Lubrificantes
Lubrificantes
Óleos lubrificantes formam uma fina película entre as duas superfícies reduzindo contato direto e desta forma minimizando atrito e desgaste. Também serve para dissipar calor e proteger contra corrosão.
Tipos de óleo lubrificantes
- Minerais: derivados do refino de óleo cru. São os mais comuns e usados em diversas aplicações
- Sintéticos: criados através de reações químicas com fins específicos
- Biológicos: origem vegetal ou reaproveitados (?)
Análise típica
Abaixo um relatório de Lubrax 15W40 Top Turbo
Mais abaixo será descrito cada um destas informações
Propriedades e aditivos
- Viscosidade: a resistência do líquido para fluir. É a propriedade mais importante. É preciso achar o ponto ideal para cada aplicação. Muita viscosidade gera resistência e perda de eficiência. Pouca viscosidade não protege as superfícies
- Detergentes: Evita o depósito de substâncias
- Antioxidantes: protege o óleo de se deteriorar devido ao calor
- Antidesgaste: previne o contato das superfícies
Viscosidade
É propriedade mais importante do óleo lubrificante. Manter a viscosidade ideal com temperatura e pressão variando que é o desafio.
Definição
Resistência de fluir a uma força cortante entre dois pratos
V = velocidade do prato superior A = área do prato z = tamanho do filme de lubrificante $$\eta=\frac{F/a}{dv/dz}$$
de unidade dimensional Pascal segundo que é chamado de Poise $$ \eta = \frac{N / m^2}{ms^{-1}/m} = Pa . s = poise$$
Essa é a fórmula para a viscosidade dinâmica. Para encontrar a viscosidade cinemática, divide-se pela densidade do flúido, que traz unidade dimensional centímetro quadrado por segundo, chamado de Stokes. O usual da industria é usar milímetro quadrado por segundo, portanto a unidade fica centi Stokes ou cSt.
Como medir viscosidade cinemática
Teste da esfera caindo no tubo:
se organizar:
$$ \eta = \frac{2 \Delta \rho g r^2}{9v}$$
Viscosidade em pressão variável
Normalmente por óleos serem incompressíveis a pressão não vai alterar a viscosidade. Somente em pressões extremas vai alterar
Viscosidade em temperatura variável - índice de viscosidade
Motores estão frios quando são ligados e isso traz diversos problemas. Dependendo do clima local a temperatura pode fazer com que a viscosidade seja tão alta que a bomba de óleo falhe ou resistência ao fluir seja muito alta
Caso optar por óleo muito viscoso a toda temperatura, quando o motor ficar parado por um certo tempo o óleo vai escorrer e não vai fazer a película protetora nas superfícies
A viscosidade do óleo age exatamente o oposto do desejável
Para contornar essa situação existem óleos de multi viscosos. Possuem diversas classificações mas a mais usual é a Classificação SAE
O índice de viscosidade é um número adimensional que mede a variação da viscosidade entre 40 e 100 graus
Convenções
Graxas
Graxa é um lubrificante sólido ou semi sólido formado por pela dispersão de um agente espessante em um lubrificante líquido
É um lubrificante que não flui. Ocasiões onde é usado:
- Lugares onde não pode haver vazamento
- Contaminantes são difíceis de ser introduzido
- Quando a máquina desliga o lubrificante não desce por gravidade
- Uso externo como escavadoras
Desvantagens:
- Não transporta calor
- Uma vez contaminado é difícil de filtrar
- Não tem um reservatório caso precisar de mais
Classificação SAE
SAE é Sociedade Engenheiros de Automotores, dos EUA fundada em 1905 e tenta estabelecer padrões para o setor automotivo
Os óleos de grau único são para quando o óleo está a 100 graus Célsius, como por exemplo o SAE 30 e SAE 40. Quanto maior, mais viscoso.
Os óleos lubrificantes multiviscosos consistem em 2 númeors, como por exemplo 15W40:
- O primeiro é para temperatura baixa com W de winter
- O segundo para 100°C
Especificações dos óleos
Existem diversos grupos que determinam diferentes especificações. Elam tem o objetivo de diminuir emissões de poluentes ou melhorar rendimento e eficiência do motor
Na imagem acima podemos ver as diferentes evoluções de diferentes especificações. ACEA é mais utilizada na Europa, JASO no Japão e CI e GF nos Estados Unidos.
Abaixo da linha do tempo estão as normas de emissão dos poluentes. Normalmente as especificações novas acompanham as mudanças nas exigências junto com outras inovações, como por exemplo design de pistão, controle na combustão, recirculação e tratamento da exaustão, qualidade do combustível
Por exemplo, do CG-4 para o CH-4 diminui-se 20% emissão de NOx. Já do CI-4 para o CI-4+, reduziram drasticamente partículas. Essas reduções são mais importantes nos motores diesel
Já para reduzir emissões de CO2, é necessário aumentar a eficiência da combustão. Na parte da lubrificação isso é obtido através da diminuição da viscosidade e fricção interna. Antes era normal 15W40 e carros novos são visto utilizando 0W20
Espessura do filme
Durante a fase hidrodinâmica, onde o motor está em funcionamento, a espessura do filme é fundamental. Nenhuma superfície é perfeitamente lisa, usa-se a média entre as distancias
A espessura é incrivelmente fina. No geral temos essas espessuras com ordem de magnitude menor que fio de cabelo
O problema dessa distância tão pequena é que qualquer contaminante pode trazer erosões
Para contornar isso devemos aumentar a viscosidade do óleo ou filtrar para partículas cada vez menores
Volatilidade
Volatilidade em hidrocarbonetos é proporcional ao peso molecular devido as forças intermoleculares que quanto maiores, mais interações entre as moléculas existem
Óleos de grupo 1 possuem desvio padrão maiores e possuem mais moléculas leves
Rapidamente as moléculas leves voláteis evaporam e a média do peso molecular do grupo aumenta, elevando a viscosidade
NOACK - medir a volatilidade (ASTM D5800)
Mede a perda de volume durante determinado tempo e temperatura
Ponto de fulgor (flash point)
Menor temperatura em que um líquido em que os vapores formam uma mistura combustível com o ar Os testes para determinar a temperatura se baseiam em colocar o lubrificante em um becker (aberto ou fechado) em um prato que vai aumentando a temperatura e uma vela de ignição constantemente tentando acender o vapor e anota-se a temperatura que ocorre a chama
Um ponto importante é de que o ponto de fulgor é considerado uma propriedade do aparato de teste e não do lubrificante. Portanto sempre observar qual metodologia foi utilizada
Também observar que com o aumento da temperatura dois fenômenos podem ocorrer:
- Óleos do grupo 1 (desvio padrão alto) as moléculas leves evaporam mais rápido e a viscosidade aumenta as. Em um sistema aberto as vezes alterando o ponto de fulgor paradoxalmente para cima
- Quebra térmica das moléculas maiores também de um óleo grupo 1, diminuindo a viscosidade e aumentando quantidade de moléculas menores e diminuindo o vapor
Oxidação do óleo básico
O óleo que usamos na cozinha e o automotivo passam quase que pelo mesmo processo de calor e contato com o oxigênio que quebram as moléculas orgânicas
Para ser mais específico, óleo são hidrocarbonetos (R - H). Acabam sofrendo oxidação (que é perda de elétrons, redução é ganho de elétrons) por diversos motivos, como calor, radiação ultravioleta e até mesmo estresse físico
Esse hidrocarboneto pode gerar diversos subprodutos, como água, álcoois e ácidos. A geração destes formam um ciclo como se pode ver abaixo:
Aditivos antioxidantes tentam quebrar um desses ciclos
Polimerização
É uma das principais razões pelo aumento da viscosidade com o tempo de uso
Ocorre através de 2 métodos:
Reação de adição
Novamente voltando ao ciclo de oxidação dos óleos
Temos diversos compostos radicais com elétrons livres na camada de valência. Esses radicais iniciam a reação ao encontrar uma ligação fraca, por exemplo a ligação dupla na camada S e na camada P entre carbono e carbono
O elétron da camada orbital P não tem ligação direta como do orbital sigma S e são mais fáceis de quebrar, preferindo se ligar ao radical
Esse novo grupo formado continua sendo um radical tendo um elétron livre. A reação se repete novamente
Resultando em um polímero e aumentando a cadeia
Isso se perpetua até encontrar outro radical e fechar o ciclo
Reação de condensação
Tem esse nome porque um dos subprodutos é água. Ocorrem por ligações carbono heteroátomo, quando carbono não se liga com outro carbono como na reação de adição, mas sim com outro átomo diferente
Por exemplo um éster aromatico que encontra uma uma molécula que tem um grupo hidroxila
Eles reagem formando um poliéster e subproduto água
HTHS - Alta temperatura alta força cisalhante
A especificação SAE correlaciona viscosidade e temperatura entre 40 e 100 graus Celsius, mas existem diversas partes do motor em que essa temperatura quase dobra. Por isso existe uma denominação HTHS (high temperature, high sheer) para determinar comportamento do lubrificante nessas regiões extremas:
O objetivo é manter a viscosidade ideal nesses extremos para que não perca energia por atrito e aumentar eficiência energética. Para isso é preciso óleos de qualidade superior e muitos aditivos
Ácidos - TAN, SAN, AN
Divide-se em dois grupos: Ácidos orgânicos e ácidos minerais que são divididos em fortes e fracos
Ácidos orgânicos são originados da oxidação e ácidos minerais vem de contaminações
Durante a oxidação existem subprodutos ácidos que elevam o nível de
Ácidos fortes no contexto químico são aqueles que se dissociam rapidamente em solução de água
TAN - Total Acid Number SAN - Strong Acid Number AN - Acid Number
Aditivos
Aumentadores de índice de viscosiade (VI Improvers)
Degradam rápidamente com força cisalhante e devem ser pouco utilizados
Boro
Quinto elemento na tabela periódica, ao lado do Carbono, possui diversas propriedades similares.
- Antioxidante no formato de 'borate esters' reagindo com ácidos presentes (?), como na fórmula:
$$ acid + alcohol \rightarrow ester + agua $$ 2. Lubrificantes sólidos de Boron: nitrato de boro - assim como o grafite, boro em estrutura cúbica se assimila com diamante (muito duro e abrasivo) ou estrutura hexagonal (que se assemelha com grafite) 3. Inibidor de corrosão: usado nos fluidos de usinagem pois os sais de boro são solúveis em água 4. Inibidor de micróbios: aumentam o pH do fluido para que vida não cresça na solução 5. Anti desgaste: ácido de boro + dispersant - aparentemente na interface libera cristais de sacrifício para que a superfície não sofra o desgaste
Contaminantes:
- Usado em catalisadores
- Usado em líquido refrigerante e podem acabar entrando em contato com lubrificante
- Ácido bórico: ester + água as vezes podem ir na direção reversa
- Agentes de limpeza industrial (borax)