Uygulama Notu AN M57

FTIR ile Kullanılmış Yağlama Yağı Analizi:

Genel Bakış

FTIR ile yağ analizi, her tür yağdaki seyreltme, bozulma veya yasa dışı katkı maddelerini tespit etmek için basit bir yöntemdir. 

Fourier-Transform Kızılötesi spektroskopisi, görünmez kızılötesi radyasyon ve maddenin etkileşiminden yararlanır. Bu, değerli moleküler bilgiler sağlar ve sarf malzemeleri veya ek kimyasallar olmadan kimyasalların birkaç saniye içinde tanımlanmasına olanak tanır.

Genel olarak katılarda, sıvılarda ve gazlarda ve tabii ki endüstriyel yağlarda kullanılabilir. Bu yöntem geniş çapta kabul görmüş ve otomotiv endüstrileri, sondaj şirketleri, yasal otoriteler ve hatta F1 yarış etkinliklerinde kullanılmaktadır.

Kullanımdaki yağlama yağları neden test ediliyor?

Yağlayıcının performansını kolayca değerlendirmek için yağların kullanım sırasında test edilmesi ve teşhis edilmesi gereklidir. Bu, özellikle motor ömrünü uzatmak ve motorda ani ve öngörülemeyen hasarları önlemek açısından önemlidir.

Yağlama yağları sürtünmeyi azaltır ve motorun hareketli parçalarını aşınma ve korozyona karşı korur. Dizel motorlarda yağın, tortu oluşumunu önlemek için yakıtın eksik yanmasından kaynaklanan kurum partiküllerini de tutması gerekir.

Yağlayıcı doymuşsa performans önemli ölçüde düşer. Kullanımdaki yağların analizi ayrıca bileşen arızalarını veya zararlı çalışma koşullarını belirlemek için motorla ilgili işlevler hakkında bilgi sağlar.

Yağ analizinde FTIR'ın avantajları

Birincisi, modern Fourier dönüşümü (FTIR) sistemlerinin düşük maliyeti ve yüksek kaliteli verinin hızlı bir şekilde elde edilebilmesi bu tekniği çok çekici hale getirmiştir.

Özellikle rutin analizlerde, hizmet içi yağlayıcının rutin izlenmesinde hızlı sonuçlara yönelik güçlü bir talep vardır. FTIR, çeşitli zaman alıcı ve sıkıcı geleneksel ıslak kimyasal ve fiziksel analiz yöntemlerini kademeli olarak değiştirmeye başlamıştır.

Bu nedenle ASTM, bu alanda FTIR spektroskopisinin artan uygulamasını gösteren "Fourier Dönüşümü Kızılötesi (FTIR) Spektrometresi Kullanılarak Trend Analizi ile Kullanılmış Yağlayıcıların Durum İzlemesi için Standart Uygulama" başlıklı standart bir uygulama E2412'yi benimsemiştir.

Şekil 1: Yağ analizi için donatılmış ALFA II FTIR spektrometresi (solda) ve ölçüm için hazırlanmış otomatik örnekleyici AIM 3300 (sağda).

Şekil 2: Yukarıdaki spektrum, kullanılmış bir yağın yeni bir yağ referansına göre fark spektrumunu göstermektedir. Alanlar (işaretlendiği gibi) bileşiklerin belirlenmesi için kullanılır.

FTIR Spektroskopisinin Olanakları

Şekil 2, kullanılmış yağın FTIR spektrumunda aradığınız bilgiyi tam olarak nerede bulabileceğinize dair bir genel bakıştır. Renkler, örneğin su bantlarının (yaklaşık 3500 cm^-1) veya oksidasyon ürünlerinin (yaklaşık 1700 cm^-1) spektral bölgesini gösterir.

Spektral özellikler de birbirinden açıkça farklı olduğu için kimyasal bilgilerin karışımlarda bile ayırt edilebileceği açıktır.

FTIR'ın uygulanması neden bu kadar basittir?

Tartışıldığı gibi, kullanılmış yağlama yağı, büyük miktarda farklı bileşenlerin karmaşık bir karışımıdır ve baz yağın orijinal formülasyonundan türetilen bileşiklerin yanı sıra katkı maddelerini, yağın bozunma yan ürünlerini ve kirletici maddeleri içerir.

Analizin zorluğu, baz yağ ve katkı maddelerinin varlığında bu içeriklerin düşük konsantrasyonlarını belirlemektir.

FTIR spektroskopisinde (bkz. Şekil 2), yalnızca yağdaki değişiklikleri görüntüleyen bir diferansiyel spektrum elde etmek için baz yağın ve katkı maddelerinin spektrumunu kullanılmış yağ numunesi spektrumundan çıkarabilirsiniz.

Bu şekilde, bozunma yan ürünlerinin birikmesi, katkı maddesi tükenmesi ve kirlenme seviyeleri nedeniyle yağda meydana gelen değişiklikler daha kolay görselleştirilebilmektedir. 

FTIR spektrometrelerinin dijital veri işleme özelliği sayesinde, pek çok referans yağ numunesinin spektrumları basit bir şekilde sabit diskte saklanabilir ve daha sonra ilgili kullanılmış yağ numunesi analiz sonuçlarıyla karşılaştırılabilir.

Bu, yağlayıcının kullanım sırasında farklı numune alma zaman noktalarında durumunun belirlenmesine olanak tanır.

Geleneksel Analiz Yöntemleri

Geleneksel olarak yağlayıcılar, bazen yağlayıcının sıcak bir plaka üzerine yerleştirildiği "cızırdama" testi ile su içeriğinin test edilmesi gibi eski yöntemlerle bile test edilir.

Elbette TAN ve TBN analizi (ASTM D2896 ve D4739), viskozite testleri ve hatta gaz kromatografisi gibi yöntemler daha iyi ve daha güvenilir sonuçlar verir, ancak ek kimyasallar, hazırlık çabası gerektirir veya sadece çok zaman alır.

Bozunma Süreçleri 

Tüm yağlayıcılar kullanım sırasında bozulmaya uğrayacaktır. Petrolün bozunma sürecinde üç sınıf reaksiyon baskındır:

• Oksijen ile Reaksiyon

Organik yağlayıcılar oksijen varlığında yüksek sıcaklık ve basınca maruz kalırlar. Bu kaçınılmaz olarak daha sonra karboksilik asitleri oluşturacak olan karbon oksijen bağlarının oluşumuna yol açar. Yanma sırasında esterler, ketonlar, aldehitler ve karbonatlar veya karbonik asitler gibi çok çeşitli yan ürünler de üretilir.

• Azot ile reaksiyon

Azot ve oksijen, yüksek sıcaklık ve basınçta reaksiyona girerek nitrojen oksitleri (NOX) oluşturur. Bu ürünler, daha yüksek moleküler ağırlıklı bileşiklerin oluşması nedeniyle kalınlaşmaya, asitliğin artmasına ve çamur oluşumuna neden olabilir.

• Kükürt ile Reaksiyon

Sülfat yan ürünleri, yakıtlardaki kükürt içeren bileşiklerin yanma sırasında mevcut olan oksijenle reaksiyonunun bir sonucudur. Yüksek kaliteli yakıtlar çok düşük kükürt içeriği gösterse de ülke ve bölgesel arza bağlı olarak bu bozulma artmaktadır.

Uygulama #1: Yağ Kalitesi Testi

Tüm yağlayıcılar kullanım sırasında bozulmaya uğrayacaktır. Baz yağın bozulmasının en yaygın belirtileri artan oksidasyon ve kayma incelmesidir.

Oksidatif bozunma, yağlayıcının bulunduğu ortamdaki oksijenle reaksiyonlar sonucunda meydana gelir.

Kayma incelmesi, yağlayıcının maruz kaldığı basınç ve sıcaklık koşulları nedeniyle yağın fiziksel olarak parçalanmasıdır.

Yağlayıcının bu ve diğer bozunma süreçleri, mekanik hareketli motor parçaları için yeterli yağlamanın sağlanamamasına neden olur. Bu nedenle yan ürünlerin bozunma seviyelerini değerlendirmeye yönelik test yöntemleri, yağın durumunun belirlenmesinde çok önemlidir.

Uygulama #2: Yakıtla Yağın Seyreltilmesi

Uygun olmayan yakıt-hava oranı nedeniyle piston segmanı aşınması, yakıt sızıntıları veya artık yakıt yağa karışır. Yanma artıkları çoğunlukla yanma ve kaynama noktaları yüksek olan uzun zincirli hidrokarbonlardan oluşurken, yakıt sızıntısı da daha hafif malzemeyi beraberinde getiriyor.

Bu nedenle, her iki durumda da artan yangın tehlikesi potansiyeli, dizel motor yağlarında yakıt varlığının belirlenmesini birincil öneme sahip kılmaktadır. 

Hem dizel yakıt hem de yağlama baz yağı stokları, ham petrolün damıtma kesintilerinden elde edildiğinden, kimyasal bileşim ve fiziksel yapı bakımından çok benzerdirler. Buna rağmen FTIR, güvenilir, hızlı ve basit bir analiz için özel veri setleri sunmaktadır (Şekil 3).

Şekil 3: Yağdaki benzin yakıtının kantitatif tespiti üst spektrumda gösterilmektedir.  Kalibrasyon için bir yağ numunesine %1 (mavi), %2 (kırmızı), %4 (pembe) ve %6 (yeşil) benzin eklenir.

Uygulama #3: Su içeriği

Yakıt ve yağlayıcı kalitesine bağlı olarak, ortalama motordaki çalışma koşulları nedeniyle su, oldukça nadir bir kirletici madde olma eğilimindedir. Ancak mevcut olması soğutma sıvısı (su) sızıntısının göstergesi olabilir.

Su kirliliği, baz yağın oksidasyonunu ve katkı maddelerinin hidrolizini teşvik ederek asit oluşumuna ve artan aşınma ve korozyona neden olur. Suyun varlığı ayrıca yağın jelleşmesine ve yağın viskozitesini etkileyen emülsiyonların oluşmasına neden olarak motor arızasına neden olabilir.

Uygulama #4: Kurum Kontrolü 

Dizel motorlarda zengin yakıt/hava karışımı yakıldığında yakıtın tam yanmaması kurum oluşumuna neden olur. Yağda kurum birikmesi, yanma sorunlarının veya yağın boşaltma süresinin uyarıldığının göstergesi olabilir.

Dizel motor yağlayıcıları, kurum parçacıklarının boyutunu ve büyümesini askıya almak ve kontrol etmek için tasarlanmış dağıtıcılara sahiptir. Seviyeler yağların bunları tutma kapasitesini aşarsa, yağın viskozitesi artar ve karbon çamuru birikerek filtreleri ve geçiş yollarını tıkamaya başlar.

Çözüm

FTIR, tek ölçümle birçok bilgiye ulaşmanızı sağlamakla kalmayıp aynı zamanda prosedürü basitleştiren, güvenilir ve geçerli bir yağ analizi yaklaşımıdır.

Kızılötesi spektrometreler çeşitli şekil ve konfigürasyonlarda mevcuttur ve Bruker, özel bir kullanılmış yağ analiz kiti bile sunmaktadır.

Şekil 4: INVENIO FTIR platformu, rutin analiz görevlerini geliştirmek için daha yüksek hassasiyet ve birçok üretkenlik aracı sunar. Özel bir özellik, ikinci bir numune bölmesi olan geçiş kanalıdır.