Die häufigste Ursache für die Alterung von Ölen und Schmierstoffen ist ihre Oxidation. Dieser Prozess beeinträchtigt unmittelbar die Gebrauchseigenschaften des Schmierstoffs und führt unter anderem zu seiner Verdickung, zur Bildung schädlicher Ablagerungen sowie zum Abbau der Schutzsubstanzen. Das Verständnis des Oxidationsmechanismus und der effektive Umgang mit diesem Phänomen sind zentrale Herausforderungen für die moderne Industrie.
Oxidationsstabilität als entscheidender Stabilitätsfaktor
Die Oxidation eines Schmierstoffs ist ein chemischer Prozess, der zu irreversiblen Veränderungen in seiner Struktur führt, was den Verlust wichtiger physikalisch-chemischer Eigenschaften zur Folge hat.
Die Folge der Oxidation ist ein Anstieg der Viskosität aufgrund der Polymerisation oxidierter Moleküle, die Bildung von organischen Säuren, Lacken und Ablagerungen sowie die Erschöpfung der meisten Additive, was dazu führt, dass das Schmiermittel früher ausgetauscht werden muss. Seine degenerierte Form verursacht einen vorzeitigen Verschleiß der mechanischen Teile.
Die Zersetzung des Öls beginnt mit dem Abbau der darin enthaltenen Antioxidantien. Erst nach deren vollständiger Erschöpfung setzt der eigentliche, rasante Alterungsprozess der Ölbasis ein. Es ist anzumerken, dass ausgewählte synthetische Grundöle von Natur aus eine höhere Oxidationsstabilität aufweisen als Mineralöle. Es ist jedoch zu beachten, dass Faktoren wie Feuchtigkeit, hohe Temperaturen, das Vorhandensein von Metallpartikeln (Katalysatoren), UV-Strahlung und ständiger Sauerstoffzugang diese unerwünschten Vorgänge erheblich beschleunigen.
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Oxidation von Schmierstoffen
Die zerstörerische Oxidation in Ölen und Schmierstoffen verläuft in einem Zyklus aus Initiierung, Propagation, Verzweigung und Termination.
Der Zyklus beginnt in der Initiationsphase, wenn ein Molekül ein oder mehrere Elektronen verliert und reaktive freie Radikale und Peroxide bildet. Ursache hierfür ist der Einfluss externer Energie, wobei die auslösenden Faktoren in der Regel hohe Temperaturen, UV-Strahlung oder mechanische Scherung sind.
Während der Propagationsphase reagieren diese Radikale mit Sauerstoff und vermehren sich, was weitere chemische Veränderungen im Schmiermittel verursacht.
Mit der Verzweigung steigt die Anzahl der reaktiven Formen, was die Verdickung und die Bildung von Ablagerungen beschleunigt, bis das Schmiermittel die Komponenten nicht mehr schützen kann. An diesem Punkt setzt ein rascher Alterungsprozess ein.
Solange der Zyklus nicht beendet wird, setzt sich die Oxidation fort, bis das Öl oder der Schmierstoff praktisch unbrauchbar wird.
Wie lässt sich die Alterung von Schmiermitteln verhindern?
Der Oxidationsprozess lässt sich durch Eingriffe in seine entscheidenden chemischen Phasen kontrollieren. Ein wirksamer Schutz basiert in erster Linie auf der Begrenzung der Initiierung (Isolierung von Sauerstoff und hohen Temperaturen) sowie der Unterbrechung der Ausbreitung (Blockierung der Kettenreaktion).
Ein entscheidendes Mittel im Kampf gegen die Alterung von Ölen sind Oxidationsinhibitoren (Antioxidantien). Dabei handelt es sich um Additive, die die Oxidationsbeständigkeit des Grundöls erhöhen und so die Lebensdauer des Schmiermittels verlängern.
Ihre Wirkung umfasst:
- Umwandlung aggressiver freier Radikale in stabile Formen – Unterbrechung der Oxidationskettenreaktion,
- Schutz des Schmierstoffs – Antioxidantien reagieren wesentlich schneller mit Sauerstoff als die Ölbasis und bewahren so deren Eigenschaften,
- Wechselwirkung mit den übrigen Bestandteilen – in Schmierstoffformulierungen wirken Oxidationsinhibitoren mit anderen Additiven (z. B. AW oder EP) zusammen.
Welche Arten von Antioxidantien gibt es?
Um einen umfassenden Schutz des Schmierstoffs vor Alterung zu gewährleisten, wird die Synergie der Wirkung zweier Arten von Oxidationsinhibitoren genutzt: primäre und sekundäre Antioxidantien.
- Primäre Antioxidantien
Primäre Antioxidantien – häufig aromatische Amine oder Phenole – wirken als Radikalfänger. Sie fangen freie Radikale in der Ausbreitungsphase ab und neutralisieren sie. Sie geben ein Wasserstoffatom an das Radikal ab und wandeln es so in ein stabiles Molekül um. Dadurch verlangsamen sie den Abbauprozess und tragen dazu bei, die Kettenreaktion einzudämmen, die zur Bildung von Ablagerungen und Lacken führt.
- Sekundäre Antioxidantien
Sekundäre Antioxidantien (z. B. Phosphite oder Schwefelverbindungen) haben eine unterstützende Funktion und sind entscheidend für die langfristige Stabilität der Formulierung. Sie reagieren mit instabilen Peroxiden, die als Nebenprodukte der Wirkung von Primärantioxidantien entstehen. Sie unterbrechen den Oxidationszyklus und verhindern den Verzweigungsprozess, was sie für die langfristige Stabilität der Formulierung unverzichtbar macht.
Wichtig ist, dass Sekundärantioxidantien in fortschrittlichen synergistischen Systemen die Moleküle der Primärantioxidantien „auffrischen“ können, wodurch diese ihre Fähigkeit zur Radikalfängerwirkung wiedererlangen. In Schmierstoffformulierungen wirken sie in der Regel über den gesamten Oxidationszyklus hinweg. Gemeinsam erhöhen sie die Oxidationsbeständigkeit des Grundöls und ermöglichen es den Schmierstoffen, bei höheren Temperaturen und über einen längeren Zeitraum zu wirken, als dies ohne sie möglich wäre.
Zur Unterstützung der Haltbarkeit von Schmierstoffen bietet die PCC-Gruppe die Rostabil-Serie an, z. B. Rostabil TDP. Eine Schlüsselrolle spielen dabei organische Phosphorverbindungen. Produkte dieser Serie sind nicht nur für industrielle Schmierstoffe eine gute Lösung, sondern auch für Kunststoffe und Beschichtungen, bei denen die thermische Stabilität ein kritischer Parameter ist.
Prüfung der Oxidationsbeständigkeit von Schmierstoffen
Die Prüfung der Oxidationsbeständigkeit ist ein wichtiger Bestandteil der Bewertung der Haltbarkeit von Schmierstoffen. Eine der anerkanntesten Analysemethoden in diesem Bereich ist der TOST-Test (Turbine Oil Stability Test), der gemäß der Norm ASTM D943 durchgeführt wird.
Die Ölprobe wird einer extremen Beschleunigung der Alterungsprozesse ausgesetzt, indem sie reinem Sauerstoff, hohen Temperaturen und metallischen Katalysatoren ausgesetzt wird. Während der Prüfung wird die Zunahme der Säurezahl gemessen. Diese Zunahme zeugt von einer fortschreitenden chemischen Zersetzung der Ölbestandteile und dem Entstehen saurer Zersetzungsprodukte, die das Ergebnis der Oxidation sind.
Mit dieser Methode lässt sich bestimmen, wie lange ein bestimmtes Schmiermittel seine Schutzeigenschaften beibehält.
