Käsitteitä polyalkyleeniglykoli ja polyglykoli käytetään vaihdellen. Nämä nesteet voidaan valmistaa joko vesiliukoisiksi tai vesiliukenemattomiksi (öljyliukoisiksi). Yleisimpiä ovat vesiliukoiset nesteet, ja siten niillä voi olla hyvinkin erilaisia ominaisuuksia.

Polyglykolit ovat kohtalaisen polaarisia, mikä antaa niille kohtalaiset kalvonlujuusominaisuudet. Niillä on erittäin korkea viskositeetti-indeksi (180-280) ja hyvät matalan ja korkean lämpötilan kyvyt.

Ne palavat puhtaasti, eivätkä jätä jäämiä, ja niitä on käytetty korkeissa lämpötiloissa käytettävien ketjujen voiteluun tarkoitettujen kiinteiden voiteluaineiden kantaöljynä. Jotkin versiot ovat elintarvikelaatuisia ja biohajoavia. Niitä käytetään kompressoriöljyinä pyörivissä ruuvi- ja mäntämoottoreissa, matopyörästööljyinä, palonkestävinä voiteluaineina, metallintyöstönesteinä ja jarrunesteinä.

Vesiliukoiset polyglykolit eivät ole yhteensopivia mineraaliöljyjen kanssa, ja siksi niitä on käsiteltävä ja hävitettävä erikseen. Niitä ei saa sekoittaa mineraaliöljyjen kanssa. Tuloksena on hyytelömäinen, tahmea sotku. Vaikka ne ovat erinomaisia voiteluaineita, ne voivat aiheuttaa logistisia ongelmia tehtaissa. Niillä voi olla myös joitakin kielteisiä vaikutuksia maaleihin ja tiivisteisiin, ja ne ovat hyvin kalliita.

Veteen liukenemattomat (öljyyn liukenevat) polyglykolit ovat todennäköisesti yleistymässä, ja niitä käytetään lämmönsiirtonesteinä, korkean lämpötilan laakeriöljyinä ja ruuvityyppisissä jäähdytyskompressoreissa.

Vuosisatojen ajan voiteluaineita on hyödynnetty keinona pienentää liikkuvissa osissa esiintyvää kitkaa ja kulumista. Vuonna 2005 voiteluaineita tuotettiin 40 miljoonaa tonnia.

Vaikka luonnon mineraaliöljypohjaiset nesteet edustavat suurinta osaa markkinoiden kysynnästä, monet laitteiden ja koneiden teknologiset edistysaskeleet eivät olisi mahdollisia ilman synteettisten voiteluaineiden parannusten tarjoamia hyötyjä, joiden osuus markkinoista on tällä hetkellä vain kaksi prosenttia.

Polyalfaolefiinit (PAO) täyttävät osan näistä tarpeista, mutta yhä useammat sovellukset vaativat korkeampia suorituskykyvaatimuksia tai vaativat ainutlaatuisia spesifikaatioita, joita perinteiset voiteluaineet eivät täytä.

Yksi monipuolisimmista synteettisistä voiteluaineista on polyalkyleeniglykoli (PAG). PAG:t tunnetaan yleisesti kompressorivoiteluaineina, ja niiden käyttö teollisuudessa on lisääntynyt 1980-luvulta lähtien. Auto- ja teollisuusmarkkinoiden kasvavat suorituskykystandardit nostavat nämä alat lupaaviksi kasvualoiksi.

Tässä artikkelissa luodaan yleiskatsaus tärkeimpiin synteettisten voiteluaineiden peruskemikaaleihin ja analysoidaan perusteellisesti PAG:ien hyötyjä ja käyttötarkoituksia.

Synteettisten voiteluaineiden peruskemikaalit

Synteettisiä voiteluaineita kehitettäessä käytetään kuutta pääasiallista peruskemikaalityyppiä, joista kullakin on omat yksilölliset erityispiirteensä ja -käyttötarkoituksensa.

Silikoneja arvostetaan niiden alhaisen haihtuvuuden, inerttiyden useimmille kemiallisille epäpuhtauksille ja lämpöstabiilisuuden vuoksi vaativissa sovelluksissa sekä niiden suorituskyvyn vuoksi matalissa lämpötiloissa.

Näiden ominaisuuksiensa ansiosta ne ovat erinomaisia ehdokkaita käytettäväksi lämmönsiirtonesteissä, erikoisrasvasovelluksissa ja DOT-tyypin 5 autojen jarrunesteissä. Silikoneilla on kuitenkin kaksi rajoitusta, jotka on otettava huomioon voitelusovelluksissa.

Ensinnäkään niitä ei voi käyttää polttomoottoreiden sylinterien voitelussa, koska palamisen sivutuotteena syntyy piidioksidia.

Toiseksi niiden suorituskyky äärimmäisissä paineissa on rajallinen, ja tavalliset äärimmäisissä paineissa käytettävät lisäaineet eivät ole yhteensopivia niiden kanssa. Oikeissa käyttökohteissaan silikonien nesteen kestoikä ja hydrolyyttinen stabiilisuus on ylivertainen.

Diesterit eli dibasiset happoesterit kehitettiin toisen maailmansodan aikana, ja ne ovat pitkäketjuisten alkoholien ja karboksyylihappojen reaktiotuotteita. Historiallisesti ne ovat olleet tehokkaita mäntäkompressorien voiteluaineita, koska niillä on vähäinen taipumus koksaantua 400°F:n tai korkeammissa lämpötiloissa. Niillä on myös erinomainen liukoisuus ja pesevyys. Diesterien aggressiivisuus elastomeerejä, tiivisteitä ja letkuja kohtaan on rajoittanut näiden nesteiden käyttökelpoisuutta. Uudemmat nesteet, kuten polyoliesterit, täyttävät monien sellaisten sovellusten tarpeet, joissa aiemmin käytettiin diestereitä.

Polyoliesterit eli neopentyylipolyesterit ovat suurelta osin korvanneet diesterit korkean lämpötilan sovelluksissa, joissa hapettumiskestävyys on kriittistä. Yleisiä sovelluksia ovat niiden käyttö voiteluaineina lentokoneiden moottoreissa, korkean lämpötilan kaasuturbiineissa, hydraulinesteissä ja lämmönvaihtonesteissä. Niitä voidaan käyttää myös yhdessä PAO:iden kanssa sekoitettuna perusaineena lisäaineiden liukoisuuden parantamiseksi ja PAO:iden taipumuksen vähentämiseksi kutistumaan ja kovettumaan elastomeereissä.

PAO:t ovat hiilivetypolymeerejä, joita valmistetaan lineaaristen alfa-olefiinien, kuten alfadekeenin, katalyyttisellä oligomerisaatiolla. Niitä pidetään korkean suorituskyvyn voiteluaineina, ja ne tarjoavat korkean viskositeetti-indeksin ja hydrolyyttisen vakauden. PAO:t ovat yleisimmin käytettyjä, ja ne ovat yleensä edullisempia kuin muut synteettiset voiteluaineet. Niitä on käytetty henkilöautojen moottoriöljyissä sekä lukuisissa teollisuuden voiteluainesovelluksissa.

Fosfaattiestereitä arvostetaan sovelluksissa, joissa turvallisuus ja palonkestävyys ovat kriittisiä näkökohtia, kuten palonkestävissä hydraulinesteissä ja lentokoneiden nesteissä. Korkeat leimahduspisteet ja palopisteet parantavat niiden syttymiskestävyyttä, ja niiden alhainen palamislämpö tekee niistä erinomaisia itsestään sammuvia nesteitä. Niillä on kuitenkin useita heikkouksia, kuten heikko hydrolyyttinen stabiilisuus, joka voi johtaa aggressiivisten happamien sivutuotteiden muodostumiseen. Käytössä on noudatettava varovaisuutta, koska ne voivat myös reagoida ja hajottaa erilaisia yleisesti käytettyjä tiivistysaineita ja maaleja.

PAG-öljyt tarjoavat laadukasta voitelukykyä, korkean luonnollisen viskositeetti-indeksin ja hyvän lämpötilavakavuuden. PAG-perusöljyjä on saatavana sekä vesiliukoisessa että liukenemattomassa muodossa ja monenlaisina viskositeettiluokkina. Niiden haihtuvuus on alhainen korkeissa lämpötiloissa, ja niitä voidaan käyttää sekä korkeissa että matalissa lämpötiloissa. Niitä käytetään yleisesti sammutusaineina, metallintyöstönesteinä, elintarvikekäyttöön soveltuvina voiteluaineina sekä hydrauliikka- ja kompressorilaitteiden voiteluaineina. Vesiliukoiset PAG-öljyt ovat kuitenkin yhteensopimattomia maaöljyn kanssa, ja varovaisuutta on noudatettava siirrettäessä laitteita hiilivetyöljyistä PAG-öljyihin.

Polyalkyleeniglykolin kehitys

PAG-öljyt olivat ensimmäisiä synteettisiä voiteluaineita, jotka kehitettiin ja kaupallistettiin. Ne luotiin Yhdysvaltain laivaston toimeksiannosta vastauksena laivojen hydrauliikkanestepaloihin, jotka johtuivat toisen maailmansodan aikana tapahtuneista tykistöiskuista. Vuonna 1942 ja seuraavien 30 vuoden ajan laivasto alkoi käyttää yksinomaan PAG-pohjaisia vesiglykolihydrauliikkaöljyjä, jotka olivat palonkestäviä ja pystyivät toimimaan laajalla lämpötila-alueella. Myöhemmin PAG-öljyjä alettiin käyttää laajalti tekstiilien voiteluaineina ja sammutusaineina metallien lämpökäsittelyssä.

PAG-öljyt luokitellaan sen mukaan, mikä on polymeeriketjun painoprosenttikoostumus, joka koostuu oksypropeeniyksiköistä ja oksyetyleeniyksiköistä. PAG-öljyt, joissa on 100 painoprosenttia oksypropeeniryhmiä, ovat veteen liukenemattomia, kun taas öljyt, joissa on 50-75 painoprosenttia oksyetyleeniä, ovat vesiliukoisia huoneenlämmössä.

Vaikka PAG-öljyjä on jo pitkään käytetty teollisina voiteluaineina, viimeaikaiset työt ovat johtaneet siihen, että on kehitetty PAG-voiteluaineita käytettäväksi elintarviketeollisuuden laitteissa. Näitä tuotteita kutsutaan elintarvikehyväksytyiksi voiteluaineiksi.

Näissä sovelluksissa ne tarjoavat erinomaista voitelukykyä, lisääntynyttä hapettumisstabiliteettia, korkean viskositeetti-indeksin (180-280) ja alhaiset jähmepisteet. Ne ovat yksi niistä harvoista synteettisistä aineista, jotka on tunnistettu FDA:n elintarvikelisäaineita koskevassa FDA:n asetuksessa (21 CFR § 178.3570) elintarvikekäyttöön tarkoitetuille voiteluaineiden peruskemikaaleille käytettäväksi teollisuuskoneissa, kun voiteluaineen kanssa voi esiintyä satunnaista kosketusta elintarvikkeisiin.

PAG-öljyn käyttökohteet ja hyödyt

PAG-voiteluaineiden ominaisuuksien vuoksi ne soveltuvat erinomaisesti useisiin teollisuus- ja valmistussovelluksiin. Niiden vesiliukoisuus mahdollistaa laitteiden helpon puhdistamisen. PAG-voiteluaineilla on korkeat viskositeetti-indeksit, ja ne ovat leikkausvakaita.

PAG-öljyjä arvostetaan myös niiden alhaisen haihtuvuuden vuoksi korkeissa lämpötiloissa käytettävissä sovelluksissa sekä jäännösten ja saostumien muodostumisen kestävyyden vuoksi. Niiden biologinen hajoavuus tekee niistä ihanteellisia ympäristön kannalta herkissä sovelluksissa.

PAG-öljyt tunnetaan parhaiten kompressorien voiteluaineina. PAG-öljyt ovat myös ensisijainen voiteluaine korkeapaineisessa maakaasun ja eteenin puristuksessa, jossa hiilivetypohjaisten voiteluaineiden viskositeettistabiilisuus kärsii kaasun liukoisuudesta nesteeseen.

Kylmälaitteiden puristuksessa PAG- ja polyoliesterityyppisiä voiteluaineita käytetään lähes yksinomaan nykyisten ympäristöystävällisten HFC-kylmäaineiden, kuten R-134a:n ja R-152a:n, kanssa.

Kaksi suurinta yhdysvaltalaista paineilmakompressorin alkuperäistä laitevalmistajaa ovat käyttäneet PAG-voiteluaineita vakiovarusteena tehdastäytteessä pyörivässä ruuvi-ilmakompressorissa lähes 20 vuoden ajan. Viime aikoina kolmas kompressorin alkuperäinen valmistaja on alkanut tarjota PAG-öljyä valinnaisena nesteenä.

Laboratorion näkökulmasta PAG-nesteiden kuntoa on suhteellisen helppo seurata. Useimmissa sovelluksissa ainoa merkittävä muutos käyttöiän lähestyessä on nesteen hapettumisesta johtuva happoluvun (AN) kasvu.

Lisäainepaketista riippuen tuoreiden PAG-öljyjen AN on tyypillisesti 0,1-0,5 mg KOH/g. 1,0:n lisäys uuden nesteen spesifikaatiosta on hyvä tuomioraja.

Viskositeetti pysyy melko vakaana myös nesteen käyttöiän loppuvaiheessa. PAG-öljyille voidaan asettaa korkeammat vesirajat kuin hiilivetenesteille, koska ne ovat muita nestetyyppejä vedenkestävämpiä. Jopa “veteen liukenematon” PAG-öljy sietää jopa 0,7 prosentin vesikontaminaatiota, ennen kuin nesteeseen pääsee vapaata vettä.

PAG-öljyt ovat käyttökelpoisia myös teollisuuslaitteissa, jotka toimivat ympäri vuoden ilman kausivaihteluita. Niiden erinomaiset lämmönsiirto-ominaisuudet sekä lämpö- ja hapettumisstabiliteetti tekevät niistä ihanteellisia lämmönsiirtonesteiksi suurissa, avoimissa tuuletetuissa järjestelmissä ja prosessinesteiksi muovien, elastomeerien, kierteiden tai valmistettujen osien tuotannossa, jossa nesteen yhteensopivuus käsitellyn osan kanssa on tärkeää.

Tekstiilikuitujen tuotanto on toinen teollisuudenala, joka hyötyy PAG-öljyjen käytöstä. Nämä voiteluaineet eivät tahraa tai värjää kuituja, ja ne poistetaan helposti pesuprosessin aikana. PAG-öljyt ovat myös ensisijainen voiteluaine monissa nopeissa ja korkeissa lämpötiloissa tapahtuvissa kuituprosesseissa, joissa vaaditaan leikkausvakautta. Lisäksi niitä käytetään usein voiteluaineina tekstiilien valmistuslaitteissa äärimmäisten paineiden hammaspyörävoiteluaineina.

Energiansäästön uusi korostaminen on lisännyt kiinnostusta energiatehokkaisiin hammaspyörävoiteluaineisiin. Esimerkiksi tuuliturbiinien hammaspyörien voitelun äärimmäisiin vaatimuksiin vastataan PAG-öljyillä.

Matalat nopeudet ja suuri pintakuormitus näissä laitteissa olevissa hammaspyörissä ovat johtaneet tavanomaisilla hiilivetyöljyillä esiintyviin mikropistesyöpymisongelmiin, jotka on ratkaistu PAG-pohjaisilla nesteillä. Muissa vaihteistosovelluksissa, erityisesti matopyörästöissä, PAG-nesteiden luonnostaan alhainen kitkakerroin johtaa energiansäästöihin, alhaisempiin lämpötiloihin ja alhaisempiin kulumisnopeuksiin.

Vaihtelevuus kohtaa suorituskyvyn

Synteettiset voiteluaineet ovat jo yli 60 vuoden ajan tarjonneet käyttökelpoisen vaihtoehdon perinteisille hiilivetyjen voiteluaineille. Kullakin tyypillä on ainutlaatuinen tehtävä, sillä PAG-öljyt toimivat sekä korkeissa että matalissa lämpötiloissa, äärimmäisessä paineessa ja siellä, missä halutaan vesiliukoisuutta.

Polyalkyleeniglykoli voidaan suunnitella muodostamaan monenlaisia polymeerejä. Polymeerin rakenne voidaan räätälöidä voiteluainesovelluksen mukaan esimerkiksi halutun viskositeetin, jähmepisteen, liukoisuuden ja muiden ominaisuuksien aikaansaamiseksi.

Tämä monipuolisuus ja sovellukset, joissa niitä käytetään, osoittavat, että PAG-öljyjen osuus koko synteettisten voiteluaineiden markkinoista on noin 24 prosenttia. Alhaiset jähmepisteet, laaja viskositeettivalikoima, vastustuskyky lakanmuodostusta vastaan, lisääntynyt liukoisuus ja laaja liukoisuusvalikoima lisäävät PAG-voiteluaineiden mainetta markkinoiden suorituskykyisinä synteettisinä voiteluaineina.

Ympäristön kannalta hyväksyttävien voiteluaineiden jatkuvan painottamisen myötä teollisuudessa nämä ominaisuudet nostavat PAG-öljyt edelleen synteettisten markkinoiden eturiviin.