The influence of base oil type on the rheological properties of ecological lubricating greases

• Autorzy: Kozdrach Rafał

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2021.02.07

Warianty tytułu

PL

Wpływ rodzaju bazy olejowej na właściwości reologiczne ekologicznych smarów plastycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the results of research on the influence the type of base oil in lubricating compositions has on the rheological parameters of selected lubricants. Vegetable, mineral, and synthetic dispersion phases were used to produce lubricating greases. The modified amorphous silica was used as the dispersed phase. However, as a modifying additive was used a substance containing the antioxidants, corrosion inhibitors, and EP/AW additives. The experiments on rheological properties were carried out using a Physica MCR 101 rotational rheometer (manufactured by Anton Paar), equipped with a diffusion air bearing and connected to a pneumatic supply – an oil-free Jun-Air compressor and air drying block. The device is equipped with a Peltier system for temperature control in the range of –20°C to 200°C and an external thermostatic VISCOTHERM V2 system, working in the temperature range of –20°C to 200°C. The rheometer control and measurement data analysis were performed using Rheoplus software. The tests were carried out using a cone-plate measuring system with a shear rate range of 0.01–100 s-1 at 20°C for lubricating compositions prepared on various oil bases. To evaluate the value of rheological parameters, the results of tests of the dependence between shear stress and shear rate (flow curves) were used. For the theoretical determined on the flow curves, the following rheological models were used: Bingham, Herschel–Bulkley, Casson, and Tscheuschner. The values of the shear stress (yield point) in depending on the type of dispersion phase has changed. This proves that the use of a base oil with the appropriate functional properties does not weaken, but reinforces the spatial structure of a lubricating grease. It has an important meaning when selecting construction parameters when designing a central lubrication system with grease made from a vegetable oil base (Abyssinian oil). The rheological properties of the lubricating grease are influenced by the type of base oil and thickener, any additives in the grease, the production technology of the grease, and the conditions in which it is used. The tests revealed an important influence of the base oil on the rheological parameters that describe the behaviour of lubricating compositions subjected to stresses and strains in a lubricating system.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu rodzaju bazy olejowej kompozycji smarowych na wartości parametrów reologicznych badanych środków smarowych. Do wytworzenia smarów plastycznych zastosowano roślinną, mineralną i syntetyczną fazę dyspergującą. Jako fazę zdyspergowaną wykorzystano modyfikowaną krzemionkę amorficzną. Natomiast jako dodatku modyfikującego użyto substancji zawierającej w swoim składzie przeciwutleniacze, inhibitory korozji oraz dodatki EP/AW. Badania doświadczalne właściwości reologicznych wykonano za pomocą reometru rotacyjnego Physica MCR 101 (prod. Anton Paar), zawierającego dyfuzyjne łożysko powietrzne, podłączone do zasilania pneumatycznego – bezolejowego kompresora Jun-Air oraz bloku osuszającego powietrze. Aparat wyposażony jest w układ Peltiera kontroli temperatury w zakresie od −40 do –200°C oraz w zewnętrzny układ termostatujący Viscotherm V2, pracujący w zakresie temperatur od –20 do –200°C. Sterowanie reometrem oraz analizę danych pomiarowych przeprowadzono za pomocą oprogramowania Rheoplus. Badania wykonywano, stosując układ pomiarowy stożek–płytka, w zakresie szybkości ścinania 0,01–100 s−1 w temperaturze 20°C dla kompozycji smarowych wytworzonych na różnych bazach olejowych. Do oceny wartości parametrów reologicznych wykorzystano wyniki badań zależności naprężenia ścinającego od szybkości ścinania (tzw. krzywe płynięcia). Do teoretycznego wyznaczenia krzywych płynięcia zastosowano następujące modele reologiczne: Binghama, Herschela–Bulkleya, Cassona oraz Tscheuschnera. Wartość naprężenia ścinającego (granicy plastyczności) ulegała zmianie w zależności od rodzaju użytej fazy dyspersyjnej. Dowodzi to, że zastosowanie w smarze bazy olejowej o odpowiednich właściwościach użytkowych nie osłabia, ale wzmacnia jego strukturę przestrzenną. Ma to istotne znaczenie w doborze parametrów konstrukcyjnych przy projektowaniu układu centralnego smarowania z kompozycjami smarnymi na bazie oleju roślinnego. Na właściwości reologiczne smaru plastycznego wpływa zarówno rodzaj oleju bazowego i zagęszczacza, jak i dodatek dodawany do smaru, technologia jego wytwarzania, a także warunki, w jakich smar był stosowany. Przeprowadzone badania wykazały istotny wpływ bazy olejowej na wartości parametrów reologicznych opisujących zachowanie badanych kompozycji smarowych poddanych naprężeniom i odkształceniom w układzie smarowniczym.

Słowa kluczowe

EN

lubricating grease; base oil; rheological properties; flow curve; yield point; rotational rheometer

PL

smar plastyczny; olej bazowy; właściwości reologiczne; krzywa płynięcia; granica płynięcia; reometr rotacyjny

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 77, nr 2
• Strony: 127--135
• Opis fizyczny: Bibliogr. 49 poz.

Twórcy

autor

Kozdrach Rafał

• Łukasiewicz Research Network – The Institute for Sustainable Technologies

Bibliografia

• Adewale F.J., Lucky A.P., Oluwabunmi A.P., Boluwaji E.F., 2017. Selecting the Most Appropriate Model for Rheological Characterization of Synthetic Based Drilling Mud, International Journal of Applied Engineering Research, 12(18): 7614–7629.
• Bartz W.J., 1998. Lubricants and the environment, Tribology International, 31: 35–47. DOI: 10.1016/S0301-679X(98)00006-1.
• Bartz W.J., 2006. Ecotribology: environmentally acceptable tribological practices. Tribology International, 39: 728–733. DOI:10.1016/j.triboint.2005.07.002.
• Beran E., 2008. Experience with evaluating biodegrability of lubricating base oils, Tribology International, 12:1212–1218,https://doi.org/10.1016/j.triboint.2008.03.003
• Casserly E., Langlais T., Springer S.P., Kumar A., 2004. The Effect of Base Oils on Thickening and Physical Properties of Lubricating Greases. Lube: The European Lubricants Industry Magazine –Tech, 115: 1–14.
• Chauhan G., Verma A., Das A., Ojha K., 2018. Rheological studies and optimization of Herschel-Bulkley flow parameters of viscous karaya polymer suspensions using GA and PSO algorithms. Rheologica Acta, 57: 267–285. DOI: 10.1007/s00397-017-1060-x.
• Cousseau T., Graça B.M., Campos A.V., Seabra J.H.O., 2012. Influence of grease rheology on thrust ball bearings friction torque. Tribol. Int., 46: 106–113. DOI: 10.1016/j.triboint.2011.06.010.
• Delgado M.A., Franco J.M., Kuhn E., 2008. Effect of rheological behaviour of lithium greases on the friction process. Ind. Lubr. Tribol., 60:37–45. DOI: 10.1108/00368790810839927.
• Delgado M.A., Sánchez M.C., Valencia C., Franco J.M., Gallegos C., 2005. Relationship among microstructure, rheology and processing of a lithium lubricating grease. Chem. Eng. Res. Des., 83: 1085–1092. DOI: 10.1205/cherd.04311.
• Delgado M.A., Valencia C., Sánchez M.C., Franco J.M., Gallegos C., 2006a. Influence of soap concentration and oil viscosity on the rheology and microstructure of lubricating greases. Ind. Eng. Chem. Res., 45: 1902–1910. DOI: 10.1021/ie050826f.
• Delgado M.A., Valencia C., Sánchez M.C., Franco J.M., Gallegos C., 2006b. Thermorheological behaviour of a lithium lubricating grease. Tribol. Lett., 23: 47–54. DOI: 10.1007/s11249-006-9109-5.
• De Laurentis N., Cann P., Lugt P.M. et al., 2017. The Influence of Base Oil Properties on the Friction Behaviour of Lithium Greases in Rolling/Sliding Concentrated Contacts. Tribology Letters, 65, 128: 1–16. DOI: 10.1007/s11249-017-0908-7.
• Drabik J., Kozdrach R., Wrona M., Iłowska J., 2017. Use of diffusing wave and Raman spectroscopy for evaluation of paraffinic emulsions formed by homogenization. Przemysł Chemiczny, 12: 2544–2549. DOI: 10.15199/62.2017.12.31.
• Drabik J., Trzos M., Kozdrach R., Wrona M., Wolszczak M., Duszyński G., Piątkowski M., 2018a. Modeling and evaluation of properties of lubricants used in the food industry. Przemysł Chemiczny, 12: 2200–2204. DOI: 10.15199/62.2018.12.39.
• Drabik J., Trzos M., Pawelec E., Wrona M., Kozdrach R., Duszyński G., Piątkowski M., 2018b. Badanie właściwości użytkowych ekologicznych smarów wytworzonych na olejowych bazach roślinnych. Przemysł Chemiczny, 12: 2194–2199. DOI: 10.15199/62.2018.12.38.
• Drabik J., Kozdrach R., Wolszczak M., Wrona M., 2018c. The proecological base oils of highly specialized lubricants. Przemysł Chemiczny, 9: 1538–1541. DOI: 10.30678/fjt.84884.
• Duhan N., Sahu J.K., Naik S.N., 2016. Temperature dependent steady and dynamic oscillatory shear rheological characteristics of Indian cow milk (Desi) ghee. Journal of Food Science and Technology, 55(10): 4059–4066. DOI: 10.1007/s13197-018-3332-6.
• Esteban B., Riba J.-R., Baquero G., Rius A., Puig R., 2012. Temperature dependence of density and viscosity of vegetable oils. Biomass Bioenergy, 42: 164–171. DOI: 10.1016/j.biombioe.2012.03.007.
• Feys D., Verhoeven R., De Schutter G., 2007. Evaluation of Time Independent Rheological Models Applicable to Fresh Self-Compacting Concrete. Applied Rheology, 17: 56244-1–56244-10. DOI: 10.1515/arh-2007-0018.
• Fisher D., Jacobs G., Stratmann A., Burghardt G., 2018. Effect of base oil type in grease composition on the lubricating film formation in EHD contacts. Lubricants, 6(2): 32–42. DOI: 10.3390/lubricants6020032
• Florea O., Luca M., Constantinescu A., Florescu D., 2006. The influence of lubricating fluid type on the properties of biodrgradable greases. Journal of Synthetic Lubrication, 19(4): 303–313. DOI: 10.1002/jsl.3000190404.
• Fox N.J., Stachowiak G.W., 2003. Boundary Lubrication Properties of Oxidized Sunflower Oil. Journal of the Society of Tribologistand Lubrication Engineers, 2: 15–20. DOI: 10.1023/B:TRIL.0000015203.08570.82.
• Frigaard I.A., Paso K.G., de Souza Mendes P.R., 2017. Bingham’s model in the oil and gas industry. Rheologica Acta, 56: 259–282. DOI:10.1007/s00397-017-0999-y.
• Gavrilov A.A., Finnikov K.A., Podryabinkin E.V., 2017. Modeling of steady Herschel–Bulkley fluid flow over a sphere. Journal of Engineering Thermophysics, 26(2): 197–215. DOI: 10.1134/S1810232817020060.
• Iłowska J., Chrobak J., Grabowski R., Szmatoła M., Woch J., Szwach I., Drabik J., Trzos M., Kozdrach R., Wrona M., 2018. Designing Lubricating Properties of Vegetable Base Oils. Molecules, 8: 2025–2035. DOI: 10.3390/molecules23082025.
• Jamadar I., Vakharia D., 2016. Correlation of base oil viscosity in grease with vibration severity of damaged rolling bearings. Industrial Lubrication and Tribology, 70(2): 264–272. DOI: 10.1108/ILT-04-2016-0078.
• Jeon Ch.-H., Hodges B.R., 2018. Comparing thixotropic and Herschel–Bulkley parameterizations for continuum models of avalanches and subaqueous debris flows,. Natural Hazards and Earth System Sciences, 18: 303–319. DOI: 10.5194/nhess-18-303-2018.
• Kato N., Komiya H., Kimura A., Kimura H., 1998. Lubrication Life of Biodegradable Greases with Rapeseed Oil Base. Journal of the Society of Tribologist and Lubrication Engineers, 8: 19–25.
• Kavehpour H.P., McKinley G.H., 2004. Tribo-rheometry: from gap-dependent rheology to tribology. Tribol. Lett., 17: 327–335. DOI:10.1023/B:TRIL.0000032471.06795.ea.
• Kozdrach R., 2017. Wpływ montmorylonitu na wartość granicy płynięcia smaru plastycznego wytworzonego na bazie roślinnej. Nafta-Gaz, 9: 698–706. DOI: 10.18668/NG.2017.09.10.
• Kozdrach R., 2018. The influence of dispersed type phase on tribological properties of lubricating greases to form on the linseed oil. NaftaGaz, 6: 471–478. DOI: 10.18668/NG.2018.06.08.
• Kozdrach R., 2020. The influence of montmorillonite content on change the physicochemical properties of lubricating greases produced from vegetable base oil, Nafta-Gaz, no.4:270-278, doi: 10.18668/NG.2020.04.06
• Kozdrach R., Skowroński J., 2018. The Application of Polyvinylpyrrolidone as a Modifier of Tribological Properties of Lubricating Greases Based on Linseed Oil. Journal of Tribology, 6: 06180-1–06180-7.
• Kozdrach R., Skowronski J., 2019. The application of chitosan as a modifier for lubricating greases based on vegetable oil. Tribology in Industry, 3: 212–219.
• Maciel G.F., Dos Santos H.K., Ferreira F.O., 2009. Rheological analysis of water clay compositions in order to investigate mudflows developing in canals. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 31(1): 64–74. DOI: 10.1590/S1678-58782009000100010.
• Martín-Alfonso J.E., Valencia C., Sánchez M.C., Franco J.M., Gallegos C., 2013. The effect of recycled polymer addition on the thermorheological behavior of modified lubricating greases. Polym. Eng. Sci., 53: 818–826. DOI: 10.1002/pen.23327.
• Ojewumi M.E., Oyeyemi K.G., Emetere M.E., Okeniyi J.O., 2018. Data on the rheological behavior of cassava starch paste using different models. Data in Brief, 19: 2163–2177. DOI: 10.1016/j.dib.2018.06.112.
• Pham K.N., Petekidis G., Vlassopoulos D., Egelhaaf S.U., Poon W.C.K., Pusey P.N., 2008. Yielding behavior of repulsion- and attractiondominated colloidal glasses. J. Rheol., 52: 649–676. DOI: 10.1122/1.2838255.
• Sanchez R., Franco J.M., Delgado M.A., Valencia C., Gallegos C., 2009. Development of new green lubricating grease formulations based on cellulosic derivatives and castor oil. Green Chemistry, 11: 686–693. DOI: 10.1039/B820547G.
• Santos P.H.S., Carignano M.A., Campanella O., 2017. Effect of Shear History on Rheology of Time-Dependent Colloidal Silica Gels. Gels, 3(4): 45–54. DOI: 10.3390/gels3040045.
• Siddiqui A.M., Farooq A.A., Rana A., 2015. A Mathematical Model for the Flow of a Casson Fluid due to Metachronal Beating of Cilia in a Tube. The Scientific World Journal, 487819. DOI: 10.1155/2015/487819.
• Singh J., Kumar D., Tandon N., 2018. Rheological and film forming behavior of the developed nanocomposite greases under elastohydrodynamics lubrication regime. J. Tribol., 141: 021804. DOI: 10.1115/1.4041304.
• Solomon M.J., Almusallam A.S., Seefeldt K.F., Somwangthanaroj A., Varadan P., 2001. Rheology of polypropylene/clay hybrid materials. Macromolecules, 34: 1864–1872. DOI: 10.1021/ma001122e.
• Song Y., Zheng Q., Cao Q., 2009. On time-temperature-concentration superposition principle for dynamic rheology of carbon black filled polymers. J. Rheol., 53: 1379–1388. DOI: 10.1122/1.3216923.
• Szmatoła M., Chrobak J., Grabowski R., Iłowska J., Woch J., Szwach I., Semeniuk I., Drabik J., Wrona M., Kozdrach R., Orlińska B., Grymel M., 2018. Spectroscopic Methods in the Evaluation of Modified Vegetable Base Oils from Crambe abyssinica. Molecules, 11: 3243–3255.
• Talon L., Auradou H., Hansen A., 2014. Effective rheology of Bingham fluids in a rough channel. Frontiers in Physics, 2: 1–8. DOI:10.3389/fphy.2014.00024.
• Tuszyński W., Szczerek M., Michalczewski R., Osuch-Słomka E., Rogoś E., Urbański A., 2014. The potential of the application of biodegradable and nontoxic base oils for the formulation of gear oils – model and component scuffing tests. Lubrication Science, 26(5): 327– 346. DOI: 10.1002/ls.1262.
• Venkatesan J., Sankat D.S., Hemalatha K., Yatim Y., 2013. Mathematical Analysis of Casson Fluid Model for Blood Rheology in Stenosed Narrow Arteries. Journal of Applied Mathematics, 11: 1–11. DOI: 10.1155/2013/583809.
• Wyss H.M., Miyazaki K., Mattsson J., Hu Z., Reichman D.R., Weitz D.A., 2007. Strain-rate frequency superposition: a rheological probe of structural relaxation in soft materials. Phys. Rev. Lett., 98: 238303. DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.238303.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).