Gli addensanti come componenti di un grasso lubrificante

Grasso lubrificante in generale

Come si trasporta l'acqua in un colino? Chi non ricorda la domanda del suo professore di fisica alle scuole medie. La risposta attesa e usuale è: sotto forma di ghiaccio. Si cambia quindi lo stato fisico da liquido a solido e si impedisce così all'acqua di passare attraverso il colino. Ma cosa si fa se non si può cambiare la temperatura? Come si riesce a impedire all'acqua di passare attraverso il colino? Senza un ulteriore ausilio, non è possibile. Il compito di questo ausilio è quello di assorbire e trattenere l'acqua. Allo stesso tempo, esso stesso è abbastanza grande e ingombrante da non passare anch'esso attraverso il colino. Per un compito del genere, a chiunque viene subito in mente una spugna.

Cosa c'entra tutto questo con i grassi lubrificanti?

La definizione generale e valida per ogni tipo di grasso lubrificante è: rigonfiamenti di addensanti in olio.

Ciò che qui viene descritto come rigonfiamento è, in senso figurato, una struttura spugnosa, ovvero una rete tridimensionale in grado di immagazzinare liquidi e, a determinate condizioni, anche di rilasciarli nuovamente. Il termine di uso comune nel settore per questo è addensante.

Ogni grasso lubrificante è quindi composto da almeno due, ma nella maggior parte dei casi da tre componenti:

• Addensante
• Olio base
• Additivo

Questo ci riporta alla domanda e a un'affermazione iniziale. Grasso lubrificante!? Non è forse solo olio che non può più fluire via! Questa affermazione l'ho sentita più di una volta da parte di utenti. Che i grassi lubrificanti possano fare molto di più che impedire all'olio di defluire, vorrei illustrarlo con uno sguardo ai diversi tipi di addensanti in questo articolo.

A seconda del tipo di grasso lubrificante e della consistenza richiesta, la percentuale di addensante varia tra circa il 5 e il 25 percento. La componente predominante in termini di quantità è l'olio. Le precedenti concezioni, secondo cui gli addensanti nei grassi lubrificanti servissero solo come struttura di supporto e non avessero effetto lubrificante, sono state riviste. Sia l'olio base che la componente addensante, che devono ovviamente essere armonizzati tra loro, svolgono congiuntamente la funzione lubrificante nei grassi lubrificanti.

I grassi lubrificanti vengono generalmente impiegati al posto dei lubrificanti liquidi quando il loro utilizzo è più vantaggioso per ragioni tecniche o economiche o i lubrificanti liquidi non possono essere utilizzati. Spesso i grassi lubrificanti vengono previsti dove vengono posti rigorosi requisiti in merito al permanere del lubrificante nel punto di attrito o si ricercano lunghi intervalli di rilubrificazione. Il consumo di grassi lubrificanti è nella maggior parte dei casi inferiore a quello dell'olio. I grassi lubrificanti sono anche indispensabili quando è necessario sigillare punti di lubrificazione non sufficientemente protetti dall'ingresso di sporco e acqua. Un ulteriore vantaggio è che i grassi lubrificanti sopportano meglio carichi di cuscinetti a intervalli, smorzano i rumori e presentano una migliore capacità lubrificante rispetto agli oli nel campo dell'attrito limite.

Oltre al punto di vista economico, ci sono quindi una serie di aspetti tecnici che influenzano decisamente le proprietà di un grasso lubrificante già solo con la scelta di un addensante specifico. Dal punto di vista chimico, si può ricorrere a una varietà di addensanti diversi. Una prima distinzione nei grassi lubrificanti viene fatta tra le categorie degli addensanti (metallo) saponosi e degli addensanti non saponosi.

Addensanti a base di sapone metallico

I saponi metallici sono prodotti per saponificazione di sostanze grasse (grassi neutri o acidi grassi) con soluzioni o dispersioni di idrossidi alcalini o alcalino terrosi, come idrossido di litio, idrossido di sodio o idrossido di calcio, come agenti saponificanti. Il termine comprende quindi i prodotti di reazione di un acido organico e di una base. L'uso di una base e di un acido grasso ciascuno produce il sapone semplice o normale.

Se invece di una lisciva se ne usano due e le si fa reagire con un acido, si forma un sapone misto.
La reazione di due acidi grassi con una sola lisciva, invece, produce un sapone complesso.

Ciò che le saponette metalliche hanno in comune è la proprietà che la loro struttura è stabile al calore solo fino a un certo punto. Se vengono riscaldate oltre il cosiddetto punto di gocciolamento, il solvente si scioglie.

Le temperature operative nei cuscinetti o nei punti di attrito costituiscono un criterio importante per la lubrificazione con grasso. La temperatura operativa o di esercizio si genera dal calore d'attrito del cuscinetto stesso (temperatura del cuscinetto) e dall'apporto di calore dall'esterno, in base alle condizioni operative presenti (calore radiante). Viene ridotta dalla dispersione di calore della sede del cuscinetto nell'ambiente circostante.

La temperatura operativa che si stabilizza a regime è di fondamentale importanza per la scelta del grasso lubrificante, poiché la resistenza termica dei diversi tipi di grasso lubrificante varia notevolmente.

I punti di lubrificazione che entrano in contatto con umidità o acqua, o che addirittura vengono innaffiati per garantire il raffreddamento necessario, possono essere lubrificati solo con grassi resistenti all'acqua. Tra questi rientrano, ad esempio, i grassi a base di sapone di calcio, alluminio-complesso o speciali grassi al litio.

Di importanza fondamentale, sebbene indipendente dalle caratteristiche prestazionali, è la pompabilità di un grasso lubrificante. I grassi lubrificanti che non possono essere convogliati al punto di attrito a causa della loro consistenza o struttura, tramite gli attuali dispositivi di alimentazione del grasso, sono spesso inadatti.

I grassi a base di sapone metallico più comuni sono basati su un sapone metallico puro (es. litio, calcio, sodio, ecc.). Accanto a questi esistono, come già detto sopra, anche grassi a base di sapone metallico misto (es. litio-calcio). Questi grassi combinano il vantaggio della buona resistenza all'acqua dei saponi di calcio con l'intervallo di temperatura di esercizio più elevato dei saponi di litio.

I „complessi sapone-sale” che si formano durante la saponificazione dei grassi lubrificanti a base di sapone complesso conferiscono a questi grassi lubrificanti buone proprietà d'uso generali, in primo luogo una migliore stabilità termica. Ma anche la resistenza all'acqua e la stabilità alla lavorazione possono essere migliorate in modo mirato utilizzando saponi complessi come addensanti.

Addensanti non saponosi

I grassi lubrificanti non saponosi contengono sostanze inorganiche o organiche sintetiche come addensanti. Questi vengono utilizzati sia per la produzione di grassi lubrificanti a base di olio minerale che di grassi sintetici. Molte sostanze sono state utilizzate e sperimentate come addensanti non saponosi. Oltre al poliurea, vengono utilizzate silice colloidale, argille modificate o polveri plastiche come il politetrafluoroetilene (PTFE).

I principali tipi di grasso lubrificante con addensanti non a base di sapone, che oggi rivestono un’importanza pratica, sono:

• Gel di silice
• Grasso di bentonite
• Poliureafette

I grassi gelificati sono grassi lubrificanti prodotti con biossido di silicio finemente disperso (silice oleofila) come agente gelificante. Queste silice sono conosciute con vari nomi commerciali, come ad esempio Aerosil.

Tali biossidi di silicio si presentano come polveri amorfe, molto fini e biancastre. Il loro effetto addensante nell'olio minerale, tuttavia, non è molto pronunciato. Un tale sistema è anche tissotropico (si solidifica a riposo, ma diventa di nuovo più fluido per effetto di movimento, scuotimento, agitazione).

I grassi al bentonite sono una famiglia di grassi lubrificanti addensati con argille modificate (anch'esse polveri molto fini e amorfe). Il bentonite stesso è un'argilla pura il cui componente principale è la montmorillonite, un minerale argilloso altamente rigonfiabile (un silicato di alluminio).

Il bentonite allo stato puro è fortemente idrofilo e si gonfia con l'acqua. Da qui deriva anche la denominazione, anch'essa comune, di argilla rigonfiabile.

Solo con derivati organici modificati della montmorillonite come addensanti, in combinazione con appropriati solventi polari e sotto lavorazione meccanica (taglio), è possibile produrre grassi di bentonite che si distinguono per la loro elevata resistenza al carico termico.

I grassi di bentonite non hanno un punto di gocciolamento poiché le strutture silicatiche dell'addensante sono stabili ben oltre la temperatura di decomposizione degli oli addensati.

Di conseguenza, a temperature costantemente elevate non si verificano separazioni di fase con fuoriuscita di olio, ma inevitabilmente la cokefazione dell'olio. Pertanto, a temperature di esercizio elevate (superiori a 150 °C), è particolarmente importante rispettare i tempi di rilubrificazione. Solo in questo modo si può evitare la cokefazione dell'olio minerale e di conseguenza il funzionamento a secco con conseguente distruzione dei cuscinetti.

Uno svantaggio è che i grassi al bentonite sono incompatibili con altri grassi lubrificanti convenzionali (mescolamento per ri-lubrificazione con un tipo diverso) e con molti additivi per grassi lubrificanti comuni.

Le buone miscelazioni spesso portano a un ammorbidimento dei riempimenti di grasso. La scelta di additivi appropriati è molto problematica per lo stesso motivo. In pratica, portanto, in caso di cambio di tipo di grasso, il contatto tra diversi tipi di grasso deve essere evitato pulendo i cuscinetti.

I grassi poliureici contengono derivati polimerici dell'urea come addensanti, che sono chimicamente derivati dall'urea (inglese urea) e quindi portano anche il nome inglese di grassi polireei. Gli addensanti dei grassi polireei vengono sintetizzati per mezzo di metodi della chimica organica. Poiché questi componenti puramente organici non lasciano residui minerali sotto forma di ceneri, i grassi polireei sono anche definiti privi di ceneri.

I derivati dell'urea vengono prodotti dalla reazione di diisocianati con ammine. A causa della tossicità dei diisocianati e delle ammine, la produzione deve avvenire in speciali sistemi chiusi, il che complica il processo di produzione.

I poliureici formano in oli base reti tridimensionali simili a quelle dei saponi, ma più finemente strutturate.

C'è incertezza anche nella combustione di poliuretano, perché i prodotti di decomposizione tossici possono causare inquinamento ambientale.

Le grassi poliureici sono superiori ai grassi ad alta temperatura saponificati con complesso di litio. La stabilità termica del poliurea è maggiore di quella del sapone di litio complesso (punto di gocciolamento > 250 °C). Pertanto, offrono vantaggi in termini di resistenza termica per applicazioni speciali. Sono sempre la scelta migliore quando i grassi complessi al litio convenzionali raggiungono il loro limite di temperatura continua a circa 150 °C. Con grassi poliureici a base sintetica, ad esempio, le temperature di applicazione continua fino a 190 °C possono essere gestite bene.

Altri vantaggi dei grassi a base di poliurea:

• Eccellenti proprietà antiusura e ad alta pressione
• Elevata azione adesiva su partner di attrito metallici
• Ottima resistenza all'acqua
• Ottima protezione dalla corrosione
• Maggiore economicità dovuta a intervalli di lubrificazione prolungati

Confronto tra i punti di gocciolamento:

Conclusione

In sintesi, le proprietà di un grasso lubrificante sono determinate dai componenti principali, l'olio base e l'addensante. L'addensante determina, tra le altre cose, il punto di gocciolamento, il limite di temperatura di esercizio, la resistenza all'acqua e la stabilità alla lavorazione.