Tecknen polyalkylenglykol och polyglykol används omväxlande. Dessa vätskor kan tillverkas så att de är antingen vattenlösliga eller vattenolösliga (oljelösliga). De vanligaste är de vattenlösliga vätskorna, och de kan därför ha mycket olika egenskaper.

Polyglykolerna är måttligt polära, vilket ger dem måttliga filmstyrkeegenskaper. De har ett mycket högt viskositetsindex (180-280) och goda egenskaper vid låga och höga temperaturer.

De brinner av rent och lämnar inga rester och har använts som bärarolja för fasta smörjmedel för kedjesmörjning vid höga temperaturer. Vissa versioner är livsmedelsklassade och biologiskt nedbrytbara. De används som kompressoroljor i roterande skruv- och fram- och återgående enheter, snäckväxeloljor, brandsäkra smörjmedel, metallbearbetningsvätskor och som bromsvätskor.

Vattenlösliga polyglykoler är inte kompatibla med mineraloljor och måste därför hanteras och bortskaffas separat. De får inte blandas med mineraloljor. Resultatet blir en geléartad och kladdig röra. Även om de är utmärkta smörjmedel kan de utgöra ett logistiskt problem i anläggningar. De kan också ha vissa negativa effekter på färger och tätningar och är mycket dyra.

Vattenolösliga (oljelösliga) polyglykoler kommer troligen att bli vanligare och används som värmeöverföringsvätskor, lageroljor för höga temperaturer och i kylkompressorer av skruvtyp.

I århundraden har smörjmedel använts som ett sätt att minska friktion och slitage på rörliga delar. År 2005 producerades 40 miljoner ton smörjmedel.

Som naturliga mineraloljebaserade vätskor står för majoriteten av efterfrågan på marknaden, skulle många tekniska framsteg inom utrustning och maskiner inte vara möjliga utan de fördelar som erbjuds av förbättringar av syntetiska smörjmedel, som för närvarande bara utgör två procent av marknaden.

Men även om polyalfaolefiner (PAO) fyller en del av dessa behov, kräver ett växande antal tillämpningar högre prestandakrav eller unika specifikationer som inte uppfylls av traditionella smörjmedel.

En av de mest mångsidiga typerna av syntetiska är smörjmedel med polyalkylenglykol (PAG). PAG är allmänt kända som kompressorsmörjmedel och deras användning inom industrin har ökat sedan 1980-talet. Ökade prestandastandarder på fordons- och industrimarknaderna gör dessa sektorer till områden som visar sig vara lovande för tillväxt.

Denna artikel ger en översikt över de viktigaste syntetiska basmaterialkemierna och en djupgående analys av fördelarna och användningsområdena för PAGs.

Syntetiska smörjmedelsbasmaterial

Det finns sex huvudsakliga basmaterialtyper som används vid utveckling av syntetiska smörjmedel, och var och en av dem erbjuder sin egen uppsättning av unika egenskaper och användningsområden.

Silikoner uppskattas för sin låga flyktighet, inerta mot de flesta kemiska föroreningar och termiska stabilitet i svåra tillämpningar, liksom deras prestanda i lågtemperaturmiljöer.

Dessa egenskaper gör dem till utmärkta kandidater för användning som värmeöverföringsvätskor, specialfetttillämpningar och DOT typ 5 bromsvätskor för bilar. Det finns dock två begränsningar hos silikoner som måste beaktas för smörjtillämpningar.

För det första kan de inte användas i cylindersmörjning av förbränningsmotorer eftersom förbränningsbiprodukten är kiseldioxid.

För det andra är prestandan vid extrema tryck begränsad, och vanliga tillsatser för extrema tryck är oförenliga med dem. I sina rätta tillämpningar är silikoner oöverträffade när det gäller vätskelivslängd och hydrolytisk stabilitet.

Diester, eller dibasiska syraestrar, utvecklades under andra världskriget och är en reaktionsprodukt av långkedjiga alkoholer och karboxylsyror. Historiskt sett har de varit effektiva som smörjmedel för kolvkompressorer på grund av deras låga koksbenägenhet vid temperaturer på 400°F eller högre. De har också en utmärkt lösningsförmåga och avskräckningsförmåga. Diesters aggressivitet mot elastomerer, tätningar och slangar har begränsat användbarheten av dessa vätskor. Nyare vätskor, t.ex. polyolestrar, uppfyller behoven i många tillämpningar som tidigare fylldes av diester.

Polyolestrar, eller neopentylpolyestrar, har till stor del ersatt diester i tillämpningar vid höga temperaturer där oxidationsstabilitet är avgörande. Vanliga tillämpningar är bland annat användning som smörjmedel i flygplansmotorer, gasturbiner vid höga temperaturer, hydrauliska vätskor och som värmeväxlingsvätskor. De kan också användas som en samblandning med PAO:er för att öka tillsatsernas löslighet och minska PAO:ernas tendens att krympa och härda elastomerer.

PAO:er är kolvätepolymerer som tillverkas genom katalytisk oligomerisering av linjära alfaolefiner, t.ex. alfadecen. De anses vara högpresterande smörjmedel och ger ett högt viskositetsindex och hydrolytisk stabilitet. PAO:er är de mest använda och är i allmänhet billigare än andra syntetiska smörjmedel. De har använts i motoroljor för personbilar och i många industriella smörjmedel.

Fosfatestrar är uppskattade i tillämpningar där säkerhet och brandbeständighet är kritiska faktorer, vilket inkluderar brandbeständiga hydrauliska vätskor och flygplansvätskor. Hög flampunkt och brandpunkt ökar deras motståndskraft mot antändning, och deras låga förbränningsvärme gör dem till utmärkta självsläckande vätskor. De har dock flera svagheter, bland annat dålig hydrolytisk stabilitet, vilket kan leda till att det bildas aggressiva sura biprodukter. Försiktighet måste iakttas vid användning eftersom de också kan reagera och försämra en mängd vanligt förekommande tätningsmedel och färger.

PAG-oljor erbjuder smörjförmåga av hög kvalitet, högt naturligt viskositetsindex och god temperaturstabilitet. PAG-basvätskor finns i både vattenlösliga och olösliga former och i ett stort antal viskositetsgrader. De har låg flyktighet i högtemperaturtillämpningar och kan användas i hög- och lågtemperaturmiljöer. De används ofta som släckmedel, metallbearbetningsvätskor, smörjmedel för livsmedel och som smörjmedel i hydraulisk utrustning och kompressorer. De vattenlösliga PAG-oljorna är dock oförenliga med petroleumolja, och man måste vara försiktig vid övergång av utrustning från kolväteoljor till PAG-oljor.

Utvecklingen av polyalkylenglykol

PAG-oljor var ett av de första syntetiska smörjmedel som utvecklades och kommersialiserades. De skapades på uppdrag av den amerikanska flottan som svar på bränder i hydrauliska vätskor på fartyg till följd av ammunitionsnedslag under andra världskriget. År 1942, och under de följande 30 åren, började flottan uteslutande använda PAG-baserade vattenglykolhydrauliska vätskor som var brandsäkra och kunde fungera inom ett brett temperaturområde. Senare började PAG-oljor få omfattande användning som textilsmörjmedel och som släckmedel vid värmebehandling av metall.

PAG-oljor klassificeras efter deras viktprocentiga sammansättning av oxypropylen- respektive oxyetenenheter i polymerkedjan. PAG-oljor med 100 viktprocent oxypropylengrupper är vattenolösliga, medan de med 50 till 75 viktprocent oxyeten är vattenlösliga vid omgivande temperaturer.

Och även om PAG-oljor länge har använts som industriella smörjmedel, har nyligen utförda arbeten lett till utveckling av PAG-smörjmedel för användning i utrustning inom livsmedelsindustrin. Dessa produkter är kända som livsmedelsgodkända smörjmedel.

I dessa tillämpningar erbjuder de utmärkt smörjförmåga, ökad oxidationsstabilitet, ett högt viskositetsindex (180 till 280) och låg flytpunkt. De är ett av de få syntetiska ämnen som identifieras i FDA:s förordning om livsmedelstillsatser för smörjmedelsbasmaterial av livsmedelskvalitet, 21 CFR § 178.3570, för användning i industriella maskiner när tillfällig livsmedelskontakt med ett smörjmedel kan förekomma.

PAG-oljetillämpningar och fördelar

På grund av de egenskaper som PAG-smörjmedel har, lämpar de sig unikt för ett antal industri- och tillverkningstillämpningar. Deras vattenlöslighet gör det lätt att rengöra utrustning. PAG-smörjmedel har höga viskositetsindex och är skjuvstabila.

PAG-oljor uppskattas också för sin låga flyktighet i högtemperaturtillämpningar och för att de är motståndskraftiga mot bildning av rester och avlagringar. Deras biologiska nedbrytbarhet gör dem idealiska för miljökänsliga tillämpningar.

PAG-oljor är mest kända som smörjmedel för kompressorer. PAG-oljor är också det smörjmedel som väljs vid högtryckskompression av naturgas och eten, där viskositetsstabiliteten hos kolvätebaserade smörjmedel påverkas negativt på grund av gasens löslighet i vätskan.

I kylkompression används smörjmedel av PAG- och polyolestertyp nästan uteslutande med den nuvarande generationen miljövänliga HFC-köldmedier som R-134a och R-152a.

De två största amerikanska OEM-tillverkarna av luftkompressorer har använt PAG-smörjmedel som standardfyllning på fabriken i skruvluftkompressorer i nästan 20 år. På senare tid har en tredje tillverkare av kompressorer börjat erbjuda PAG-olja som tillvalsvätska.

Från laboratorieperspektiv är PAG-vätskornas tillstånd relativt lätt att övervaka. I de flesta tillämpningar är den enda betydande förändringen, när slutet av livslängden närmar sig, ökningen av syretalet (AN) från oxidation av vätskan.

Avhängigt av tillsatspaketet har färska PAG-oljor typiskt sett ett AN på 0,1 till 0,5 mg KOH/g. En ökning på 1,0 från den nya vätskespecifikationen är en bra fördömande gräns.

Viskositeten förblir ganska stabil, även under vätskans senare skeden. Vattengränserna kan sättas högre för PAG-oljor än för kolvätevätskor eftersom de är mer vattentoleranta än andra vätsketyper. Till och med en “vattenolöslig” PAG-olja tål så mycket som 0,7 procent vattenförorening innan fritt vatten tillåts existera i vätskan.

PAG-oljor är också användbara i industriell utrustning som drivs året runt utan säsongsvariationer. Deras överlägsna värmeöverföringsegenskaper och termiska och oxidationsstabilitet gör dem idealiska för användning som värmeöverföringsvätskor i stora, öppet ventilerade system och som processvätskor vid tillverkning av plast, elastomerer, trådar eller tillverkade delar där det är viktigt att vätskan är kompatibel med den bearbetade delen.

Textilfibertillverkning är en annan industri som gynnas av användningen av PAG-oljor. Dessa smörjmedel ger inga fläckar eller missfärgningar på fibrerna och avlägsnas lätt under sköljningsprocessen. PAG-oljor är också det smörjmedel som väljs för många fiberprocesser med hög hastighet och hög temperatur där skjuvstabilitet är ett krav. Dessutom används de ofta som smörjmedel i utrustning för textiltillverkning som extremtrycksmörjmedel för kugghjul.

En förnyad betoning på energibesparing har ökat intresset för energieffektiva kugghjulssmörjmedel. Till exempel uppfylls de extrema kraven på kugghjulssmörjning i vindkraftverk av PAG-oljor.

De låga hastigheterna och den höga ytbelastningen på kugghjulen i dessa enheter har resulterat i problem med mikropitting med konventionella kolväteoljor som har övervunnits med PAG-baserade vätskor. I andra växellådsapplikationer, särskilt snäckväxlar, resulterar den naturligt låga friktionskoefficienten som finns i PAG-vätskor i energibesparingar, lägre temperaturer och lägre slitage.

Versatilitet möter prestanda

I mer än 60 år har syntetiska smörjmedel erbjudit ett livskraftigt alternativ till traditionella kolvätebaserade smörjmedel. Varje typ fyller unika funktioner, med PAG-oljor som fungerar i både hög- och lågtemperaturmiljöer, i områden med extremt tryck och där vattenlöslighet önskas.

Polyalkylenglykol kan utformas för att bilda en mängd olika polymerer. Polymerens utformning kan skräddarsys för smörjmedelstillämpningen för att till exempel ge önskad viskositet, flytpunkt, löslighet och andra egenskaper.

Denna mångsidighet och de tillämpningar i vilka de används visar att PAG-oljor står för cirka 24 procent av hela marknaden för syntetiska smörjmedel. Låg hällpunkt, ett brett spektrum av viskositeter, motståndskraft mot lackbildning, ökad löslighet och ett brett spektrum av löslighet bidrar alla till PAG-oljornas rykte som ett högpresterande syntetiskt smörjmedel på marknaden.

Med fortsatt betoning på miljömässigt acceptabla smörjmedel inom industrin kommer dessa egenskaper att fortsätta att driva PAG-oljor i spetsen på den syntetiska marknaden.