

Aditivos pós-venda e condicionadores de óleo suplementares

Existem centenas de aditivos químicos e condicionadores lubrificantes suplementares disponíveis.  Em certas aplicações ou indústrias especializadas, estes aditivos podem ter um lugar na melhoria da lubrificação. 

No entanto, alguns fabricantes de lubrificantes suplementares farão afirmações sobre os seus produtos que são exageradas e/ou não comprovadas, ou não mencionam um efeito secundário negativo que o aditivo pode causar. 

Tome muito cuidado na seleção e aplicação desses produtos ou, melhor ainda, evite utilizá-los.  Se você quer um óleo melhor, compre um óleo melhor em primeiro lugar e deixe a química para quem sabe o que está fazendo.  

Freqüentemente, as garantias de óleos e equipamentos são anuladas com o uso de aditivos pós-venda porque a formulação final nunca foi testada e aprovada.  Comprador, cuidado.

Ao considerar o uso de um aditivo pós-venda para resolver um problema, é aconselhável lembrar as seguintes regras:

Regra nº 1         
Um lubrificante inferior não pode ser convertido num produto premium simplesmente pela inclusão de um aditivo.  Comprar um óleo acabado de baixa qualidade e tentar superar suas fracas qualidades lubrificantes com algum aditivo especial é ilógico.

Regra nº 2         
Alguns testes laboratoriais podem ser enganados e fornecer um resultado positivo.  Alguns aditivos podem enganar um determinado teste e fazê-lo fornecer um resultado aprovado.  Freqüentemente, vários testes de oxidação e desgaste são realizados para obter uma melhor indicação do desempenho de um aditivo.  Em seguida, são realizados testes de campo reais.

REGRA #3       
Os óleos básicos só podem dissolver (transportar) uma certa quantidade de aditivo.  Como resultado, a adição de um aditivo suplementar a um óleo com baixo nível de solubilidade ou já saturado com aditivo pode simplesmente significar que o aditivo irá assentar na solução e permanecer no fundo do cárter ou reservatório.  O aditivo nunca poderá cumprir a função reivindicada ou pretendida.

Se você optar por usar um aditivo de reposição, antes de adicionar qualquer aditivo suplementar ou condicionador de óleo a um sistema lubrificado, tome as seguintes precauções:

1. Determine se existe um problema real de lubrificação.  Por exemplo, um problema de contaminação de óleo está mais frequentemente relacionado com uma manutenção deficiente ou uma filtragem inadequada e não necessariamente com uma lubrificação deficiente ou com um óleo de má qualidade.

2. Escolha o aditivo suplementar ou condicionador de óleo certo.  Isso significa reservar um tempo para pesquisar a composição e compatibilidade dos diversos produtos do mercado.

3. Insista para que sejam disponibilizados dados factuais de testes de campo que fundamentem as afirmações feitas sobre a eficácia do produto.

4. Consulte um laboratório de análise de óleo independente e confiável.  Analise o óleo existente pelo menos duas vezes antes de adicionar um aditivo suplementar.  Isto estabelecerá um ponto de referência.

5. Após a adição do aditivo ou condicionador especial, continue a analisar o óleo regularmente.  Somente através deste método de comparação podem ser obtidos dados objetivos sobre a eficácia do aditivo.

Há muita controvérsia em torno da aplicação de aditivos suplementares.  No entanto, é verdade que certos aditivos lubrificantes suplementares reduzirão ou eliminarão o atrito em algumas aplicações, tais como mecanismos de máquinas-ferramenta, acionamentos de engrenagens de extrema pressão e certas aplicações de sistemas hidráulicos de alta pressão.

Quando questionados sobre um exemplo de motor refrigerado a ar, muitas pessoas mencionarão o Porsche 911 Carrera, conhecido por seu motor boxer de seis cilindros refrigerado a ar, o chamado motor ‘Boxer’. Conhecido por muitos como o ‘911 refrigerado a ar’, a iteração final do motor de seis cilindros refrigerado a ar da Porsche foi descontinuada após o ano modelo de 1998 em favor de um motor refrigerado a água. Está entre os últimos automóveis de consumo produzidos com motor refrigerado a ar.1, 2

Em contraste, a indústria da aviação utiliza uma mistura de motores refrigerados a ar e a água, favorecendo até mesmo a opção refrigerada a ar no caso de motores de pistão de aeronaves. Este método de resfriamento preferido pela indústria da aviação sugere a razão por trás da onipresença de dispersantes sem cinzas em óleos de motores de aviação.

O óleo de mamona era o óleo preferido para óleos de aeronaves no início da era da aviação devido à sua boa lubrificação. Esses óleos foram abandonados em favor dos óleos de base mineral por volta de 1925-1935. Na altura, estes óleos não continham quaisquer aditivos e, em comparação com os motores atuais, o consumo de óleo era extremamente elevado, sendo que os motores necessitavam de reabastecimentos regulares.

Aditivos, como dispersantes sem cinzas, ajudam a reduzir o consumo de óleo do motor. Mas antes de nos aprofundarmos na importância dos dispersantes sem cinzas nos óleos de motores de aviação, é importante entender o que é um dispersante sem cinzas. Os dispersantes sem cinzas ajudam a evitar a formação de depósitos metálicos nos motores, o que pode causar pré-ignição e resultar em danos catastróficos ao motor.3 Um dispersante sem cinzas funciona dispersando as cinzas acumuladas nos componentes do motor para evitar acúmulo e desgaste excessivo.

A Associação de Proprietários e Pilotos de Aeronaves (AOPA) afirma que “os óleos dispersantes sem cinzas contêm um aditivo para ajudar na eliminação de detritos e transportá-los para o filtro ou tela”. Na verdade, um dispersante sem cinzas funciona cercando detritos indesejados para evitar que se assentem e causem desgaste e outros danos, como pré-ignição.5

Os motores a pistão de aeronaves divergem do projeto e da construção dos motores de automóveis modernos em muitos aspectos, principalmente em suas faixas de potência. Um motor automotivo normalmente tem uma linha vermelha de cerca de 6.000 a 7.000 rotações por minuto (rpm) e raramente opera com potência de pico por mais de alguns segundos de cada vez, enquanto um motor de aeronave normalmente produz potência de pico em torno de 2.700 rpm e opera nesse nível durante a maior parte de sua operação,6 sendo o limite superior o das aeronaves da Segunda Guerra Mundial (Segunda Guerra Mundial), que atingiu o pico de 3.200 rpm. 

Outra diferença está nos objetivos gerais da engenharia desses tipos de motores. Atualmente, a indústria automotiva está focada em melhorar a eficiência de combustível através da redução do tamanho e proporcionar conveniência tanto para os motoristas quanto para os passageiros dos veículos. Em contraste, os motores dos aviões concentram-se na confiabilidade e na simplicidade. Um excelente exemplo disto é o Lockheed Constellation, que é uma aeronave da Segunda Guerra Mundial que foi considerada o “avião trimotor mais seguro”, apesar do seu design de quatro motores, porque os voos internacionais muitas vezes resultavam na morte de um motor ao longo do caminho.

Durante a Segunda Guerra Mundial, os motores refrigerados a água eram predominantemente projetos V12, enquanto os motores refrigerados a ar eram projetos de estrela única ou dupla estrela com sete a nove cilindros por estrela. A densidade de potência aumentou rapidamente durante a Segunda Guerra Mundial; os motores das aeronaves tinham 20-50 litros de cilindrada e eram frequentemente turboalimentados, inventados pela primeira vez na Alemanha e mais tarde sobrealimentados pelos Aliados. A octanagem do combustível usado era geralmente de 90 octanas ou menos, subindo para 100 octanas e até 150 octanas durante a guerra, em forte contraste com as atuais 100 octanas, que são livres de chumbo e enxofre.

Esses motores desenvolviam cerca de 50 cv/litro e podiam ser sobrealimentados em 50% com injeção de água-metanol por até 90 segundos. Hoje, os motores a gasolina produzidos em massa para automóveis de passageiros têm potência de 100-150 cv/litro, uma melhoria significativa na tecnologia de motores ao longo do século passado. Um dos problemas que atormentaram ambos os lados durante a Segunda Guerra Mundial foi a confiabilidade do motor, mesmo quando não estavam em contato com o inimigo. Devido à insuficiência e falta de manutenção, ao conhecimento limitado dos aditivos e à consequente ignição prematura, formaram-se fuligem e depósitos, causando grandes problemas. Este foi o nascimento dos óleos de motor sintéticos e dos aditivos funcionais. O óleo base utilizado pela Luftwaffe era uma mistura de diéster sem cinzas com óleo de polietileno 7, misturado com o aditivo de extrema pressão/antidesgaste "Mesulfol II" (um transportador de enxofre). Em 1944, os caças P-38, P-47, P-51 e B-25⁸ da USAF começaram a usar polipropilenoglicol sem cinzas da Bridgestone (Union Carbide). Ambos os óleos foram aposentados após a Segunda Guerra Mundial, mas os polialquilenoglicóis (PAGs) ainda possuem algumas propriedades autolimpantes e dispersantes.

Comparar um motor de carro da década de 1960 com um motor moderno mostra algumas mudanças e progressos óbvios, enquanto comparar dois motores de aeronaves mostra que os dois motores parecem muito semelhantes. As Figuras 2 e 3 mostram uma comparação de dois motores de 1967 e 2015.

Comparar motores automotivos e de aeronaves é crucial para entender por que dispersantes sem cinzas ainda são comuns em óleos de motores de aviação, mas raramente mencionados quando se discute óleos de motores automotivos. Uma pesquisa no Google por “dispersante sem cinzas” exibirá quase todos os resultados relacionados a motores de aeronaves e óleos de motores de aeronaves. A tecnologia avançada dos carros novos foi projetada para manter o motor em perfeitas condições pelo maior tempo possível para aproveitar ao máximo o combustível do tanque, sem falar que os carros elétricos não precisam de óleo de motor. No entanto, os projetos de motores a pistão de aeronaves mais antigos são mais parecidos com os motores automotivos da década de 1960, que dependem de alguns depósitos remanescentes no motor e não são projetados para funcionar em condições "como novas" durante toda a sua vida útil.

Como resultado, os fabricantes automotivos tendem a recomendar SAP médio totalmente sintético (cinza sulfatada <0.80 wt.-%) or low SAP (sulfated ash <0.50 wt.-%) oils with complex additive packages, while aircraft manufacturers generally endorse two more basic oils: straight mineral oil and ashless dispersant mineral oil. SAP stands for sulfur, ash and phosphorus. Straight mineral oils (API Groups I-III) are essentially oils produced from a refinery and are often recommended for the break-in period of new aircraft piston engines.

De acordo com Ben Visser, especialista aposentado em lubrificação da AeroShell, “Anteriormente, a lubrificação do cilindro exigia um tratamento tradicional de cromo duro para atender às especificações, e as partículas de desgaste agiam como um abrasivo.”13 Após o período de amaciamento, as recomendações são ajustadas para evitar depósitos adicionais indesejados. A maioria dos fabricantes de aeronaves recomenda o uso de óleos dispersos sem cinzas em vez de óleos minerais puros após o período de amaciamento para remover o excesso de partículas metálicas e contaminantes.

Apesar da durabilidade destes óleos sem cinzas em motores de pistão de aeronaves, existe um desafio potencial para a durabilidade a longo prazo dos óleos dispersos sem cinzas: aeronaves elétricas. Em 2014, Klaus Ohlmann estabeleceu sete recordes mundiais no seu e-Genius de dois lugares. Estes incluíram um recorde de velocidade de 142,7 mph (229,7 km/h) e uma distância total de voo de 313 milhas (504 km). Esses resultados não são inovadores no contexto de todas as aeronaves, mas saber que o e-Genius realiza essas façanhas usando apenas um motor elétrico e uma bateria como fonte de energia é uma conquista notável por si só. 14, 15 Ainda mais impressionante é que o e-Genius consome apenas um quinto da energia necessária para percorrer a mesma distância num avião de dois lugares movido a combustível. 15 Estes resultados são promissores para o futuro das aeronaves elétricas, mas o que significam para o combustível das aeronaves?

O “e-Genius” da Universidade de Stuttgart, na Alemanha, parece um planador futurista, mas existem outros conceitos de aeronaves elétricas mais complexos. Desde aeronaves totalmente elétricas até aeronaves híbridas, a eletrificação como visão de futuro está “em voga” na aviação. A Eviation revelou sua aeronave “Alice” de nove passageiros com um alcance estimado de 600 milhas. A Airbus revelou seu e-fan X, que pode transportar mais passageiros, com um dos motores substituído por um motor elétrico de 2 megawatts. 17 A aeronave experimental X-57 totalmente elétrica da NASA possui grandes motores elétricos nas pontas das asas para cruzeiro e 12 motores elétricos menores com hélices dobráveis para decolagem.

Aeronaves verticais de decolagem e pouso (VTOL) são outra categoria de aeronaves elétricas. Eles se concentram no tráfego aéreo regional e na conexão dos centros das cidades como “táxis aéreos urbanos” porque só precisam de uma pista de pouso. Os exemplos incluem: CityAirbus, Daimler Velocopter, Boeing NEXT e jato Lilium.

Está claro que o mundo está caminhando em direção à tecnologia elétrica. A tecnologia já se consolidou na indústria automotiva, com as vendas do Chevrolet Volt, Nissan Leaf, Toyota Prius Prime e da linha Tesla crescendo ano após ano. 19 Aeronaves como o e-Genius também estão demonstrando o potencial desta tecnologia para ser compartilhada com a indústria da aviação, mas isso não significa que o advento das aeronaves elétricas signifique a morte dos lubrificantes para motores de aviação.

De acordo com a General Aviation News, a idade média de uma aeronave da aviação geral* é de 50 anos, com um ano médio de fabrico em 1970.20 Em comparação, o automóvel de consumo médio tem apenas 12 anos, com um ano médio de fabrico de 2008.21 Em teoria, isto significa que uma nova funcionalidade ou regulamentação não seria obrigatória até 2032. Isto torna mais difícil mudar a tecnologia da aviação, para melhor ou para pior. No caso dos óleos para motores de aviação, isto tem dificultado a adopção de tecnologias como os óleos totalmente sintéticos com complexos pacotes de aditivos em aeronaves, mas também ajudou os dispersantes sem cinzas a sobreviverem ao actual interesse global em combustíveis alternativos e padrões de emissões mais rigorosos.

É evidente que existe concorrência entre a aviação e a electrificação. O objetivo é alcançar um transporte neutro em termos de CO2, e a aviação está à frente da indústria automóvel neste aspecto. A ASTM D7566, a principal especificação para o combustível de aviação tradicional, possui atualmente sete anexos que definem diferentes caminhos para o combustível de aviação sustentável (SAF), permitindo que até 50% do SAF seja produzido a partir de diferentes fontes, como recursos e processos de biomassa. Este pode ser um modelo para motores de combustão interna. A BMW anunciou recentemente que aprovou um combustível diesel 100% renovável, conhecido como HVO100. O HVO100 é uma réplica química do diesel hidrocarboneto. A Porsche promove o desenvolvimento de combustíveis sintéticos ou eletrocombustíveis, produzidos a partir de CO2 e hidrogénio utilizando energias renováveis. Outra opção é misturar o combustível com 33% em volume de óleo de cozinha residual hidrogenado para produzir diesel de petróleo, como a Volkswagen propôs com o R33 BlueDiesel.

Embora a estrutura mecânica dos motores de aeronaves tenha permanecido praticamente inalterada ao longo do último meio século, a estrutura mecânica dos motores automotivos mudou significativamente. Apesar desta grande diferença na história do desenvolvimento, espera-se que a tecnologia eléctrica penetre em ambas as indústrias nos próximos anos. Embora isso possa levar a uma diminuição na quantidade de lubrificantes para motores de aeronaves utilizados, a continuação da existência de aeronaves mais antigas com projetos simples de motores a pistão provavelmente levará à continuação da existência de lubrificantes dispersos para motores de aviação sem cinzas. Os lubrificantes dispersos sem cinzas podem não sofrer muitos desenvolvimentos e melhorias nos próximos anos, mas, assim como as aeronaves que atendem, é provável que continuem a existir por muitos anos.