I termini polialchilene glicole e poliglicole sono usati in modo intercambiabile. Questi fluidi possono essere prodotti per essere solubili in acqua o insolubili in acqua (olio solubile). I più comuni sono i fluidi solubili in acqua, e quindi possono avere alcune proprietà molto diverse.

I poliglicoli sono moderatamente polari, il che dà loro moderate proprietà di resistenza del film. Hanno un indice di viscosità molto alto (da 180 a 280) e buone capacità a basse e alte temperature.

Bruciano in modo pulito, senza lasciare residui, e sono stati utilizzati come olio vettore per lubrificanti solidi per la lubrificazione di catene ad alta temperatura. Alcune versioni sono di grado alimentare e biodegradabili. Sono usati come oli per compressori in unità rotative a vite e reciprocanti, oli per ingranaggi a vite senza fine, lubrificanti resistenti al fuoco, fluidi per la lavorazione dei metalli e come fluidi per freni.

I poliglicoli solubili in acqua non sono compatibili con gli oli minerali e quindi devono essere trattati e smaltiti separatamente. Non dovrebbero essere mescolati con oli minerali. Il risultato è un pasticcio gelatinoso e appiccicoso. Anche se sono eccellenti lubrificanti, possono rappresentare un problema logistico negli impianti. Possono anche avere alcuni effetti negativi su vernici e guarnizioni, e sono molto costosi.

I poliglicoli insolubili in acqua (solubili in olio) sono destinati a diventare più comuni e sono usati come fluidi di trasferimento del calore, oli per cuscinetti ad alta temperatura e nei compressori di refrigerazione a vite.

Per secoli, i lubrificanti sono stati utilizzati per ridurre l’attrito e l’usura delle parti mobili. Nel 2005, sono state prodotte 40 milioni di tonnellate di lubrificanti.

Mentre i fluidi naturali a base di olio minerale rappresentano la maggior parte della domanda del mercato, molti progressi tecnologici in attrezzature e macchinari non sarebbero possibili senza i benefici offerti dai miglioramenti dei lubrificanti sintetici, che attualmente costituiscono solo il due per cento del mercato.

Mentre le polialfaolefine (PAO) soddisfano alcune di queste esigenze, un numero crescente di applicazioni richiede requisiti di prestazione più elevati o specifiche uniche che non sono soddisfatte dai lubrificanti tradizionali.

Uno dei tipi più versatili di sintetici è il polialchilenglicole (PAG). I PAG sono generalmente conosciuti come lubrificanti per compressori, e il loro uso nell’industria è aumentato dagli anni ’80. L’aumento degli standard di prestazione nei mercati automobilistico e industriale fa sì che questi settori siano promettenti per la crescita.

Questo articolo offre una panoramica delle principali sostanze chimiche di base sintetiche e un’analisi approfondita dei vantaggi e degli usi dei PAG.

Synthetic Lubricant Base Stocks

Ci sono sei tipi principali di sostanze di base utilizzate nello sviluppo di lubrificanti sintetici, con ciascuna che offre il proprio set di proprietà e applicazioni uniche.

I siliconi sono apprezzati per la loro bassa volatilità, l’inerzia alla maggior parte dei contaminanti chimici e la stabilità termica in applicazioni severe, così come le loro prestazioni in ambienti a bassa temperatura.

Queste qualità li rendono un candidato eccellente per l’uso come fluidi di trasferimento del calore, applicazioni di grasso speciale e liquidi per freni automobilistici DOT tipo 5. Tuttavia, ci sono due limitazioni dei siliconi che devono essere considerate per le applicazioni di lubrificazione.

In primo luogo, non possono essere usati nella lubrificazione dei cilindri dei motori a combustione interna perché il sottoprodotto della combustione è il biossido di silicio.

In secondo luogo, le prestazioni a pressione estrema sono limitate, e i comuni additivi a pressione estrema sono incompatibili con loro. Nelle loro applicazioni appropriate, la durata del fluido e la stabilità idrolitica dei siliconi è insuperabile.

I diesteri, o esteri acidi dibasici, sono stati sviluppati durante la seconda guerra mondiale e sono il prodotto di reazione di alcoli a catena lunga e acidi carbossilici. Storicamente, sono stati efficaci come lubrificanti per compressori alternativi grazie alla loro bassa tendenza al coking a temperature di 400°F o superiori. Forniscono anche un’eccellente solvibilità e detergenza. L’aggressività dei diester nei confronti di elastomeri, guarnizioni e tubi ha limitato l’utilità di questi fluidi. Fluidi più recenti, come gli esteri di poliolo, soddisfano le esigenze di molte applicazioni precedentemente riempite dai diesters.

Gli esteri di poliolo, o poli esteri di neopentile, hanno ampiamente sostituito i diesters nelle applicazioni ad alta temperatura dove la stabilità ossidativa è critica. Le applicazioni comuni includono il loro uso come lubrificanti nei motori degli aerei, nelle turbine a gas ad alta temperatura, nei fluidi idraulici e come fluidi di scambio termico. Possono anche essere usati come una miscela di base con PAO per migliorare la solubilità degli additivi e ridurre la tendenza dei PAO a restringersi e indurire gli elastomeri.

I PAO sono polimeri idrocarburici prodotti dall’oligomerizzazione catalitica di alfa olefine lineari come l’alfa-decene. Sono considerati lubrificanti ad alte prestazioni e forniscono un alto indice di viscosità e stabilità idrolitica. I PAO sono i più comunemente usati e sono generalmente meno costosi di altri lubrificanti sintetici. Sono stati usati in oli per motori di autovetture, così come in numerose applicazioni di lubrificanti industriali.

Gli esteri fosforici sono apprezzati in applicazioni in cui la sicurezza e la resistenza al fuoco sono considerazioni critiche, che includono fluidi idraulici resistenti al fuoco e fluidi per aerei. Alti punti di infiammabilità e punti di fuoco migliorano la loro resistenza all’accensione, e il loro basso calore di combustione li rende eccellenti fluidi autoestinguenti. Tuttavia, hanno diversi punti deboli tra cui una scarsa stabilità idrolitica, che può portare alla formazione di sottoprodotti acidi aggressivi. Bisogna fare attenzione quando vengono usati perché possono anche reagire e degradare una varietà di sigillanti e vernici comunemente usati.

Gli oli PAG offrono una lubrificazione di qualità, un alto indice di viscosità naturale e una buona stabilità alla temperatura. I fluidi di base PAG sono disponibili sia in forma solubile in acqua che insolubile, e in una vasta gamma di gradi di viscosità. Offrono una bassa volatilità nelle applicazioni ad alta temperatura e possono essere utilizzati in ambienti ad alta e bassa temperatura. Sono comunemente usati come quenchants, fluidi per la lavorazione dei metalli, lubrificanti per uso alimentare e come lubrificanti in apparecchiature idrauliche e di compressione. Tuttavia, gli oli PAG solubili in acqua sono incompatibili con l’olio di petrolio e occorre prestare attenzione nella transizione delle attrezzature dagli oli di idrocarburi agli oli PAG.

Lo sviluppo del polialchilenglicole

Gli oli PAG sono stati uno dei primi lubrificanti sintetici ad essere sviluppati e commercializzati. Sono stati creati su mandato della Marina degli Stati Uniti in risposta agli incendi del fluido idraulico sulle navi derivanti da colpi di ordigni durante la seconda guerra mondiale. Nel 1942, e per i successivi 30 anni, la Marina iniziò a usare esclusivamente fluidi idraulici a base di acqua glicolata PAG che erano resistenti al fuoco e potevano funzionare in un’ampia gamma di temperature. Più tardi, gli oli PAG cominciarono a vedere un ampio uso come lubrificanti tessili e come quenchant nel trattamento termico dei metalli.

Gli oli PAG sono classificati in base alla loro composizione percentuale in peso di unità di ossipropilene rispetto all’ossimetilene nella catena polimerica. Gli oli PAG con il 100 percento in peso di gruppi ossipropilenici sono insolubili in acqua; mentre quelli con il 50-75 percento in peso di ossetilene sono solubili in acqua a temperatura ambiente.

Anche se gli oli PAG sono stati usati a lungo come lubrificanti industriali, il lavoro recente ha portato allo sviluppo di lubrificanti PAG per l’uso in attrezzature nell’industria alimentare. Questi prodotti sono noti come lubrificanti approvati per uso alimentare.

In queste applicazioni, offrono un’eccellente lubrificazione, una maggiore stabilità ossidativa, un alto indice di viscosità (da 180 a 280) e bassi punti di scorrimento. Sono una delle poche sostanze sintetiche identificate nel regolamento della FDA sugli additivi alimentari per le scorte di base dei lubrificanti per uso alimentare, 21 CFR § 178.3570, per l’uso in macchinari industriali quando può verificarsi un contatto accidentale del cibo con un lubrificante.

Applicazioni e vantaggi dell’olio PAG

A causa delle proprietà che costituiscono i lubrificanti PAG, sono particolarmente adatti per una serie di applicazioni industriali e di produzione. La loro solubilità in acqua permette una facile pulizia delle attrezzature. I lubrificanti PAG offrono alti indici di viscosità e sono stabili al taglio.

Gli oli PAG sono anche apprezzati per la loro bassa volatilità nelle applicazioni ad alta temperatura e per la resistenza alla formazione di residui e depositi. La loro biodegradabilità li rende ideali per applicazioni sensibili all’ambiente.

Gli oli PAG sono meglio conosciuti come lubrificanti per compressori. I PAG sono anche il lubrificante preferito nella compressione ad alta pressione del gas naturale e dell’etilene, dove la stabilità della viscosità dei lubrificanti a base di idrocarburi è influenzata negativamente dalla solubilità del gas nel fluido.

Nella compressione della refrigerazione, i lubrificanti di tipo PAG ed estere di poliolo sono usati quasi esclusivamente con l’attuale generazione di refrigeranti ecologici HFC come R-134a e R-152a.

I due maggiori OEM di compressori d’aria degli Stati Uniti hanno usato lubrificanti PAG come riempimento standard di fabbrica nei compressori d’aria a vite rotativi per quasi 20 anni. Più recentemente, un terzo OEM di compressori ha iniziato a offrire olio PAG come fluido opzionale.

Dal punto di vista del laboratorio, la condizione dei fluidi PAG è relativamente facile da monitorare. Nella maggior parte delle applicazioni, con l’avvicinarsi della fine della vita utile, l’unico cambiamento significativo è l’aumento del numero di acido (AN) dall’ossidazione del fluido.

A seconda del pacchetto di additivi, gli oli PAG freschi avranno in genere un AN da 0,1 a 0,5 mg KOH/g. Un aumento di 1,0 dalla nuova specifica del fluido è un buon limite di condanna.

La viscosità rimane abbastanza stabile, anche durante le ultime fasi della vita del fluido. I limiti dell’acqua possono essere fissati più in alto per gli oli PAG rispetto ai fluidi idrocarburici perché sono più tolleranti all’acqua di altri tipi di fluidi. Anche un olio PAG “insolubile in acqua” tollera fino allo 0,7% di contaminazione con acqua prima di permettere all’acqua libera di esistere nel fluido.

Gli oli PAG sono anche utili nelle attrezzature industriali che funzionano tutto l’anno senza cambiamenti stagionali. Le loro caratteristiche superiori di trasferimento del calore e la stabilità termica e di ossidazione li rendono ideali per l’uso come fluidi di trasferimento del calore in grandi sistemi a sfiato aperto e per i fluidi di processo nella produzione di plastica, elastomeri, fili o parti fabbricate dove la compatibilità del fluido con la parte lavorata è importante.

La produzione di fibre tessili è un altro settore che beneficia dell’uso di oli PAG. Questi lubrificanti non macchiano o scoloriscono le fibre e vengono facilmente rimossi durante il processo di lavaggio. Gli oli PAG sono anche il lubrificante di scelta per molti processi di fibre ad alta velocità e ad alta temperatura dove la stabilità al taglio è un requisito. Inoltre, sono spesso usati come lubrificanti in apparecchiature di produzione tessile come lubrificanti per ingranaggi a pressione estrema.

Una rinnovata enfasi sul risparmio energetico ha aumentato l’interesse per i lubrificanti per ingranaggi ad alta efficienza energetica. Per esempio, le esigenze estreme di lubrificazione degli ingranaggi nelle turbine eoliche sono soddisfatte dagli oli PAG.

Le basse velocità e gli alti carichi di superficie sugli ingranaggi in queste unità hanno portato a problemi di micropitting con gli oli idrocarburici convenzionali che sono stati superati con i fluidi a base di PAG. In altre applicazioni di cambio, in particolare negli ingranaggi a vite senza fine, il coefficiente di attrito naturalmente basso dei fluidi PAG si traduce in risparmi energetici, temperature più basse e tassi di usura inferiori.

La versatilità incontra le prestazioni

Per oltre 60 anni, i lubrificanti sintetici hanno fornito una valida alternativa ai lubrificanti idrocarburici tradizionali. Ogni tipo serve ruoli unici, con gli oli PAG che funzionano sia in ambienti ad alta che a bassa temperatura, in aree di pressione estrema e dove si desidera la solubilità in acqua.

Il glicole polialchilenico può essere progettato per formare un’ampia varietà di polimeri. Il design del polimero può essere adattato all’applicazione del lubrificante per fornire, per esempio, la viscosità desiderata, il punto di scorrimento, la solubilità e altri attributi.

Questa versatilità e le applicazioni in cui vengono utilizzati mostrano che gli oli PAG rappresentano circa il 24% dell’intero mercato dei lubrificanti sintetici. Bassi punti di scorrimento, un’ampia gamma di viscosità, la resistenza alla formazione di vernici, una maggiore solvibilità e un’ampia gamma di solubilità contribuiscono alla reputazione dei lubrificanti PAG come lubrificante sintetico ad alte prestazioni sul mercato.

Con la continua enfasi sui lubrificanti accettabili per l’ambiente nell’industria, queste qualità continueranno a spingere gli oli PAG in prima linea nel mercato sintetico.