De termen polyalkyleenglycol en polyglycol worden door elkaar gebruikt. Deze vloeistoffen kunnen in water oplosbaar of in water onoplosbaar (in olie oplosbaar) zijn. De meest voorkomende zijn de in water oplosbare vloeistoffen, en deze kunnen dan ook zeer uiteenlopende eigenschappen hebben.

Polyglycolen zijn matig polair, waardoor ze matige filmsterkte-eigenschappen hebben. Zij hebben een zeer hoge viscositeitsindex (180 tot 280) en goede eigenschappen bij lage en hoge temperaturen.

Zij branden schoon af, zonder residu achter te laten, en zijn gebruikt als dragerolie voor vaste smeermiddelen voor kettingsmering bij hoge temperaturen. Sommige versies zijn geschikt voor levensmiddelen en biologisch afbreekbaar. Zij worden gebruikt als compressorolie in schroef- en zuigereenheden, wormwieloliën, brandwerende smeermiddelen, metaalbewerkingsvloeistoffen en als remvloeistoffen.

Wateroplosbare polyglycolen zijn niet verenigbaar met minerale oliën en moeten daarom afzonderlijk worden behandeld en afgevoerd. Zij mogen niet worden gemengd met minerale oliën. Het resultaat is een gelatineachtige, kleverige puinhoop. Hoewel het uitstekende smeermiddelen zijn, kunnen zij een logistiek probleem vormen in fabrieken. Ze kunnen ook enkele negatieve effecten hebben op verf en afdichtingen, en zijn erg duur.

In water onoplosbare (in olie oplosbare) polyglycolen zullen waarschijnlijk steeds vaker voorkomen en worden gebruikt als vloeistoffen voor warmteoverdracht, lageroliën voor hoge temperaturen en in schroef-type koelcompressoren.

Smeermiddelen worden al eeuwenlang gebruikt als een manier om wrijving en slijtage van bewegende delen te verminderen. In 2005 werd 40 miljoen ton smeermiddelen geproduceerd.

Hoewel vloeistoffen op basis van natuurlijke minerale oliën het grootste deel van de marktvraag vertegenwoordigen, zouden veel technologische vorderingen in apparatuur en machines niet mogelijk zijn zonder de voordelen die worden geboden door verbeteringen in synthetische smeermiddelen, die momenteel slechts twee procent van de markt uitmaken.

Wile polyalfaolefinen (PAO’s) voorzien in sommige van deze behoeften, een groeiend aantal toepassingen vraagt om hogere prestatie-eisen, of vereist unieke specificaties waaraan traditionele smeermiddelen niet voldoen.

Een van de meest veelzijdige soorten synthetische smeermiddelen is polyalkyleenglycol (PAG) smeermiddelen. PAG’s zijn algemeen bekend als compressorsmeermiddelen, en het gebruik ervan in de industrie is sinds de jaren tachtig toegenomen. Toenemende prestatienormen in de automobiel- en industriële markten wijzen deze sectoren aan als veelbelovende groeigebieden.

Dit artikel biedt een overzicht van de belangrijkste synthetische basisoliën en een diepgaande analyse van de voordelen en toepassingen van PAG’s.

Synthetische smeermiddel basisoliën

Er zijn zes belangrijke basisoliën die worden gebruikt bij de ontwikkeling van synthetische smeermiddelen, met elk hun eigen reeks unieke eigenschappen en toepassingen.

Siliconen worden gewaardeerd om hun lage vluchtigheid, ongevoeligheid voor de meeste chemische verontreinigingen en thermische stabiliteit in zware toepassingen, evenals hun prestaties in omgevingen met lage temperaturen.

Die kwaliteiten maken ze een uitstekende kandidaat voor gebruik als warmteoverdrachtvloeistoffen, speciale vettoepassingen en DOT Type 5 remvloeistoffen voor auto’s. Er zijn echter twee beperkingen van siliconen die in aanmerking moeten worden genomen voor smeertoepassingen.

In de eerste plaats kunnen ze niet worden gebruikt in de cilindersmering van verbrandingsmotoren omdat het verbrandingsnevenproduct siliciumdioxide is.

In de tweede plaats zijn de prestaties bij extreme druk beperkt en zijn de gebruikelijke additieven voor extreme druk niet compatibel met siliconen. In hun juiste toepassingen zijn de vloeistoflevensduur en de hydrolytische stabiliteit van siliconen onovertroffen.

Diesters, of dibasische zure esters, werden ontwikkeld tijdens de Tweede Wereldoorlog en zijn het reactieproduct van lange-keten alcoholen en carboxylzuren. Historisch gezien zijn zij effectief geweest als smeermiddelen voor zuigercompressoren vanwege hun lage neiging tot verkooksing bij temperaturen van 400°F of hoger. Zij bieden ook een uitstekende oplosbaarheid en detergentie. De agressiviteit van diesters tegenover elastomeren, dichtingen en slangen heeft de bruikbaarheid van deze vloeistoffen beperkt. Nieuwere vloeistoffen, zoals polyolesters, voorzien in de behoeften van vele toepassingen die vroeger door diesters werden vervuld.

Polyolesters, of Neopentyl polyesters, hebben grotendeels de diesters vervangen in toepassingen bij hoge temperaturen waar oxidatieve stabiliteit van kritisch belang is. Gangbare toepassingen zijn het gebruik als smeermiddel in vliegtuigmotoren, gasturbines bij hoge temperatuur, hydraulische vloeistoffen en als warmtewisselingsvloeistoffen. Zij kunnen ook worden gebruikt als gemengde basisgrondstof met PAO’s om de oplosbaarheid van additieven te verbeteren en de neiging van PAO’s om elastomeren te doen krimpen en verharden, te verminderen.

PAO’s zijn koolwaterstofpolymeren die worden vervaardigd door de katalytische oligomerisatie van lineaire alfa-olefinen zoals alfa-deceen. Zij worden beschouwd als hoogwaardige smeermiddelen en bieden een hoge viscositeitsindex en hydrolytische stabiliteit. PAO’s worden het meest gebruikt en zijn over het algemeen minder duur dan andere synthetische smeermiddelen. Zij worden gebruikt in motoroliën voor personenauto’s, alsook in talrijke industriële smeerolietoepassingen.

Fosfaatesters worden gewaardeerd in toepassingen waar veiligheid en brandwerendheid van cruciaal belang zijn, zoals brandbestendige hydraulische vloeistoffen en vloeistoffen voor vliegtuigen. Hoge vlampunten en brandpunten verhogen hun weerstand tegen ontsteking, en hun lage verbrandingswarmte maakt hen uitstekende zelfdovende vloeistoffen. Zij hebben echter verscheidene zwakke punten, waaronder een slechte hydrolytische stabiliteit, die kan leiden tot de vorming van agressieve zure bijproducten. Voorzichtigheid is geboden bij het gebruik, omdat zij ook kunnen reageren en een verscheidenheid van veel gebruikte afdichtmiddelen en verven kunnen aantasten.

PAG-oliën bieden een hoogwaardige smering, een hoge natuurlijke viscositeitsindex en een goede temperatuurstabiliteit. PAG-basisvloeistoffen zijn verkrijgbaar in zowel wateroplosbare als onoplosbare vorm, en in een breed scala van viscositeitsgraden. Zij bieden een lage vluchtigheid in toepassingen bij hoge temperaturen en kunnen worden gebruikt in omgevingen met hoge en lage temperaturen. Zij worden algemeen gebruikt als blusmiddel, metaalbewerkingsvloeistof, levensmiddelensmeermiddel en als smeermiddel in hydraulische en compressorapparatuur. De in water oplosbare PAG-oliën zijn echter onverenigbaar met aardolie en er moet voorzichtig te werk worden gegaan bij de overschakeling van koolwaterstofoliën op PAG-oliën.

De ontwikkeling van polyalkyleenglycol

PAG-oliën waren een van de eerste synthetische smeermiddelen die werden ontwikkeld en gecommercialiseerd. Zij werden ontwikkeld in opdracht van de Amerikaanse Marine als reactie op hydraulische vloeistofbranden op schepen ten gevolge van munitieinslagen tijdens de Tweede Wereldoorlog. In 1942, en gedurende de volgende 30 jaar, begon de Navy uitsluitend hydraulische vloeistoffen op PAG-basis met water glycol te gebruiken, die brandwerend waren en over een breed temperatuurbereik konden werken. Later werden PAG-oliën op grote schaal gebruikt als textielsmeermiddelen en als blusmiddel bij de warmtebehandeling van metalen.

PAG-oliën worden ingedeeld naar hun gewichtspercentuele samenstelling van oxypropyleen versus oxyethyleen eenheden in de polymeerketen. PAG-olie met 100 gewichtspercenten oxypropyleengroepen zijn onoplosbaar in water; terwijl die met 50 tot 75 gewichtspercenten oxyethyleen oplosbaar zijn in water bij omgevingstemperaturen.

Hoewel PAG-oliën reeds lang als industriële smeermiddelen worden gebruikt, heeft recent werk geleid tot de ontwikkeling van PAG-smeermiddelen voor gebruik in apparatuur in de voedselverwerkende industrie. Deze producten staan bekend als food-grade approved lubricants.

In deze toepassingen bieden zij een uitstekende smering, verhoogde oxidatiestabiliteit, een hoge viscositeitsindex (180 tot 280) en lage stolpunten. Zij zijn een van de weinige synthetische stoffen die in de voedseladditievenverordening van de FDA voor basisvoorraden van smeermiddelen van levensmiddelenkwaliteit, 21 CFR § 178.3570, worden genoemd voor gebruik in industriële machines wanneer incidenteel voedselcontact met een smeermiddel kan optreden.

PAG-olietoepassingen en -voordelen

Omwille van de eigenschappen waaruit PAG-smeermiddelen bestaan, zijn zij bij uitstek geschikt voor een aantal industriële en productietoepassingen. Door hun wateroplosbaarheid kan apparatuur gemakkelijk worden gereinigd. PAG smeermiddelen hebben een hoge viscositeitsindex en zijn shear stabiel.

PAG oliën worden ook gewaardeerd om hun lage vluchtigheid in toepassingen met hoge temperaturen, en om hun weerstand tegen de vorming van residu en afzettingen. Hun biologische afbreekbaarheid maakt ze ideaal voor milieugevoelige toepassingen.

PAG-oliën zijn het best bekend als compressorsmeermiddelen. PAG’s zijn ook het smeermiddel bij uitstek bij hogedruk aardgas- en ethyleencompressie, waar de viscositeitstabiliteit van smeermiddelen op basis van koolwaterstoffen nadelig wordt beïnvloed door de oplosbaarheid van het gas in de vloeistof.

In koelcompressie worden PAG en polyolester-type smeermiddelen bijna uitsluitend gebruikt met de huidige generatie milieuvriendelijke HFK-koelmiddelen zoals R-134a en R-152a.

De twee grootste luchtcompressor OEM’s in de V.S. gebruiken al bijna 20 jaar PAG-smeermiddelen als standaard fabrieksvulling in schroefcompressoren. Meer recentelijk is een derde OEM-compressor begonnen PAG-olie als optionele vloeistof aan te bieden.

Vanuit het laboratorium gezien is de conditie van PAG-vloeistoffen relatief eenvoudig te controleren. In de meeste toepassingen is, naarmate het einde van de levensduur nadert, de enige significante verandering de toename van het zuurgetal (AN) door vloeistofoxidatie.

Afhankelijk van het additievenpakket hebben verse PAG-oliën doorgaans een AN van 0,1 tot 0,5 mg KOH/g. Een verhoging van 1,0 ten opzichte van de nieuwe vloeistofspecificatie is een goede veroordelingsgrens.

De viscositeit blijft redelijk stabiel, zelfs tijdens de laatste stadia van de levensduur van de vloeistof. De waterlimieten kunnen voor PAG-oliën hoger worden gesteld dan voor koolwaterstofvloeistoffen, omdat ze beter tegen water kunnen dan andere vloeistoftypen. Zelfs een “in water onoplosbare” PAG-olie tolereert tot 0,7 procent waterverontreiniging voordat er vrij water in de vloeistof kan voorkomen.

PAG-oliën zijn ook nuttig in industriële apparatuur die het hele jaar door zonder seizoenswisselingen in bedrijf is. Door hun superieure warmteoverdrachtseigenschappen en thermische en oxidatiestabiliteit zijn ze ideaal voor gebruik als warmteoverdrachtsvloeistoffen in grote, open geventileerde systemen en als procesvloeistoffen bij de productie van kunststoffen, elastomeren, draden of gefabriceerde onderdelen waarbij compatibiliteit van de vloeistof met het bewerkte onderdeel belangrijk is.

De productie van textielvezels is een andere industrie die baat heeft bij het gebruik van PAG-oliën. Deze smeermiddelen bevlekken of verkleuren de vezels niet en worden tijdens het schuren gemakkelijk verwijderd. PAG-oliën zijn ook het smeermiddel bij uitstek voor veel vezelprocessen op hoge snelheid en bij hoge temperaturen, waarbij afschuifstabiliteit een vereiste is. Bovendien worden ze vaak gebruikt als smeermiddel in textielfabricageapparatuur als smeermiddel voor tandwielen onder extreme druk.

Een hernieuwde nadruk op energiebesparing heeft de belangstelling doen toenemen voor energie-efficiënte tandwielsmeermiddelen. Aan de extreme eisen van tandwielsmering in windturbines wordt bijvoorbeeld voldaan door PAG-oliën.

De lage snelheden en hoge oppervlaktebelastingen op de tandwielen in deze eenheden hebben geleid tot micropitting problemen met conventionele koolwaterstofoliën die zijn overwonnen met op PAG gebaseerde vloeistoffen. In andere tandwielkasttoepassingen, met name wormwieloverbrengingen, resulteert de van nature lage wrijvingscoëfficiënt in PAG-vloeistoffen in energiebesparing, lagere temperaturen en lagere slijtagesnelheden.

Versatility Meets Performance

Synthetische smeermiddelen bieden al meer dan 60 jaar een levensvatbaar alternatief voor traditionele koolwaterstofsmeermiddelen. Elk type vervult een unieke rol, waarbij PAG-oliën presteren in omgevingen met zowel hoge als lage temperaturen, in gebieden met extreme druk en waar wateroplosbaarheid gewenst is.

Polyalkyleenglycol kan worden ontworpen om een grote verscheidenheid aan polymeren te vormen. Het ontwerp van het polymeer kan worden afgestemd op de smeerolietoepassing om bijvoorbeeld de gewenste viscositeit, vloeipunt, oplosbaarheid en andere eigenschappen te leveren.

Door deze veelzijdigheid en de toepassingen waarin ze worden gebruikt, zijn PAG-oliën goed voor ongeveer 24 procent van de gehele markt voor synthetische smeermiddelen. Lage stolpunten, een breed viscositeitsbereik, weerstand tegen vernisvorming, verhoogde oplosbaarheid en een breed oplosbaarheidsbereik dragen allemaal bij aan de reputatie van PAG-smeermiddelen als een hoogwaardig synthetisch smeermiddel op de markt.

Met de voortdurende nadruk op milieuvriendelijke smeermiddelen in de industrie, zullen deze kwaliteiten PAG oliën naar de voorhoede van de synthetische markt blijven stuwen.