SMEREN  
Maintenance Magazine 153 – september 2021

Oxidatie kan je niet stoppen, wel vertragen

Het samenspel van warmte, zuurstof, druk, UV-licht en metaalpartikels faciliteren de gevreesde vorming en uitbreiding van oxidatie in onze systemen. Helaas kunnen we niet elke factor beheersen om dit te voorkomen, maar u kunt het proces wel vertragen door in te grijpen op het juiste moment.

Sammy Soetaert

In een industrieel proces kunnen smeermiddelen het slachtoffer zijn van meerdere negatieve invloeden. Snel wisselende of extreem hoge of lage temperaturen, de aanwezigheid van zuurstof, verdamping, hot spots en verkeerde of ontbrekende onderhoudsacties hebben een nefaste invloed op de smeerkwaliteit. Dat leidt op zijn beurt tot minder goed lopende processen. Producenten voorzien hun smeermiddelen daarom van allerlei additieven om beter presterende producten te ontwikkelen. Er wordt daarbij een verbetering van meerdere factoren beoogd:

• Minder snelle degradatie;
• Beter EP gedrag (Extreme Pressure);
• Bescherming tegen corrosie;
• Betere verspreiding van het smeermiddel;
• Thermische stabiliteit;
• En tot slot minder oxidatie, waar we vandaag even dieper op ingaan.

Verloop oxidatieproces

Om de oplossing van oxidatieproblemen aan te pakken moeten we eerst even het verloop van dit proces tegen het licht houden. In een eerste fase reageert zuurstof met het smeermiddel, waarbij alkylradicalen gevormd worden. In een volgende stap reageren deze radicalen op hun beurt met zuurstof en het smeermiddel. Dit leidt op zijn beurt tot het ontstaan van peroxyradicalen en hydroperoxiden, waarbij deze laatsten accumuleren in de olie. Er treedt met andere woorden een acceleratie op in het proces, waarbij steeds meer oxidatie optreedt. Tot slot zullen de hydroperoxiden door thermische invloeden en/of de aanwezigheid van metaaldeeltjes, zich opdelen in zeer diverse radicalen en zuurstofhoudende verbindingen. In deze fase worden alcoholen, aldehyden, ketonen en carboxylzuren gevormd. Deze stoffen kunnen op hun beurt weer leiden tot de vorming van nieuwe stoffen, waarbij sommige het oxidatieproces nog versnellen. In beide fases van het proces kan men het oxideren vertragen.

Waarom ingrijpen?

Uit onderzoek blijkt dat de oxidatiesnelheid per temperatuurstijging van ongeveer 10°C verdubbelt. Ook de aanwezigheid van water, UV en slijtmetalen is een faciliterende factor. Als de oxidatie niet onder controle gehouden wordt, zal de aftakeling van het smeermiddel indikking, slib-, varnish- en harsvorming en corrosieve zuren doen ontstaan. Verder hangt de mate van hoogdringendheid van ingrijpen vooral af van de toepassing en de rol van de smering daarin. Bij zuigercompressorolie is een lage oxidatiegraad zowat de belangrijke eigenschap, omdat deze olie blootgesteld wordt aan zware oxidatieve en verdampende omstandigheden in het luchtafvoersysteem, wat kan leiden tot afzettingen. De oliefilm of oliedruppels komen in direct contact met perslucht, bovendien is er de aanwezigheid van metalen oppervlaktes én er is een hoge temperatuur. Vooral de viscositeit kan dan problematisch worden. Bovendien kunnen er oliecokes geproduceerd (koolstofresidu) worden. Ook hydraulische vloeistoffen zijn helaas een ideale omgeving voor thermische en oxidatieve oliedegradatie. Oxidatie kan hier schadelijke zuren en slib doen ontstaan, die op termijn leiden tot lekkages, omdat afdichtingen minder goed gesmeerd worden, en mogelijke systeemstoringen. Belangrijk in dit opzicht is dat een plaatselijke hotspot al genoeg kan zijn om het oxidatieproces te beïnvloeden. Bij reductiekasten zorgt het frequent metaal-op-metaal contact aan hoge snelheden voor de ideale voedingsbodem. Ook hier kunnen de hogere temperaturen leiden tot de vorming van slib en afzettingen. De viscositeit zal eveneens toenemen als gevolg van de degradatie. Slib en afzettingen verhinderen de vlotte passage van olie, bemoeilijken de warmteafvoer en putten de efficiëntie van additieven versneld uit. Slechte oxidatie kan zo de levensduur van olie en de levensduur van de apparatuur verminderen.

Hoe oxidatie meten?

Om de oxidatiestabiliteit na te gaan kunnen meerdere paden bewandeld worden:

• Het meten van de evolutie van de kenmerken van de vloeistof zoals viscositeit, zuurtegraad, additieven depletie, metalenconcentratie van de katalysatoren;
• Nagaan van de zuurtegraad;
• De evaluatie van de corrosie op metaaloppervlaktes;
• De kwantificering en verschijning van onoplosbare materialen afkomstig van oxidatie (afzettingen, slib, varnish);
• Een meting van de drukdaling als aanwijzing voor de inductietijd.

Aanpak bij de wortels: oliekeuze

Een standaardolie bestaat uit meerdere chemische verbindingen, die zelf specifieke eigenschappen bezitten maar ook onderling een zekere invloed uitoefenen op elkaar. Dat leidt voor elke olie tot een specifiek gedragingspatroon. De chemisch/fysische eigenschappen die dit gedrag bepalen zijn onder meer de viscositeit en viscositeitsindex (de relatie tussen temperatuur en viscositeit), soortgelijk gewicht, vluchtigheid, residu, biologische afbreekbaarheid, waterafscheiding, en vlampunt. Om het voor de gebruiker wat overzichtelijk te maken, deelt de API (American Petroleum Institute) olietypes op in vijf hoofdcategorieën, die gebaseerd zijn op zwavel- en verzadigingsconcentraties en de viscositeitsindex. Let wel dat er hier geen logische hiërarchie bestaat tussen de klassen wat betreft hun oxidatie-eigenschappen. Groep I bevat oliën met > 0,03% zwavel en zijn ≤ 90% verzadigd. Deze olietypes hebben een viscositeitsindex tussen 80-120. Oliën van Groep II en III, daarentegen hebben ≤ 0,03% zwavel en ≥ 90% verzadigde vetzuren. Zij verschillen echter van elkaar in hun viscositeitsindex. De viscositeitsindex voor Oliën van Groep II varieert van 80 tot 120, voor oliën van Groep III is ≥ 120. In het algemeen zijn oliën van Groep II, Groep III en Groep IV arm aan aromatische en onverzadigde oliën en daarom oxideren zij langzamer dan oliën van Groep I die een hogere concentratie bevatten. Dergelijke samenstellingen vormen gemakkelijker hydroperoxiden en peroxyradicalen, die tijdens de uitbreidingsfase van het oxidatieproces de motor vormen. Synthetische basisoliën (oliën van groep V) hebben oxidatiesnelheden die sterk variëren omdat zij zeer divers opgebouwd zijn. Alkylaromaten oxideren bijvoorbeeld sneller dan oligomeren van olefinen (PAO’s) die tot groep IV behoren. Ook sommige plantaardige oliën oxideren snel, bij hen is dit door de aanwezigheid van onverzadigde zuren, al kunnen nieuwe synthetische vloeistoffen op biobasis wel volledig verzadigd zijn -en dus minder vatbaar voor oxidatie.

Aanpak in het systeem: twee paden

Als we het proces analyseren, dan weten we ondertussen dat warmte geen oorzaak is, maar een facilitator. Lucht daarentegen is wel een oorzaak. Als we met andere woorden het zuurstofgehalte kunnen beperken en tegelijkertijd de temperatuur beheersen, komen we al een heel eind. In het geval van lucht betekent dit het voorzien van kwalitatieve koppelingen in circulatiesmeersystemen, het werken met kwaliteitslagers met een adequate afdichting, reservoirsystemen die luchtdicht gehouden worden via overdruk, de correcte inzet van filters … De exacte maatregelen hangen uiteraard af van het systeem in kwestie, maar het is duidelijk dat een kwalitatieve opbouw gericht op het vermijden van luchtcontact een absolute basisvereiste is. Wat warmte betreft volstaat het te kijken naar de typische hotspots: waar is er metaal-op-metaal contact en kan er iets gebeuren om dit te verbeteren? Zijn er trillingen of abnormale geluiden waar te nemen in het systeem? Om de verspreiding van vrije radicalen tegen te gaan in de propagatiefase is de toevoeging van additieven aan de smering een goede oplossing. De toegevoegde anti-oxidanten zijn veelal polaire stoffen die zich hechten op metalen oppervlaktes. De resulterende dunne oliefilm bedekt het metalen oppervlak gedurende lange tijd. Omdat het contact met water, zuurstof en zuren verhinderd wordt, ontstaat een zeer goede anti-oxiderende werking. Op deze manier kan het oxidatieproces binnen de perken gehouden worden, alhoewel een complete eliminatie in de meeste gevallen niet mogelijk is. Blijven opvolgen is dus de boodschap, want additieven zullen na verloop van tijd minder efficiënt worden.