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Rheologische Untersuchung von Petrochemikalien

Petrochemikalien sind Chemikalien, die aus Erdöl oder Erdgas gewonnen werden. Sie bilden die Grundlage für viele Alltagsprodukte, darunter Kraftstoffe und Öle für Autos, Kunststoffe, Pestizide und Düngemittel, Farben, Waschmittel, Kosmetika, Kerzen und vieles mehr. Tatsächlich wäre es einfacher, Artikel aufzulisten, die keine Petrochemikalien enthalten, als eine umfassende Liste von Produkten aufzustellen, die diese enthalten.

Rheologisches Verhalten von Petrochemikalien

Beim Rohöl kann das Vorkommen von Paraffinen und Asphaltenen in Öltanks und Pipelines zu Problemen in der Produktion, beim Transport und bei der Verarbeitung führen. Feste Niederschläge können Ablagerungen verursachen, die zu Verstopfungen von Anlagenteilen führen können. Der Aufbau fester Komponenten kann auch zu Pumpproblemen führen.

Rohöle enthalten eine Vielzahl leichter und schwerer Kohlenwasserstoffe. Bei Temperaturen über 60 °C halten die leichteren Komponenten die meisten der schwereren in der Lösung, was zu einem Fließverhalten mit vergleichsweise niedrigen Viskositätswerten führt. Mit abnehmender Temperatur sinkt jedoch die Löslichkeit schwerer Komponenten, was zu festen Niederschlägen führen kann. Dieser Effekt wird als „Wachsausfällung“ bezeichnet und kann das Rohöl von einem newtonschen Fluid zu einer Substanz mit Fließgrenze  geprägter Substanz umwandeln, was wiederum die Gefahr der Pfropfenbildung in einer Rohrleitung erhöhen kann. Die Wachsausfällung in Rohölen hängt sowohl von der Zusammensetzung der Öldispersion als auch von den Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Druck ab. Tests bei hohen Temperaturen und Drücken mit einem Rheometer in Kombination mit einer Druckmesszelle geben beispielsweise Aufschluss über die Wirksamkeit von Pfropfen-Inhibitoren unter Transport- und Produktionsbedingungen.

Kraft-, Brenn- und Treibstoffe

Hiermit meinen wir flüssige Kraftstoffe wie Erdöl, Diesel, Benzin, Kerosin usw. Es gibt auch feste Brennstoffe (Kohle, Holz, Mist usw.) und gasförmige Brennstoffe (Erdgase wie Propan, Leuchtgas, Wassergas usw.). Bei flüssigen Kraftstoffen ist neben dem Druck die Temperatur einer der wichtigsten Faktoren, die ihre Konsistenz beeinflussen. So sind beispielsweise Diesel und Benzin je nach klimatischen Bedingungen einem breiten Temperaturbereich ausgesetzt. Um auch bei sehr niedrigen Temperaturen flüssig zu bleiben, muss ihr Gefrierpunkt niedriger sein als die Betriebstemperatur bzw. die Umgebungstemperatur. Im Allgemeinen hat Benzin einen niedrigeren Gefrierpunkt als Dieselkraftstoff. Zur Reduzierung der Wachsausfällung, werden häufig Additive eingesetzt, um die Fließfähigkeit von Kraftstoffen auch bei niedrigen Temperaturen zu verbessern.

Rheologische Untersuchungen an Kraft-, Brenn- und Treibstoffen

Während der Abkühlung gibt es drei Punkte, mit deren Hilfe der Wechsel eines Kraftstoffs vom flüssigen in den festen Zustand bei niedrigen Temperaturen beschrieben wird. Es beginnt mit dem Cloudpoint, an dem der Kraftstoff durch die einsetzende Kristallisation von Wachsen und Paraffinen einzutrüben beginnt. Der Pourpoint beschreibt den Viskositätswert, kurz bevor der Kraftstoff fest wird und schließlich seinen Gefrierpunkt erreicht. Anders ausgedrückt, ist der Pourpoint der Punkt, an dem der Kraftstoff gerade noch Fließeigenschaften aufweist. Dieser Punkt ist von Bedeutung z. B. für den Transport von Kraftstoff in Rohrleitungen sowie für die Verwendung in Autos. Ein Verfahren zur Bestimmung des Pourpoints ist ein Rotationstest bei konstanter Scherrate mit einem Rotationsrheometer.  Mit einem Rotationstest bei abfallender Temperaturen kann entweder der Wendepunkt oder der Knickpunkt, an dem die Viskositätskurve schließlich flacher wird, als Pourpoint bestimmt werden. Beide Punkte können mit einem Analyseprogramm berechnet werden. Daher ist es wichtig, anzugeben, mit welcher Methode der Pourpoint bestimmt wird. Der Pourpoint von Dieselkraftstoffen kann durch die Zugabe von Wachsmodifikatoren beeinflusst werden, von denen die Wachsmoleküle so polarisiert werden, dass sie beim Abkühlen keine größeren Kristalle ausbilden.

Für diesen Test ist ein Rheometer erforderlich, das mit einem Peltier-Temperiersystem für Zylindermesssysteme ausgestattet ist.

Dies ist nur eine der rheologischen Untersuchungen, die typischerweise in der Automobilindustrie eingesetzt werden.

Schmierstoffadditive

Der Hauptzweck eines Schmierstoffs besteht darin, Reibung und Verschleiß zwischen zwei Oberflächen, die sich in Relativbewegung zueinander befinden, durch die Bildung eines tragenden Flüssigkeitsfilms zu reduzieren. Ein Schmierstoff in einem Automobilmotor muss jedoch noch höheren Anforderungen genügen, wie z. B. Stabilität bei hohen Temperaturen, Vermeidung von Oxidation und Korrosion der Metallteile, effektive Abdichtung usw. Daher müssen dem Basisöl mehrere Additive wie Viskositätsmodifikatoren, Verschleißschutzmittel, Hochdruckzusätze, Antioxidantien usw. zugesetzt werden.

Viskositätsmodifikatoren (polymere Strukturen) werden einem Schmierstoff zugesetzt, um Viskositätsänderungen bei wechselnden Temperaturen zu minimieren. Unter idealen Bedingungen muss ein Schmierstoff viskos genug sein, um einen tragenden Flüssigkeitsfilm zu bilden, der die von ihm geschmierten Kontaktflächen trennt. Durch Effizienzverbesserungen (Änderungen der Formulierung) wird dieser Film jedoch immer dünner und ist möglicherweise nicht immer in der Lage, die Oberflächen unter unerwarteten Bedingungen, wie z. B. einem plötzlichen Druckanstieg oder einer Start/Stop-Situation, getrennt zu halten. So sind weitere Additive wie Verschleißschutzmittel und Hochdruckzusätze erforderlich, um die Bildung von Opferoberflächenfilmen auf den beweglichen Metallteilen zu erleichtern. 

Tribologische Untersuchungen an Schmierstoffadditiven

Die Art und Menge der einem Schmierstoff zugesetzten Additive hängt vom Motortyp und vom Anwendungsbereich ab. Die Entwicklung maßgeschneiderter Schmierstoffadditive, der Prozess ihrer Kombination und das Verstehen der entsprechenden Wechselwirkungen sind sehr anspruchsvolle Aufgaben. Diesen Herausforderungen kann man durch tribologische Messungen begegnen. Diese Messungen liefern Informationen zum Gesamtsystem, das aus den Kontaktflächen, dem Schmiermittel sowie den Umgebungsbedingungen besteht. Die Leistung von Schmierstoffen kann bei verschiedenen Kontaktdrücken, Gleitgeschwindigkeiten, Temperaturen und relativen Luftfeuchtigkeiten gemessen werden. So kann die Formulierung modifiziert werden, bis sie für ihren speziellen Zweck geeignet ist.

Für diesen Test ist einRheometer/Tribometer erforderlich, das mit einer Kugel-auf-Drei-Platten-Anordnung ausgestattet ist.

Schmierfette

Kaum eine mechanische Konstruktion oder ein Motor ist in der Lage, ohne Schmieröl oder Schmierfett störungsfrei zu laufen. Mit diesen Stoffen sollen Schäden oder Ausfälle vermieden und Wartungskosten gesenkt werden. Schmierfette werden z.B. in Getrieben, Lagern, Ketten und Führungen eingesetzt. Welches Fett zur Steigerung der Effizienz eines Systems ausgewählt wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der zu erwartenden Lebensdauer oder den Umgebungsbedingungen. Diese Faktoren hängen von den Eigenschaften des Fettes ab, z. B. von der Thixotropie, der Dichte, der Oxidationsstabilität und dem Rostschutz, sowie von einigen spezifischen tribologischen Parametern wie Hochdruckeigenschaften und Belastbarkeit. Von großer Bedeutung ist auch der Pourpoint des Basisöls und dessen Textur.

Weiterhin gibt es noch verschiedene andere Parameter wie Korrosionsbeständigkeit, Langzeitstabilität, Reibungsverhalten usw., die individuell beschrieben werden müssen. Die Auswahlkriterien für Schmierfette sind streng und für die Charakterisierung des Fettes sind Messtechniken auf hohem Niveau erforderlich.

Rheologische Untersuchungen an Schmierfetten

Es ist sehr wichtig, das rheologische Verhalten eines Schmierfetts in einem weiten Temperaturbereich zu messen, um zu zeigen, unter welchen Umgebungsbedingungen es z. B. in der Automobilindustrie eingesetzt werden kann. Die Automobilhersteller benötigen Fette, die auch bei sehr niedrigen Temperaturen bis zu –40 °C eingesetzt werden können. Daher ist es wünschenswert, ein Instrument und Messmethoden zur Verfügung zu haben, um das viskoelastische Verhalten von Fetten in einem sehr weiten Temperaturbereich zu untersuchen. Dies kann mit einem Oszillationsrheometer mit Temperatursteuerungssystem erfolgen. Ein typischer Test ist z. B. ein bei verschiedenen Temperaturen durchgeführter Amplitudentest  mit geregelter Scherdeformation.

Für diesen Test ist ein Rheometer erforderlich, das mit einem Peltier-Temperiersystem ausgestattet ist.

Dies ist nur eine der rheologischen Untersuchungen, die typischerweise in der Automobilindustrie eingesetzt werden.

Tribologische Untersuchungen an Schmierfetten

Während die Rheologie die Eigenschaften eines Materials beschreibt, beschreibt die Tribologie die Eigenschaften eines Systems, das in diesem Fall einen Körper, einen Gegenkörper und dazwischen ein Schmiermittel umfasst. Mit tribologischen Messungen kann z. B. die Losbrechkraft von Fetten in einem bestimmten tribologischen System bestimmt werden. Die Losbrechkraft ist die Kraft, die benötigt wird, um die Haftreibung eines tribologischen Systems zu überwinden und dieses in minimale Bewegung zu versetzen (d.h. im makroskopischen Maßstab). Der Wert des Reibungskoeffizienten unmittelbar vor dem Einsetzen dieser Bewegung entspricht dem Grenzwert der Haftreibung. Dieser Parameter kann von großer Bedeutung in verschiedenen Anwendungen sein: Sitzverstellung im Auto, Gleitführungen, Türen, Schlösser, Angelzubehör usw. Während meistens eine geringe Losbrechkraft erwünscht ist, muss allerdings bedacht werden, dass zur Vermeidung von ungewollten und unwillkürlichen Bewegungen ein gewisser Widerstand notwendig ist. Die genaue Bestimmung der Losbrechkraft erfordert eine hochpräzise Steuerung und Messung der Kräfte und kann mit einem Rheometer mit tribologischem Zubehör erfolgen, das für die Schmierstoffcharakterisierung optimiert ist.

Für diesen Test ist ein  Rheometer/Tribometer erforderlich,das mit einer Kugel-auf-Drei-Platten-Anordnung ausgestattet ist.

Dies ist nur eine der rheologischen Untersuchungen, die typischerweise in der Automobilindustrie eingesetzt werden.

Mineralöle

Rohöl als Mischung von Komponenten ist die Grundlage für eine breite Palette von Produkten wie Lösungsmittel, Mineralöle, Schmierstoffe, Klebstoffe, Harze, Waschmittel, Polymere (Kunststoffe) und Elastomere.

Mineralöle sind auf der ganzen Welt in Form von Kraft-, Brenn- und Treibstoffen und Benzinen zu finden, aber auch als Rohstoff für viele Produkte der chemischen Industrie. Synthetisierte und raffinierte Mineralöle sind in der Automobilindustrie besonders weit verbreitet, beispielsweise Schmieröle zur Optimierung der Leistung von Motoren und Getrieben. Diese Öle sollten während ihrer Lebensdauer verschiedenen Umgebungsbedingungen standhalten, vom Kaltstart des Motors bis hin zu hohen Temperaturen und hohen Drücken unter Betriebsbedingungen. Die Aufgabe von brauchbaren Ölen besteht daher darin, all diese anspruchsvollen Bedingungen zu meistern, ohne die geforderten Eigenschaften zu verlieren.

Rheologische Untersuchungen an Mineralölen

Der Einfluss der Temperatur auf das Fließverhalten von Mineralölen gehört zu den wichtigsten Daten, die mit einem Rheometer bestimmt werden können. Gewöhnlich weisen reine Mineralöle ohne Polymerzusätze idealviskoses newtonsches Fließverhalten auf.

Für diesen Test ist ein Rheometer erforderlich, das mit einem Peltier-Temperiersystem für Zylindermesssysteme ausgestattet ist.