Die Begriffe Polyalkylenglykol und Polyglykol werden austauschbar verwendet. Diese Öle können entweder wasserlöslich oder wasserunlöslich (öllöslich) hergestellt werden. Am gebräuchlichsten sind die wasserlöslichen Flüssigkeiten, die daher sehr unterschiedliche Eigenschaften haben können.

Polyglykole sind mäßig polar, was ihnen mäßige Filmfestigkeitseigenschaften verleiht. Sie haben einen sehr hohen Viskositätsindex (180 bis 280) und gute Eigenschaften bei niedrigen und hohen Temperaturen.

Sie verbrennen sauber und rückstandsfrei und wurden als Trägeröl für Festschmierstoffe zur Schmierung von Hochtemperaturketten verwendet. Einige Versionen sind lebensmittelecht und biologisch abbaubar. Sie werden als Kompressorenöle in Schrauben- und Hubkolbenaggregaten, Schneckengetriebeöle, feuerfeste Schmierstoffe, Metallbearbeitungsflüssigkeiten und als Bremsflüssigkeiten verwendet.

Wasserlösliche Polyglykole sind nicht mit Mineralölen verträglich und müssen daher getrennt behandelt und entsorgt werden. Sie sollten nicht mit Mineralölen gemischt werden. Das Ergebnis ist eine gallertartige, klebrige Masse. Obwohl sie ausgezeichnete Schmiermittel sind, können sie in den Betrieben ein logistisches Problem darstellen. Sie können sich auch negativ auf Farben und Dichtungen auswirken und sind sehr teuer.

Wasserunlösliche (öllösliche) Polyglykole werden wahrscheinlich immer häufiger verwendet und kommen als Wärmeübertragungsflüssigkeiten, Hochtemperatur-Lageröle und in Schraubenkühlkompressoren zum Einsatz.

Schmierstoffe werden seit Jahrhunderten zur Verringerung von Reibung und Verschleiß an beweglichen Teilen eingesetzt. Im Jahr 2005 wurden 40 Millionen Tonnen Schmierstoffe hergestellt.

Während natürliche mineralölbasierte Flüssigkeiten den größten Teil der Marktnachfrage ausmachen, wären viele technologische Fortschritte bei Geräten und Maschinen ohne die Vorteile, die sich durch Verbesserungen bei synthetischen Schmierstoffen ergeben, nicht möglich, die derzeit nur zwei Prozent des Marktes ausmachen.

Polyalphaolefine (PAOs) erfüllen zwar einige dieser Anforderungen, doch eine wachsende Zahl von Anwendungen stellt höhere Leistungsanforderungen oder erfordert spezielle Spezifikationen, die von herkömmlichen Schmierstoffen nicht erfüllt werden.

Eine der vielseitigsten Arten von synthetischen Schmierstoffen ist Polyalkylenglykol (PAG). PAGs sind allgemein als Kompressorschmierstoffe bekannt, und ihr Einsatz in der Industrie hat seit den 1980er Jahren zugenommen. Steigende Leistungsstandards im Automobil- und Industriemarkt machen diese Sektoren zu vielversprechenden Wachstumsbereichen.

Dieser Artikel bietet einen Überblick über die wichtigsten synthetischen Grundstoffchemien und eine eingehende Analyse der Vorteile und Verwendungsmöglichkeiten von PAGs.

Synthetische Schmierstoffgrundstoffe

Es gibt sechs Hauptgrundstofftypen, die bei der Entwicklung synthetischer Schmierstoffe verwendet werden, wobei jeder seine eigenen einzigartigen Eigenschaften und Anwendungen bietet.

Silikone werden wegen ihrer geringen Flüchtigkeit, ihrer Inertheit gegenüber den meisten chemischen Verunreinigungen und ihrer thermischen Stabilität in anspruchsvollen Anwendungen sowie ihrer Leistung in Niedrigtemperaturumgebungen geschätzt.

Diese Eigenschaften machen sie zu einem ausgezeichneten Kandidaten für den Einsatz als Wärmeübertragungsflüssigkeiten, Spezialfette und DOT Typ 5-Bremsflüssigkeiten. Es gibt jedoch zwei Einschränkungen bei Silikonen, die bei Schmieranwendungen berücksichtigt werden müssen.

Erstens können sie nicht für die Zylinderschmierung von Verbrennungsmotoren verwendet werden, da das Verbrennungsnebenprodukt Siliziumdioxid ist.

Zweitens ist die Leistung bei extremem Druck begrenzt, und die üblichen Hochdruckadditive sind mit ihnen nicht kompatibel. In der richtigen Anwendung sind die Flüssigkeitslebensdauer und die hydrolytische Stabilität von Silikonen unübertroffen.

Diester oder zweibasige Säureester wurden während des Zweiten Weltkriegs entwickelt und sind das Reaktionsprodukt von langkettigen Alkoholen und Carbonsäuren. In der Vergangenheit haben sie sich aufgrund ihrer geringen Verkokungsneigung bei Temperaturen von 400°F oder mehr als Schmiermittel für Kolbenkompressoren bewährt. Außerdem bieten sie eine ausgezeichnete Löslichkeit und Waschkraft. Die Aggressivität der Diester gegenüber Elastomeren, Dichtungen und Schläuchen hat die Nützlichkeit dieser Flüssigkeiten eingeschränkt. Neuere Flüssigkeiten, wie z. B. Polyolester, erfüllen die Anforderungen vieler Anwendungen, die früher von Diestern erfüllt wurden.

Polyolester oder Neopentylpolyester haben Diester bei Hochtemperaturanwendungen, bei denen die Oxidationsstabilität entscheidend ist, weitgehend ersetzt. Sie werden häufig als Schmiermittel in Flugzeugtriebwerken, Hochtemperaturgasturbinen, Hydraulikflüssigkeiten und als Wärmeaustauschflüssigkeiten verwendet. Sie können auch als Gemisch mit PAOs verwendet werden, um die Löslichkeit von Additiven zu verbessern und die Tendenz von PAOs zum Schrumpfen und Härten von Elastomeren zu verringern.

PAOs sind Kohlenwasserstoffpolymere, die durch katalytische Oligomerisierung von linearen Alpha-Olefinen wie Alpha-Decen hergestellt werden. Sie gelten als Hochleistungsschmierstoffe und bieten einen hohen Viskositätsindex und hydrolytische Stabilität. PAOs werden am häufigsten verwendet und sind im Allgemeinen preiswerter als andere synthetische Schmierstoffe. Sie werden in Pkw-Motorenölen sowie in zahlreichen industriellen Schmierstoffanwendungen eingesetzt.

Phosphatester werden in Anwendungen geschätzt, bei denen Sicherheit und Feuerbeständigkeit von entscheidender Bedeutung sind, wie z. B. bei feuerbeständigen Hydraulikflüssigkeiten und Flugzeugflüssigkeiten. Hohe Flamm- und Brennpunkte verbessern ihre Zündfestigkeit, und ihre niedrige Verbrennungswärme macht sie zu ausgezeichneten selbstlöschenden Flüssigkeiten. Sie haben jedoch einige Schwächen, darunter eine geringe hydrolytische Stabilität, die zur Bildung aggressiver saurer Nebenprodukte führen kann. Bei ihrer Verwendung ist Vorsicht geboten, da sie auch mit einer Reihe von häufig verwendeten Dichtungsmitteln und Lacken reagieren und diese abbauen können.

PAG-Öle bieten eine gute Schmierfähigkeit, einen hohen natürlichen Viskositätsindex und eine gute Temperaturstabilität. PAG-Basisflüssigkeiten sind sowohl in wasserlöslicher als auch in unlöslicher Form und in einer breiten Palette von Viskositätsklassen erhältlich. Sie bieten eine geringe Flüchtigkeit in Hochtemperaturanwendungen und können in Hoch- und Tieftemperaturumgebungen eingesetzt werden. Sie werden häufig als Abschreckmittel, Metallbearbeitungsflüssigkeiten, lebensmitteltaugliche Schmiermittel und als Schmiermittel in Hydraulik- und Kompressoranlagen verwendet. Die wasserlöslichen PAG-Öle sind jedoch nicht mit Erdöl kompatibel, und bei der Umstellung von Kohlenwasserstoffölen auf PAG-Öle ist Vorsicht geboten.

Die Entwicklung von Polyalkylenglykol

PAG-Öle waren eines der ersten synthetischen Schmiermittel, die entwickelt und vermarktet wurden. Sie wurden im Auftrag der US-Marine als Reaktion auf Brände von Hydraulikflüssigkeit auf Schiffen entwickelt, die während des Zweiten Weltkriegs durch Bombeneinschläge verursacht wurden. 1942 begann die Marine, für die nächsten 30 Jahre ausschließlich PAG-basierte Wasserglykol-Hydraulikflüssigkeiten zu verwenden, die feuerfest waren und in einem breiten Temperaturbereich arbeiten konnten. Später wurden PAG-Öle in großem Umfang als Textilschmiermittel und als Abschreckmittel bei der Wärmebehandlung von Metallen verwendet.

PAG-Öle werden nach ihrer gewichtsprozentualen Zusammensetzung von Oxypropylen- und Oxyethyleneinheiten in der Polymerkette klassifiziert. PAG-Öle mit 100 Gewichtsprozent Oxypropylengruppen sind wasserunlöslich, während solche mit 50 bis 75 Gewichtsprozent Oxyethylen bei Umgebungstemperaturen wasserlöslich sind.

Obwohl PAG-Öle seit langem als Industrieschmierstoffe verwendet werden, haben neuere Arbeiten zur Entwicklung von PAG-Schmierstoffen für den Einsatz in Anlagen in der Lebensmittelindustrie geführt. Diese Produkte sind als lebensmitteltaugliche Schmierstoffe bekannt.

In diesen Anwendungen bieten sie eine ausgezeichnete Schmierfähigkeit, erhöhte Oxidationsstabilität, einen hohen Viskositätsindex (180 bis 280) und niedrige Stockpunkte. Sie sind eine der wenigen synthetischen Substanzen, die in der FDA-Verordnung über Lebensmittelzusatzstoffe für lebensmitteltaugliche Schmierstoffgrundstoffe (21 CFR § 178.3570) für die Verwendung in Industriemaschinen genannt werden, wenn es zu einem zufälligen Kontakt mit Lebensmitteln kommen kann.

PAG-Öl Anwendungen und Vorteile

Aufgrund der Eigenschaften, die PAG-Schmierstoffe ausmachen, sind sie für eine Reihe von Industrie- und Fertigungsanwendungen besonders geeignet. Ihre Wasserlöslichkeit ermöglicht eine einfache Reinigung der Anlagen. PAG-Schmierstoffe bieten einen hohen Viskositätsindex und sind scherstabil.

PAG-Öle werden auch wegen ihrer geringen Flüchtigkeit bei Hochtemperaturanwendungen und ihrer Beständigkeit gegen die Bildung von Rückständen und Ablagerungen geschätzt. Ihre biologische Abbaubarkeit macht sie ideal für umweltfreundliche Anwendungen.

PAG-Öle sind vor allem als Kompressorenschmierstoffe bekannt. PAGs sind auch das Schmiermittel der Wahl bei der Hochdruckverdichtung von Erdgas und Ethylen, wo die Viskositätsstabilität von Schmiermitteln auf Kohlenwasserstoffbasis aufgrund der Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit beeinträchtigt wird.

In der Kältemittelverdichtung werden PAG- und Polyolester-Schmierstoffe fast ausschließlich mit der aktuellen Generation umweltfreundlicher HFC-Kältemittel wie R-134a und R-152a verwendet.

Die beiden größten US-Hersteller von Luftkompressoren verwenden seit fast 20 Jahren PAG-Schmierstoffe als Standard-Werksfüllung in Schraubenkompressoren. In jüngster Zeit hat ein dritter Kompressorhersteller damit begonnen, PAG-Öl als optionale Flüssigkeit anzubieten.

Aus Sicht des Labors ist der Zustand von PAG-Flüssigkeiten relativ einfach zu überwachen. Bei den meisten Anwendungen ist die einzige signifikante Veränderung, wenn sich das Ende der Nutzungsdauer nähert, der Anstieg der Säurezahl (AN) durch die Oxidation der Flüssigkeit.

Abhängig vom Additivpaket haben frische PAG-Öle normalerweise eine AN von 0,1 bis 0,5 mg KOH/g. Ein Anstieg von 1,0 gegenüber der neuen Flüssigkeitsspezifikation ist ein guter Grenzwert.

Die Viskosität bleibt auch in den letzten Phasen der Flüssigkeitslebensdauer ziemlich stabil. Die Wassergrenzwerte für PAG-Öle können höher angesetzt werden als für Kohlenwasserstoffflüssigkeiten, da sie wasserverträglicher sind als andere Flüssigkeitstypen. Selbst ein “wasserunlösliches” PAG-Öl toleriert bis zu 0,7 Prozent Wasserverunreinigung, bevor es freies Wasser in der Flüssigkeit zulässt.

PAG-Öle sind auch in Industrieanlagen nützlich, die das ganze Jahr über ohne saisonale Schwankungen betrieben werden. Aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeübertragungseigenschaften und ihrer Wärme- und Oxidationsstabilität eignen sie sich ideal für den Einsatz als Wärmeübertragungsflüssigkeiten in großen, offen belüfteten Systemen und für Prozessflüssigkeiten bei der Herstellung von Kunststoffen, Elastomeren, Fäden oder Fertigteilen, bei denen die Kompatibilität der Flüssigkeit mit dem verarbeiteten Teil wichtig ist.

Die Herstellung von Textilfasern ist ein weiterer Industriezweig, der vom Einsatz von PAG-Ölen profitiert. Diese Schmiermittel färben die Fasern nicht ab und lassen sich während des Waschvorgangs leicht entfernen. PAG-Öle sind auch das Schmiermittel der Wahl für viele Hochgeschwindigkeits- und Hochtemperatur-Faserprozesse, bei denen Scherstabilität erforderlich ist. Darüber hinaus werden sie häufig als Schmiermittel in Textilherstellungsanlagen als Hochdruck-Getriebeschmiermittel verwendet.

Die erneute Betonung der Energieeinsparung hat das Interesse an energieeffizienten Getriebeschmiermitteln erhöht. So werden beispielsweise die extremen Anforderungen an die Getriebeschmierung in Windkraftanlagen durch PAG-Öle erfüllt.

Die niedrigen Geschwindigkeiten und hohen Oberflächenbelastungen der Zahnräder in diesen Anlagen haben bei herkömmlichen Kohlenwasserstoffölen zu Graufleckigkeitsproblemen geführt, die mit PAG-basierten Flüssigkeiten überwunden werden konnten. Bei anderen Getriebeanwendungen, insbesondere bei Schneckengetrieben, führt der von Natur aus niedrige Reibungskoeffizient von PAG-Flüssigkeiten zu Energieeinsparungen, niedrigeren Temperaturen und geringeren Verschleißraten.

Vielseitigkeit trifft Leistung

Seit mehr als 60 Jahren sind synthetische Schmierstoffe eine brauchbare Alternative zu herkömmlichen Kohlenwasserstoffschmierstoffen. Jeder Typ erfüllt einzigartige Aufgaben, wobei PAG-Öle sowohl in Hoch- als auch in Tieftemperaturumgebungen, in Bereichen mit extremem Druck und dort, wo Wasserlöslichkeit erwünscht ist, ihre Leistung erbringen.

Polyalkylenglykol kann so gestaltet werden, dass es eine große Vielfalt von Polymeren bildet. Das Design des Polymers kann auf die Schmierstoffanwendung zugeschnitten werden, um beispielsweise die gewünschte Viskosität, den Pourpoint, die Löslichkeit und andere Eigenschaften zu erreichen.

Diese Vielseitigkeit und die Anwendungen, in denen sie eingesetzt werden, zeigen, dass PAG-Öle etwa 24 Prozent des gesamten Marktes für synthetische Schmierstoffe ausmachen. Niedrige Stockpunkte, ein breites Spektrum an Viskositäten, Beständigkeit gegen Lackbildung, erhöhte Löslichkeit und ein breites Löslichkeitsspektrum tragen dazu bei, dass PAG-Schmierstoffe auf dem Markt als synthetische Hochleistungsschmierstoffe gelten.

Da in der Industrie immer mehr Wert auf umweltverträgliche Schmierstoffe gelegt wird, werden diese Eigenschaften die PAG-Öle auch weiterhin an die Spitze des synthetischen Marktes bringen.