Estudo Reológico Comparativo entre Óleos Lubrificantes Automotivos Sintéticos E Minerais

Transcrição

1 Estudo Reológico Comparativo entre Óleos Lubrificantes Automotivos Sintéticos E Minerais Arsênio Vasconcelos 1 ; Bruna Guimarães 1 ; Paola Arantes 1 ; Pedro Henrique Silva 1 ; Orlene Silva da Costa 2 1 Graduandos do curso de Química Industrial, UnUCET - UEG. 2 Orientadora, docente do curso de Química Industrial, UnUCET - UEG Resumo: O atrito entre as superfícies de equipamentos mecânicos causa o desgaste desse material, por aumento de temperatura, pressão acima da resistência do material e constante uso do equipamento, diminuindo a eficiência da máquina. Esse desgaste pode ser minimizado com o uso de lubrificantes, aumentando a vida útil das peças móveis da máquina, bem como o desempenho de funcionamento. Os óleos lubrificantes podem ser de origem: 1) Animal ou vegetal (óleos graxos); 2) Derivados de petróleo (óleos minerais); 3) Produzidos em laboratório (óleos sintéticos); ou ainda 4) Mistura de dois ou mais óleos compostos. Sabendo-se que, o aumento da temperatura diminui a viscosidade, diminuindo consequentemente, a sua capacidade de manter-se entre duas peças móveis fazendo a lubrificação de ambas as peças. Considerando-se também, que o tempo de uso contribui para o desgaste e variação nas condições de lubrificação desses óleos. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo comparar dois estudos reológicos distintos, de óleos minerais e sintéticos, para tensões de cisalhamento e viscosidade aparente em função da taxa de deformação, assim como a variação negativa da viscosidade aparente antes e após degradação sofridas por esses óleos lubrificantes automotivos em função da quilometragem rodada. Os estudos reológicos comparativos foram entre: 1) Óleos lubrificantes minerais; 2) Óleo mineral e um sintético. Os resultados indicaram que, todos os óleos lubrificantes analisados, tanto minerais quanto sintético, sofreram redução de viscosidade com o tempo de uso; além disso, os óleos apresentaram comportamento newtoniano, antes e depois de sua degradação. Palavras-Chave: óleos lubrificantes, desgaste, viscosidade. 1

2 1 INTRODUÇÃO Anais do VIII Seminário de Iniciação Científica e V Jornada de Pesquisa e Pós-Graduação Os óleos lubrificantes automotivos são substâncias empregadas para reduzir o atrito entre peças móveis das máquinas, tendo a função de lubrificar; refrigerar; limpar e manter o motor limpo; proteger contra corrosão, desgaste e formação de ácidos no interior do motor; auxiliar na vedação da câmara de combustão, além de aumentar a vida útil. Estes óleos estão sujeitos a inúmeros agentes contaminantes, que promovem o seu desgaste com o tempo (CARRETEIRO, MOURA, 1998; SOUZA, 2000; THALHEIMER, 2008). Os primeiros lubrificantes eram de origem animal, óleos graxos, que devido à modernização da indústria e aperfeiçoamento das máquinas, foram substituídos por óleos com base de origem vegetal, mineral ou sintética. Considerando a base utilizada na formulação dos óleos lubrificantes, eles podem ser classificados como: 1) Minerais; 2) Sintéticos; e 3) Semi-sintéticos. Os óleos lubrificantes de origem mineral, provenientes do refino do petróleo cru, são os mais usados por serem um dos poucos produtos que não são totalmente consumidos durante o seu uso (AZEVEDO, CARVALHO, FONSECA, 2005). Devido ao fato de os óleos lubrificantes serem utilizados em altas temperaturas, causando degradação e mudanças das propriedades. Foram desenvolvidos os óleos lubrificantes sintéticos que podem ser utilizados em elevadas temperaturas sem serem degradados (AZEVEDO et al., 2006). Em geral, os óleos lubrificantes são denominados como API ou SAE, siglas das entidades American Petroleum Institute e Society of Automitive Engineers, respectivamente, que elaboraram normas para classificação dos óleos. A API classifica os níveis de desempenho dos óleos, possuindo duas letras para designar o tipo de combustível utilizado no automóvel e o tipo de desempenho. Por exemplo, se o combustível é gasolina ou diesel, indicam-se os óleos SA e CA, respectivamente, como primeiras letras. A segunda letra indica o tipo de desempenho, e está relacionada ao ano de fabricação do automóvel, como: SA (1945), SJ (1995) e SL (2001). A SAE define as faixas de viscosidade, indicada por um número, que é diretamente proporcional à viscosidade. Estes tipos de óleos possuem três categorias relacionadas à partida do motor dependente do período climatológico: 1) Verão - SAE 20, 30, 40, 50 e 60; 2) Inverno SAE 0W, 5W, 10W, 20W e 25W 2

3 (sendo W = winter); e 3) Multiviscosos - verão e inverno - SAE 20W-40, 20W-50 e 15W-50. A reologia é uma ciência física que estuda a viscosidade, plasticidade, elasticidade e o escoamento da matéria, constituindo-se em um estudo das mudanças na forma e no fluxo de um material, por isso é um dos fatores importantes no estudo de produtos acabados, segundo DANTAS et al. (2004). O objetivo deste trabalho foi comparar dois estudos reológicos, de artigos científicos distintos já publicados, sobre a degradação de óleos lubrificantes automotivos, minerais e sintéticos, antes e após uso, em quilometragem rodada. 2 MATERIAL E MÉTODOS Comparou-se os dados experimentais de ensaios reológicos em óleos lubrificantes automotivos, antes e após o uso, por quilômetros rodados, a partir de dois artigos publicados pelos autores AZEVEDO, CARVALHO e FONSECA (2004) e AZEVEDO et al. (2006). Os artigos foram publicados com os seguintes títulos: 1) Caracterização da degradação de óleos lubrificantes minerais em diferentes quilometragens de uso ; e 2) Propriedades reológicas de óleos lubrificantes minerais e sintéticos com degradação em motor automotivo, respectivamente. As características dos óleos estudados são apresentadas na Tabela 1. Tabela 1 - Características dos óleos lubrificantes minerais e sintético empregados nos ensaios reológicos. Autores do Estudo Reológico AZEVEDO, CARVALHO e FONSECA (2004) AZEVEDO et al. (2006) Lubrificante Denominação Base Aditivos Sintético 1 API SL/CF SAE 10W/40 Parafínica Mineral 1 API SE SAE 40W Parafínica Mineral 1 API SE SAE 40W Parafínica Mineral 2 API CG-4/SJ SAE 15W-40 Parafínica Antidesgaste, antioxidante, detergente/dispersante, reserva alcalina, inibidores de ferrugem e de espuma e aumentador de índice de viscosidade Detergentes, dispersantes, antidesgaste, anticorrosivo, antioxidante e antiespumante. Detergentes, dispersantes, antidesgaste, anticorrosivo, antioxidante e antiespumante. Antidesgaste, antioxidante, detergente/dispersante, inibidores de ferrugem e espuma, melhorador do índice de viscosidade No primeiro artigo, de autoria de AZEVEDO, CARVALHO e FONSECA 3

4 (2004), foram analisados dois óleos lubrificantes, um sintético e o outro mineral. No segundo artigo, de autoria de AZEVEDO et al. (2006), foram também analisados dois óleos lubrificantes, porém desta vez, ambos de natureza mineral. Tanto os óleos minerais, quanto o óleo sintético, foram fabricados por indústrias brasileiras. O estudo reológico de degradação dos óleos automotivos, conduzido por AZEVEDO, CARVALHO e FONSECA (2004), foi realizado com os óleos sintético e mineral, denominados API SL/CF SAE 10W/40 e API SE SAE 40W, respectivamente. O óleo sintético API SL/CF SAE 10W/40 (para inverno) foi analisado após km rodados, e o óleo mineral API SE SAE 40W (mais viscoso e para inverno) foi analisado na quilometragem de km. Já o estudo de degradação conduzido por AZEVEDO et al. (2006), foi realizado com os óleos minerais denominados API SE SAE 40W (mais viscoso e para inverno) e API CG-4/SJ SAE 15W-40 (multiviscoso), sendo o primeiro analisado reologicamente após km rodados, e o segundo óleo foi testado apenas após km de uso. Em ambos os estudos, foram determinadas as viscosidades aparentes dos óleos, não degradados e degradados, empregando-se o viscosímetro da marca Brookfield, modelo RVT, spindle 1, na temperatura ambiente e pressão atmosférica em diferentes taxas de cisalhamento (ou taxa de deformação), conforme informações de AZEVEDO, CARVALHO e FONSECA (2004) e AZEVEDO et al. (2006). O comportamento reológico foi avaliado por meio dos reogramas obtidos das relações: 1) Tensão de cisalhamento em função da taxa de deformação; e 2) Viscosidade aparente em função da taxa de deformação. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 2 apresentada os valores de tensão de cisalhamento ( ), viscosidade aparente ( a ), viscosidade aparente média ( am ), variação da viscosidade aparente ( a), e taxa de deformação (dv/dy) dos ensaios reológicos de três óleos: um sintético e dois minerais, antes e depois da degradação por quilometragem rodada. 4

5 As Figuras 1 e 2 ilustram o perfil das tensões de cisalhamento ( ) e viscosidade aparente ( a ) em função das taxas de deformação (dv/dy), respectivamente. Tabela 2 Parâmetros reológicos dos óleos minerais e sintético, antes e após uso de quilometragem rodada. Autores do Estudo Reológico AZEVEDO, CARVALHO e FONSECA (2004) AZEVEDO et al. (2006) Lubrificante Sintético 1 Mineral 1 Mineral 1 Mineral 2 Denominação API SL/CF SAE 10W/40 API SE SAE 40 W API SE SAE 40 W API CG-4/SJ SAE 15W-40 km Rodado dv/dy (s -1 ) (Pa) a (Pa.s) 0,20 0,05 0,100 0,30 0,08 0,150 0,80 0,17 0,160 1,75 0,32 0,164 3,50 0,68 0,168 7,00 1,40 0,172 0,20 0,05 0,100 0,30 0,08 0,150 0,80 0,17 0,160 1,75 0,30 0,160 3,50 0,62 0,160 7,00 1,30 0,162 0,20 0,05 0,199 0,30 0,10 0,199 0,80 0,25 0,218 1,75 0,30 0,218 3,50 1,00 0,218 7,00 2,00 0,222 0,20 0,05 0,160 0,30 0,10 0,180 0,80 0,20 0,200 1,75 0,45 0,200 3,50 0,90 0,250 7,00 1,75 0,300 0,20 0,05 0,199 0,30 0,10 0,199 0,80 0,25 0,218 1,75 0,30 0,218 3,50 1,00 0,218 7,00 2,00 0,222 0,20 0,05 0,210 0,30 0,10 0,260 0,80 0,20 0,270 1,75 0,50 0,274 3,50 1,00 0,276 7,00 2,00 0,278 0,20 0,02 0,100 0,30 0,05 0,150 0,80 0,15 0,167 1,75 0,28 0,175 3,50 0,62 0,178 7,00 1,25 0,184 0,20 0,02 0,100 0,30 0,05 0,150 0,80 0,15 0,167 1,75 0,34 0,162 3,50 0,60 0,172 7,00 1,18 0,174 am (Pa.s) a (%) 187,83 0,00 149,33-21,00 267,83 0,00 245,25-9,00 267,83 0,00 265,67-0,81 159,33 0,00 159,50-0,10 5

6 (a) (b) Figura 1 Perfis das tensões de cisalhamento em função das taxas de deformação dos óleos sintético e minerais, antes e após uso em motores. (a) Variação de versus dv/dy para óleos novos. (b) Variação de versus dv/dy para óleos usados. Todos os três óleos testados apresentaram comportamento de fluidos newtonianos, com diminuição na resistência de cisalhamento após serem utilizados. Sendo que o óleo Mineral 2, um óleo para motor a diesel, multiviscoso e de desempenho intermediário aos demais, parece ter sua resistência ao cisalhamento diminuída em maior quantidade quando comparada aos demais. Entretanto, o óleo que se manteve mais estável, foi o óleo Mineral 1, um lubrificante empregado em motores a gasolina, para partida a baixas temperaturas e desempenho, sendo o mais viscoso dos três óleos testados, aquele que se manteve mais estável, mesmo após km rodados. 6

7 (a) (b) Figura 2 Perfis das viscosidades aparentes em função das taxas de deformação dos óleos sintético e minerais, antes e após uso em motores. (a) Variação de a versus dv/dy para óleos novos. (b) Variação de a versus dv/dy para óleos usados. Dos três tipos de lubrificantes testados, o óleo que se mostrou mais constante em relação à viscosidade aparente, foi o óleo Mineral 2, um lubrificante para motores a diesel, do tipo multiviscoso e cujo desempenho é intermediário quando comparado aos demais. O óleo Sintético empregado para automóveis movido à gasolina e diesel, partida a frio e dentre os três óleos, aquele de maior desempenho, pouco reduziu sua viscosidade, porém em comparação com os demais lubrificantes, sua viscosidade foi a mais baixa de todos. Por sua vez, o lubrificante Mineral 1, da linha dos multiviscosos, usado em motores à gasolina, com partida a frio, aumentou de forma acentuada sua viscosidade em baixas taxas de deformação, e pouco aumento sua viscosidade em altas taxas de deformação. Observa-se que para baixas taxas de deformação, todos os óleos estudados variam linearmente a sua viscosidade aparente, entretanto para altas taxas de deformação o comportamento não é linear. Talvez este aspecto se deva à determinação da viscosidade aparente ao invés da viscosidade real. 4 CONCLUSÕES Todos os três óleos testados: sintético (óleo usado em motores a gasolina e diesel, para frio e de maior desempenho que os demais), mineral 1 (lubrificante empregado em motores a gasolina, para frio e de menor desempenho em relação aos outros) e mineral 2 (óleo usado em motores a diesel, tanto para frio quanto para 7

8 calor, do tipo multiviscoso e de desempenho intermediário que os demais) apresentaram comportamento newtoniano, antes e depois de usados. O óleo lubrificante da série SAE com numeração maior, consequentemente maior viscosidade, parece manter-se mais estável após o desgaste por quilômetro rodado. Os lubrificantes multiviscosos (Mineral 2) aparentam ser mais constantes em relação à viscosidade aparente antes e após a sua utilização. Porém, em geral, existe uma tendência na diminuição da viscosidade dos óleos em função do tempo de uso. O óleo Sintético, de duplo uso em motores a gasolina e diesel, apresentou menor viscosidade que os óleos minerais estudados, mas também pouco variou em relação a diminuição do grau de viscosidade. O óleo lubrificante Mineral 1 (alta viscosidade) teve uma variação diferenciada em baixas e altas taxas de deformação, onde apresentou um aumento acentuado na viscosidade para baixa taxa de deformação e pouco aumento da viscosidade para elevados perfis de deformação. Embora a viscosidade aparente de todos os óleos tenham se comportado linearmente em relação às baixas taxas de deformação, antes e após o uso. O comportamento não linear para as altas taxas de deformação contraria a classificação do fluido newtoniano. Talvez, este aspecto possa ser atribuído à determinação da viscosidade aparente ao invés da medição da viscosidade real. REFERÊNCIAS AZEVEDO, J. B.; FONSECA, V. M.; LOPES, E. H. O.; CARVALHO, L. H. Caracterização da degradação de óleos lubrificantes minerais em diferentes quilometragens de uso. 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Anais..., Foz do Iguaçu, 2006, p CARRETEIRO, R. P.; MOURA, C. R. S. Lubrificantes e Lubrificação. 2.ed. Rio de Janeiro: Makron Books, p. AZEVEDO, J. B.; CARVALHO, L. H.; FONSECA, V. M. Propriedades reológicas de óleos lubrificantes minerais e sintéticos com degradação em motor automotivo. 3 Congresso Brasileiro de P&D em Petróleo e Gás, Anais... Salvador, DANTAS, H. J. et al. Comportamento reológico de biodiesel de mamona. I Congresso Brasileiro de Mamona Energia e Sustentabilidade, nov., Campina Grande,

9 Disponível em: < Acessado em 02 setembro LOPES, E. H. O et al. Caracterização da degradação de óleos lubrificantes minerais em diferentes quilometragens de uso. Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Anais... Foz do Iguaçú, THALHEIMER, C. A. Programa piloto para minimização dos impactos gerados por resíduos perigosos. Curso de Gestão de Óleo Lubrificante Automotivo Usado outubro, Disponível em: < lubrificante.pdf>. Acessado em: 02 de setembro de SOUZA, M. S. M. Métodos analíticos para lubrificantes e isolantes. Revista Química e Derivados, n.382, Ed. QD, mai