اکسیداسیون

اکسیداسیون غالب ترین واکنش یک روان کننده در خدمت است. مسئول مشکلات روانکار متعددی است – از جمله افزایش ویسکوزیته، لاک زدن، تشکیل لجن و رسوب، کاهش مواد افزودنی، تجزیه روغن پایه ، مسدود شدن فیلتر ، از دست دادن کنترل کف، افزایش تعداد اسید (AN)، تشکیل زنگ زدگی و خوردگی. بنابراین، درک و کنترل اکسیداسیون از اولویت های شیمیدان روان کننده است و برای اطلاعات بیشتر می توانید مقاله شناسایی مراحل اکسیداسیون روغن را مطالعه کنید.

بسیاری از تست‌های فرمولاسیون روغن جدید (مانند ASTM D4310 – تست لجن و اکسیداسیون، تست پایداری اکسیداسیون توربین (TOST) D943 و D4485 – دسته‌های عملکرد روغن موتور) و آزمایش‌های آنالیز روغن (مانند تبدیل فوریه مادون قرمز ( FTIR ) اکسیداسیون ASTM D2412، ولتامتری جاروب خطی (LSV) RULER™ – ASTM 6971، QSAsm و شماره اسید D664) برای مطالعه دشمن این روان کننده استفاده می شود.

شاخص های رایج اکسیداسیون

هر روان کننده با یک روش کنترل اکسیداسیون طراحی شده است. بنابراین فرمول هر روان کننده حاوی آنتی اکسیدان است. این آنتی اکسیدان ها به گونه ای طراحی شده اند که قربانی شوند، به این معنی که قبل از باقی مانده روان کننده ( روغن پایه ) واکنش نشان می دهند یا اکسید می شوند تا محافظت کنند.

این حفاظت تنها مکانیزمی است که روان کننده را از خرابی زودرس نجات می دهد. برای تولید یک روان کننده، شیمیدان باید بداند که چه نوع و چه مقدار از این آنتی اکسیدان ها را در فرمولاسیون ترکیب کند. هر کسی که مصلحت عمر مایع مصرف شده را زیر نظر دارد باید این افزودنی ها را نیز ردیابی کند.

این مقاله اکسیداسیون را با توجه به ابزارهای مورد استفاده برای نظارت بر این مشکل مورد بحث قرار می دهد.

مراحل اکسیداسیون

اکسیداسیون یک سیال هیدروکربنی شامل سه مرحله اساسی است: شروع، انتشار و خاتمه.

با در نظر گرفتن این مراحل، اکسیداسیون را می توان از طریق کنترل یک یا چند مرحله یا فاز مدیریت کرد. این امر با محدود کردن منبع اکسیژن (شروع)، کوتاه کردن تعداد چرخه‌های واکنش (انتشار) یا افزودن روش‌های توقف جایگزین (افزایش خاتمه) به دست می‌آید. تا حدودی، همه این روش ها در فرمولاسیون روان کننده به کار می روند. شروع فرآیند شروع می شود و جلوگیری از اکسیژن اولین خط دفاعی است.

درک اینکه چه چیزی باعث مراحل انتشار می شود نیز می تواند باعث کاهش اکسیداسیون شود. مرحله خاتمه چرخه را متوقف می کند. آنتی اکسیدان ها برای نفوذ به این انتشار و تشکیل رادیکال های پایدار استفاده می شوند، بنابراین چرخه را متوقف می کنند. یکی از موثرترین روش های آزمایش برای درک سلامت مایع، آگاهی از سلامت این آنتی اکسیدان ها است.

شکل 1- تجزیه و تحلیل اکسیداسیون از آزمایش توالی

درجه حرارت

از گرما اغلب برای تسریع فرآیند اکسیداسیون استفاده می شود زیرا دما بر هر واکنشی دو اثر دارد. اولین اثر شامل انرژی فعال سازی است. اگر سیستم حاوی انرژی کافی برای فشار دادن واکنش به آستانه نباشد، هیچ اتفاقی نخواهد افتاد. اثر دوم مربوط به سرعت واکنش است. سرعت یک واکنش (اکسیداسیون) به ازای هر 10 درجه سانتیگراد (18 درجه فارنهایت) افزایش دما تقریباً دو برابر خواهد شد. این بدان معناست که به ازای هر 10 درجه سانتیگراد (18 درجه فارنهایت) افزایش دما، عمر روغن به نصف کاهش می یابد.

آزمایش‌ها اغلب برای مطالعه اکسیداسیون سیال که منجر به افزایش دما یا افزودن یک کاتالیزور شده است، ایجاد می‌شوند. برای راحتی، از این تغییرات “زندگی واقعی” برای انجام آزمایش در بازه زمانی کوتاه‌تر استفاده می‌شود.

استفاده از این روش ها اغلب مفید است. با این حال، داده های به دست آمده همیشه باید به دقت مورد مطالعه قرار گیرند زیرا ممکن است با رفتار سیال در کاربردهای واقعی مطابقت نداشته باشد. مسیرهای واکنش اضافی می توانند به مسیر اصلی تبدیل شوند و محقق را گمراه کنند.

تحلیل و بررسی

اگرچه اکثر روان کننده ها با آنتی اکسیدان ها برای کنترل اکسیداسیون فرموله می شوند، اما نمی توان از تجزیه اجتناب ناپذیر آن جلوگیری کرد. به همین دلیل، آزمایش‌های زیادی برای ارزیابی وضعیت اکسیداسیون روان‌کننده ایجاد شده است. برخی از این آزمایش ها طول عمر بالقوه روان کننده را مطالعه می کنند در حالی که برخی دیگر به نتایج اکسیداسیون می پردازند.

ذخیره اکسیداسیون

هنگامی که یک فرمول روغن طراحی می شود، یک سری آزمایش برای این فرمولاسیون لازم است. صرف نظر از کاربرد نهایی فرمول، سری آزمایشی همیشه شامل چندین آزمایش اکسیداسیون است. نیاز تست اکسیداسیون (زمان، دما، کاتالیزور، اتمسفر و روش های تفسیر) در مورد کاربرد روان کننده طراحی شده است.

در بیشتر موارد، ذخیره اکسیداسیون باقیمانده با آزمایش رفتار روان کننده تحت آزمایش اکسیداسیون اندازه گیری می شود. به عنوان مثال، تست اکسیداسیون مخزن تحت فشار دوار – RPVOT (D2272)، تست اکسیداسیون جهانی (D6514)، تست پایداری روغن توربین – TOST (D943)، تست اکسیداسیون جهانی (D5846) و کالریمتری اسکن تفاضلی فشار – PDSC (D6186) برای مطالعه پتانسیل اکسیداسیون روغن توربین

آزمایش ها در دمای واکنش یا غلظت اکسیژن متفاوت است. یک روان کننده اغلب با چندین مورد از این آزمایش ها برای ارزیابی اثرات دمایی روان کننده اندازه گیری می شود. از آنجایی که یک روان کننده در چندین ناحیه دمایی کار می کند، آزمایش در دماهای مختلف ارزیابی بهتری از کیفیت کلی روان کننده ارائه می دهد.

شکل 2- طیف FTIR یک تست توالی موتور

روش های امتحان

به جز PDSC و RPVOT، روان کننده اکسید شده حاصل از آزمایش فوق نیز با مصرف اکسیداسیون دیگر یا روش تست خاصیت ارزیابی می شود. روان کننده های اکسید شده با آزمایش هایی از جمله عدد پایه، AN، اکسیداسیون FTIR یا تغییر ویسکوزیته تجزیه و تحلیل می شوند. این ارزیابی بیشتر وضعیت اکسیداسیون روان کننده را نشان می دهد.

در بخش خودرو، روان کننده های میل لنگ تحت آزمایشات موتور (D4485) قرار می گیرند که برای ایجاد اکسیداسیون شدید طراحی شده است و روانکار را مجبور می کند به راحتی در مدت زمان کوتاهی اکسید شود. روغن استفاده شده حاصل برای BN، AN، FTIR-اکسیداسیون و ویسکوزیته اندازه گیری می شود تا سرعت و مقدار اکسیداسیون تعیین شود. این آزمایشات موتور مشابه استفاده واقعی است که روانکار می تواند در میدان مورد استفاده قرار گیرد، اما در یک فاصله زمانی کوتاه.

شکل 1 نمونه ای از یکی از این مطالعات آزمایشی را نشان می دهد. اثرات واکنش اسیدها برای کاهش ذخیره پایه، BN، واضح است، در حالی که اکسیداسیون را نمی توان بلافاصله در مناطق FTIR یا ویسکوزیته مشاهده کرد.

مشخصات اکسیداسیون

این نتایج زمانی که پروفیل اکسیداسیون روان کننده را تغییر می دهد، رایج است. همانطور که اکسیداسیون برای روان کننده اتفاق می افتد، آنتی اکسیدان ها را تخلیه می کند و اسیدهای کربوکسیلیک تولید می کند. ذخیره پایه این اسیدهای تولید شده توسط اکسیداسیون را خنثی می کند تا نمک های کربوکسیله شوند. بنابراین، منجر به تخلیه ذخیره پایه می شود. همانطور که قبلاً بحث شد، بسیاری از واکنش‌های استریفیکاسیون و تراکم که باعث افزایش ویسکوزیته می‌شوند، کاتالیز می‌شوند.

ذخیره پایه به جلوگیری از رشد زنجیره و مشکل ویسکوزیته کمک می کند. بنابراین، علاوه بر مشکلات خوردگی اجزای اسید، مهم است که از کاهش بیش از حد BN یا بیش از حد AN جلوگیری شود. واکنش اکسیداسیون استرها و نمک های کربوکسیلات (از خنثی سازی ذخیره پایه) تولید می کند. با این حال، نمک های کربوکسیلات با آنالیزهای اکسیداسیون 2 اندازه گیری نمی شوند، حتی اگر یک محصول اکسیداسیون باشد.

شکل 2 نحوه پیشرفت اکسیداسیون در این آزمایش پیچیده را نشان می دهد. کمترین نمودار (خط) در شکل روی یک نمونه روغن در اوایل آزمایش ایجاد شد. از نمونه های روغن اضافی گرفته شده در طول آزمایش، خطوط بالاتری به طور متوالی تولید می شود.

در شکل 2، اسیدها را می توان در 1715 سانتی متر-1 مشاهده کرد، در حالی که اکسیداسیون نیترات در 1631 سانتی متر-1 و نمک های کربوکسیلات در 1555 سانتی متر-1 است. تمام اجزای موجود در محدوده 1800 تا 1500 سانتی متر-1 اجزای مرتبط با اکسیداسیون هستند.

شکل 3- LSV (D6971) روغن توربین جدید و استفاده شده

حفاظت

اکثر تست‌های تحلیلی که حفاظت از اکسیداسیون را اندازه‌گیری می‌کنند، میزان اکسیداسیون روی روان‌کننده را اندازه‌گیری می‌کنند. ولتامتری روبشی خطی (LSV) (D6971) و FTIR دو آزمایشی هستند که قادر به اندازه گیری غلظت افزودنی(های) آنتی اکسیدانی موجود در روغن برای کنترل اکسیداسیون هستند.

LSV یک کاربرد از ولتامتری رفت و برگشت خطی (LSV) است که از ولتاژ جارو برای اندازه گیری آنتی اکسیدان های آمین و فنلی استفاده می کند (شکل 3). هنگامی که در برابر روغن جدید کالیبره می شود، غلظت آنتی اکسیدان باقی مانده را می توان برای تخمین عمر اکسیداتیو باقی مانده روانکار تعیین کرد.

اطلاعات مشابهی را می توان از FTIR به دست آورد. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، آنتی اکسیدان های فنولی و آمینی در طیف FTIR قابل مشاهده هستند. مانند LSV، منطقه اوج طیف FTIR را می توان برای کمی سازی غلظت آنتی اکسیدان استفاده کرد.

طول عمر باقیمانده روان کننده به دست آمده از هر دو FTIR و LSV را می توان تنها به عنوان درصدی از عمر روغن جدید بیان کرد. تنها در صورتی می‌توان به تعداد ساعت‌های باقی‌مانده روغن مربوط شود که عمر تاریخی روغن بر حسب ساعت مشخص باشد و شرایط کاربرد ثابت مانده باشد. برای سیستم‌هایی مانند روغن‌های توربین که عملیات کنترل شده دارند، می‌توان محدودیت‌های آلودگی را برای درصد عمر مفید تعیین کرد.

شکل 4 – طیف FTIR که آنتی اکسیدان ها را نشان می دهد

پیشرفت اکسیداسیون

یک روش رایج برای مطالعه اکسیداسیون، روند پیشرفت آن است. نتایج اکسیداسیون را می توان با اندازه گیری افزایش تعداد اسید سیال (یا کاهش تعداد باز در روغن موتور ناشی از تشکیل اسیدها)، ویسکوزیته (ناشی از تشکیل محصولات تراکم)، اکسیداسیون کربونیل FTIR ( کتون ها، آلدئیدها، استرها و اسیدهای تشکیل شده از واکنش های اکسیداسیون) و محصولات نامحلول تشکیل می شوند.

اگرچه تست‌های خاصی مانند نامحلول‌های پنتان/تولوئن D893 هم مواد نامحلول سخت و هم نامحلول‌های نرم را اندازه‌گیری می‌کنند، اما استفاده از تست‌هایی مانند نامحلول‌های پنتان توسط فیلتراسیون غشایی D4055، QSAsm3 یا کاغذ صافی تست نقطه‌ای بلاتر نیز می‌تواند میزان محصولات اکسیداسیون را دنبال کند. در مورد اکسیداسیون، اندازه گیری تشکیل محصولات تراکمی که در سیال نامحلول هستند، ردیابی یا نظارت بر اکسیداسیون است.

انجام این روش های مختلف و دنبال کردن نتایج می تواند درک علت اصلی و مکانیسم اکسیداسیون را فراهم کند. به عنوان مثال، اگر اکسیداسیون در دمای پایین رخ دهد، اکسیداسیون قابل توجه FTIR و مقدار کمی از محصولات نامحلول آشکار خواهد شد.

از طرفی دمای بالا می تواند باعث واکنش های تراکم و افزایش محصولات نامحلول شود. بسیاری از فرآیندهای ترک حرارتی (مانند میکرودیزل یا احتراق) باعث اکسیداسیون می شوند، اما نیترات هایی را نیز تولید می کنند که می توان از طریق نیتراسیون FTIR به عنوان پرچمدار فرآیند مشاهده کرد.

سایر آزمایشات کمتر مورد استفاده برای اندازه گیری اکسیداسیون استفاده شده است. امیدوارکننده ترین این روش ها از اندازه گیری قطبیت الکتریکی یا گذردهی سیال استفاده می کند. 5، 6 هر دو بخش واقعی و خیالی اندازه گیری امپدانس حاوی اطلاعاتی در مورد سیال هستند.

بخش های واقعی امپدانس، رسانایی، و بخش خیالی، ضریب گذردهی یا دی الکتریک، هر دو تحت تأثیر تغییر قطبیت سیال هستند. اکسیداسیون منبع اصلی این تغییر در قطبیت روان کننده است. بنابراین، فن‌آوری‌های حسگر جدیدی در حال ظهور هستند که از این اندازه‌گیری‌های مربوط به مقاومت برای ارزیابی کیفیت روغن، در بسیاری از موارد به عنوان اندازه‌گیری بلادرنگ، استفاده می‌کنند.

اگرچه اکسیداسیون برای بیش از 140 سال مورد مطالعه قرار گرفته است، هنوز به طور کامل درک نشده است. شیمی سیال، دمای واکنش و شرایط واکنش در آزمایش‌های آزمایشی در تلاش برای پیش‌بینی رفتار روان‌کننده در حین کار متفاوت است.

آزمایش‌هایی برای اندازه‌گیری ذخیره اکسیداسیون (مقدار حفاظت باقی‌مانده) و پیشرفت اکسیداسیون (میزان اکسیداسیون رخ داده) طراحی شده‌اند. هر دو روش تست مزایای خود را دارند و اثربخشی این تست ها به عملکرد سیال در حال سرویس بستگی دارد. هرچه آزمایش بتواند آنچه را که در حال رخ دادن است اندازه گیری کند، اطلاعات بیشتری در مورد عمر سیال در دسترس است.

درک نحوه مدیریت سیال با مشکل اکسیداسیون می تواند تلاش برای اصلاح این علت اصلی خرابی سیال را افزایش دهد. شیمیدان روانکار باید از ابزارهای اندازه گیری موجود و آنچه ممکن است نشان دهد آگاه باشد. بنابراین، می توان به این منبع خرابی سیال پرداخت و به طور بالقوه کاهش داد.

خوب دوستان گرامی مقاله اکسیداسیون را با هم خواندیم و  امیدواریم که از مطالعه این مقاله به موارد مورد نیار خود دستیافته باشید.

اگر علاقه مند به دستیابی به حداکثر بهره وری در عملیات صنعتی و تولیدی خود و کسب اطلاعات بیشتر در مورد طیف وسیعی از روغن های صنعتی سانا شیمی البرز هستید و یا جهت دریافت قیمت روغن صنعتی توصیه می کنیم با کارشناسان ما در ارتباط باشید.