ekol'3a

ASPEKTY EKSPLOATACJI MASZYN

1. Rola inŜynierów-mechaników w kwestiach odpowiedzialności za środowisko

Sukces ma wielu ojców - poraŜka bywa najczęściej sierotą. Ta znana prawda Ŝyciowa odnosi się

równieŜ do zagadnień związanych z zanieczyszczaniem środowiska. JakŜe często moŜna spotkać się
z przekonaniem, Ŝe za skaŜenie środowiska odpowiedzialnymi są energetycy (bo spalają za duŜo
węgla), rolnicy (bo zuŜywają zbyt duŜo nawozów sztucznych i środków ochrony roślin), wielka
chemia, transport samochodowy itp. InŜynier mechanik występujący w roli konstruktora, technologa
czy uŜytkownika maszyn uwaŜa się często niewinnym skaŜenia środowiska. Nie dostrzega on rów-
nieŜ zwykle moŜliwości aktywnego włączenia się w łańcuch ludzi dobrej woli, stawiających sobie
za cel przeciwdziałanie dalszemu procesowi degradacji przyrody.

MoŜna łatwo wykazać jak błędne jest to mniemanie i to zarówno w odniesieniu do mechanika-

konstruktora,  technologa,  czy  uŜytkownika  maszyn.  Istnieje  bowiem  wiele  przykładów  wskazują-
cych na to w jak znaczącym stopniu, właśnie od mechaników, zaleŜy zanieczyszczenie środowiska.
Kompleksowość  zagadnień dotyczących aspektów ekologicznych w konstruowaniu, wytwarzaniu i
uŜytkowaniu  maszyn,  najpełniej  moŜna  prześledzić  na  przykładzie  problematyki  szeroko  pojętego
smarowania, stosowanego zarówno w eksploatacji maszyn jak i przy realizowaniu róŜnego rodzaju
procesów technologicznych. Nie zdajemy sobie bowiem często sprawy z tego, Ŝe w Ŝadnym ze sto-
sowanych  w  technice  procesów  smarowania,  środek  smarowy  nie  podlega  „konsumpcji”,  w  naj-
mniejszym nawet stopniu.

ŚRODKI

SMAROWE

100%

PROCESY

SMAROWANIA

80%

(50%)

ŚRODOWISKO

20%
(50%)

REGENERACJA

SKUP

ODPADÓW

SPALANIE

ENERGIA

Rys. 1.Obieg środków smarowych w procesach smarowania

Odpady w procesach smarowania są nie do uniknięcia, co w sposób schematyczny pokazano na

rys.  1.  Wielkości  podane  w  nawiasach  odpowiadają  średniemu,  światowemu  poziomowi  skupu
przepracowanych środków smarowych, te zaś bez nawiasów - średniej krajowej. Znaczące róŜnice
tych wartości wskazują na to, jaki dystans w tej dziedzinie dzieli Polskę od standardów światowych.
Negatywny wpływ tych odpadów na środowisko nie budzi najmniejszych wątpliwości. Rzecz w tym
aby  być  tego  świadomym  i  uczynić  wszystko
co  moŜliwe  dla  zminimalizowania  negatyw-
nych  skutków  wynikających  z  zanieczyszcze-
nia  środowiska  produktami  ropopochodnymi.
InŜynier  mechanik  -  konstruktor,  technolog
czy  uŜytkownik  maszyn,  świadomy  ekolo-
gicznych  skutków  swojej  zawodowej  działal-
ności,  moŜe  bowiem  dla  środowiska  uczynić
wiele dobrego.

Gospodarka

smarownicza

polskim

przemyśle,  jak  i  podejście  do  tych  kwestii
przez  uŜytkowników  maszyn,  wymaga  pilnej
rewizji i uzdrowienia. Cechuje ją bowiem:
-  duŜe,  ponadnormatywne  zuŜycie  środków

Rys. 2. Bilans sprzedaŜy środków smarowych przez

dolnośląską CPN

wykład nr 3a

z ekologii

25626,1t (83,4%)

smarowych. O rozmiarach tego zuŜycia niech świadczy bilans sprzedaŜy środków smarowych w
roku 1990 przez Dolnośląską CPN, (pokazany na rys. 2.),

- niski poziom pozyskiwania zuŜytych środków smarowych, (trzykrotnie niŜszy w porównaniu do

rozwiniętych krajów Europy Zachodniej)

- zła gospodarka magazynowa i niewłaściwa troska o racjonalne stosowanie środków smarowych i

sposób obchodzenia się nimi,

- niedocenianie roli i potrzeby uzdatniania środków smarowych,
- niski poziom wiedzy i kwalifikacji słuŜb odpowiedzialnych za gospodarkę smarowniczą,
- stosowanie przestarzałych technik smarowania i niechęć do wdraŜania nowoczesnych technologii

w tym zakresie,

- małe rozpowszechnienie roślinnych i syntetycznych - biodegradowalnych środków smarowych.

2. Światowe trendy i statystyki zuŜycia środków smarowych

Rozwój techniki pociąga za sobą zapotrzebowanie na środki smarowe w nowych dziedzinach. O

rozmiarach tego zapotrzebowania niech świadczy globalne zestawienie pokazane w tabeli 1

Tabela 1: Długoterminowa prognoza światowego zapotrzebowania na środki smarowe. (Za bazę

odniesienia przyjęto rok 1998). (Źródło: M. Fuchs, referat wygłoszony w Dreźnie 17.05.2000)

Rok

1998

2010

2020

Grupa

mln. ton

± %

mln. ton

± %

Samochodowe środki

smarowe

21,9

20,9

- 5,0

23,3

+ 6,0

Przem. oleje i smary

10,3

12,0

+17,1

13,9

+35,0

Okrętowe oleje i sm.

1,8

Oleje procesowe

3,8

4,2

+ 10,0

4,5

+20,0

Łącznie

37,8

38,8

+2,8

43,5

+15,0

Pomimo stale wzrastającej liczby pojazdów samochodowych, zmniejszające się w najbliŜszych

latach zapotrzebowanie na samochodowe środki smarowe (-5,0% do roku 2010), będzie wynikiem
upowszechnienia syntetycznych olejów silnikowych, posiadających znacznie lepsze właściwości
eksploatacyjne (niską odparowalność i lepszą trwałość termooksydacyjną) niŜ mineralne oleje silni-
kowe. Prognozowany z kolei w latach 2010-2020 wzrost zapotrzebowania w tej grupie środków
smarowych będzie wynikiem rozwoju gospodarczego krajów trzeciego świata i wzrostem zamoŜno-
ś

ci społeczeństw tych krajów.

Szacuje się, Ŝe na ogólną ilość około 38 mln ton olejów smarowych sprzedawanych rocznie na

wiecie w latach 2000-2001, skupiono zaledwie około 50% przepracowanych środków smarowych.

Jest to wartość średnia, gdyŜ w krajach o niskiej kulturze technicznej, wskaźnik odzysku jest duŜo
mniejszy. Im wyŜszy jest procent pozyskiwania odpadowych produktów smarowniczych, tym więk-
sze jest prawdopodobieństwo racjonalnej ich neutralizacji, a tym samym uwolnienie środowiska od
uciąŜliwego skaŜenia.

Mimo niewątpliwego w latach dziewięćdziesiątych rozwoju przemysłu w Europie Zachodniej i

Ameryce Północnej, wzrost zapotrzebowania na środki smarowe jest zerowy lub co najwyŜej
umiarkowany, o czym świadczą procentowe dane przedstawione w tabl. 2
Region \ Rok

1989 (%) 1994 (%) 2000 (%) Zmiana 1989/2000 (%)

Europa Zachodnia

14,1

13,8

12,4

- 12

Europa Środkowa i Wschodnia

26,3

20,3

21,4

- 18,6

Azja

22,8

28,1

30,7

+ 34,6

Afryka

4,0

4,2

4,1

+ 2,5

Ameryka Północna

23,9

24,9

23,2

- 2,1

Ameryka Południowa

7,5

7,3

6,9

- 8,0

Australia i Oceania

1,4

1,3

- 7,0

Zapotrzebowanie światowe (mln ton)

38,2

36,7

40,0

+ 5,5

Tabl.2. Procentowe zmiany zapotrzebowania na środki smarowe w róŜnych regionach świata (j.w)

Globalny efekt spadku zapotrzebowania na środki smarowe (-5,6%) w latach 94-tych był nie tyl-

ko  wynikiem  załamania  się  systemów  gospodarczych  Europy  Środkowej  i  Wschodniej,  ale  przede
wszystkim  skutkiem  upowszechniania  się  praktyki  skąpego  smarowania,  oraz  wzrostu  jakości sto-
sowanych środków i zwiększonej troski o właściwe ich uzdatnianie. Świadczy o tym tendencja jaką
odnotowuje się w krajach uprzemysłowionych o wysokiej kulturze technicznej (Europa Zachodnia,
Nowa  Zelandia),  do  systematycznie  zmniejszającego  się  zapotrzebowania  na  środki  smarowe  po-
mimo ciągłego wzrostu gospodarczego tych krajów.

Prognozowane zmniejszenie zapotrzebowania na środki smarowe w Europie Zachodniej w naj-

bliŜszym dwudziestoleciu tendencję tą jeszcze utrwala. Świadczą o tym liczby zawarte w poniŜszej
tabeli 3.

Z uwagi na przewidywany w najbliŜszym 20-leciu rozwój gospodarczy krajów trzeciego świata,

prognozuje się jednak wzrost zapotrzebowania na środki smarowe, w skali ogólnoświatowej o oko-
ło 5 milionów ton do roku 2020, czyli o 15 % w stosunku do 1998 roku. W ujęciu asortymentowym
prognozę tę ilustrują liczby podane w tabeli 1.

Tabela 3. Prognozowane zmniejszenie zapotrzebowania na środki smarowe w Europie Zachodniej

w stosunku do roku 1998 (Źródło: M. Fuchs, referat wygłoszony w Dreźnie 17.05.2000)

Rok

1998

2010

2020

Grupa

mln ton mln ton

± %

mln ton

± %

Samochodowe środki

smarowe

2,5

2,1

- 16,6

1,8

- 28,3

Przem. oleje i smary

1,9

1,8

- 5,8

1,7

- 10,4

Oleje procesowe

0,7

0,8

+ 12,6

0,9

+ 24,4

Łącznie

5,0

4,6

- 8,6

4,4

- 12,0

Jeśli idzie o podział środków smarowych z uwagi na ich zastosowanie to około 61% stanowią

oleje silnikowe i smary samochodowe, 23,7% oleje maszynowe, 10,5 oleje przetwarzane i stosowa-
ne w róŜnych procesach wytwórczych, zaś 4,5% oleje technologiczne i stosowane do ochrony przed
korozją

3. Czynniki determinujące ekologiczne konsekwencje działalności inŜyniera-mechanika

W działalności inŜyniera-mechanika, występującego w roli konstruktora, technologa czy uŜyt-

kownika maszyn, moŜna wyróŜnić cztery dziedziny, w których podejmowane przez niego decyzje
będą pociągały za sobą określone ekologiczne konsekwencje zaproponowanych przez niego rozwią-
zań. W przedstawionym poniŜej poglądowym zestawieniu, leŜą one w czterech obszarach:

Ekologiczne konsekwencje decyzji inŜyniera

1. INśYNIERIĘ MATERIAŁOWĄ

- środki smarowe

materiały konstrukcyjne

materiały na uszczelnienia

2. TECHINKĘ SMAROWANIA

- w układach otwartych

w układach zamkniętych

bezobsługowe

moŜliwości recyklingu po złomowaniu

konstrukcja węzłów tarcia i uszczelnień

dobór materiałów konstrukcyjnych

- dobór środków smarowych

wybór techniki smarowania

4. PROCESY UśYTKOWANIA

. KONSTRUKCJĘ MASZYNY

- sposób uŜytkowania maszyn i prowadz

procesów technologicznych

pozyskiwanie odpadów (recycling)

uzdatnianie środków smarowych

- unieszkodliwianie zuŜytych cieczy

eksploatacyjnych i olejów smarowych

są zdeterminowane przez:

Wykład w tej części poświęcony będzie szczegółowemu omówieniu kaŜdej z wymienionych

grup czynników. Postęp w dziedzinie inŜynierii materiałowej odnoszący się tak do materiałów kon-
strukcyjnych  jak  i  środków  smarowych  jest  ogromny.  InŜynierom  brak  często  aktualnej  wiedzy  o
moŜliwościach  jakie  w  tym  zakresie  istnieją.  Asortyment  nowoczesnych  materiałów  konstrukcyj-
nych,  materiałów  na  uszczelnienia,  materiałów  o  własnościach  samosmarujących  rozrasta  się  w
szybkim tempie. Katalogi środków smarowych zawierają tysiące pozycji, oferując wiele dotąd nie-
znanych i doskonałych wyrobów współczesnej chemii tworzonych między innymi z myślą o lepszej
ochronie środowiska. Rozeznanie w tym asortymencie wymaga wręcz stosowania systemów eksper-
towych, które wykorzystując wciąŜ aktualizowaną bazę danych mogą słuŜyć konstruktorom i uŜyt-
kownikom maszyn pomocą przy dokonywaniu właściwych wyborów.

RównieŜ w zakresie technik smarowania, a ściślej mówiąc „filozofii smarowania” zaznaczyły się

w ostatnich dziesięcioleciach znaczące zmiany. Impulsem był, z jednej strony rozwój teorii elasto-
hydrodynamicznego (EHD) smarowania, z drugiej zaś rosnąca świadomość ekologiczna i związane
z nią zaostrzenie przepisów ochrony środowiska. Choć ewidentne są korzyści skąpego smarowania,
napotyka ono nadal na opory przy jego wdraŜaniu.

Często występującym „grzechem" w pracy konstruktorów maszyn jest skupianie całego wysiłku

koncepcyjnego na szukaniu takich rozwiązań technicznych, które by moŜliwie najlepiej realizowały
określone  dla  danej  maszyny  funkcje  z  pominięciem  relacji  maszyna  -środowisko.  O  problemie
smarowania  projektowanych  urządzeń  myśli  się  np.  dopiero  w  końcowej  fazie  rodzenia  się  kon-
strukcji. Na tak daleko zaawansowanym etapie jej powstawania konieczne jest zwykle sięganie po
kompromisowe  rozwiązania,  przekreślające  moŜliwość  zastosowania  optymalnej  techniki  smaro-
wania czy teŜ najlepszych środków smarowych.

Poza mechanikiem-konstruktorem, o środowisku stale powinien pamiętać kaŜdy uŜytkownik ma-

szyn. Od niego bowiem zaleŜeć będzie stosowanie zabiegów uzdatniania, zwiększających trwałość
ś

rodków smarowych, a tym samym zmniejszających ich zuŜycie i ilość odpadów powstających w

procesach smarowania. UŜytkownik decyduje równieŜ najczęściej o poziomie pozyskiwania zuŜy-
tych olejów i neutralizacji cieczy technologicznych, wymagających okresowej wymiany. Dotyczy to
w szczególności emulsji chłodząco-smarujących stosowanych w procesach technologicznych w du-
Ŝ

ych ilościach. W polskich warunkach, wiele do Ŝyczenia pozostawia równieŜ wspomniana juŜ nie-

racjonalna gospodarka smarownicza w przedsiębiorstwach i niski poziom kultury technicznej jaki
występuje przy obchodzeniu się ze środkami smarowymi.

4. Proekologiczna inŜynieria materiałowa

Zbiór tradycyjnych, znanych od stuleci, materiałów konstrukcyjnych z kaŜdym niemal rokiem

powiększa  się  o  nowe  syntetyczne  materiały  i  kompozycje  materiałowe,  będące  wytworem współ-
czesnej  inŜynierii  materiałowej.  Znajdują  one  coraz  szersze  zastosowanie,  między  innymi  z uwagi
na korzystne ich relacje w stosunku do środowiska. Specyficzną grupę materiałów konstrukcyjnych
i  eksploatacyjnych  o  duŜym  potencjale  środowiskowego  zagroŜenia  stanowią  środki  smarowe,  zu-
Ŝ

ywane w ogromnych ilościach zarówno przez przemysł jak i indywidualnych uŜytkowników ma-

szyn. Jak juŜ wspomniano wyŜej, duŜa część tych środków w powaŜnym stopniu zanieczyszcza
ś

rodowisko, stanowiąc jeden z głównych problemów ekologicznych związanych z eksploatacją ma-

szyn.
Najbardziej rozpowszechnione są

smary płynne (oleje smarowe)

Drugą pod względem popularności grupą są

smary plastyczne

W mniejszym stopniu rozpowszechnione są

smary stałe

Najrzadziej stosuje się

smary gazowe

4.1 Oleje smarowe

Zanim przejdziemy do omówienia ekologicznych aspektów stosowania olejów smarowych, hy-

draulicznych czy technologicznych warto sobie przypomnieć o ich istotnych, z technicznego punktu
widzenia, cechach:

Lepkość olejów smarowych jest niewątpliwie podstawowym, technicznym kryterium właści-

wego doboru oleju do spełnienia określonych zadań. Od kilkunastu juŜ lat obowiązuje powszechnie

stosowana na świecie norma ISO 3448, której odpowiada polska norma PN 78/C - 96098, wyodręb-
niająca 18 klas lepkości, oznaczanych kodem literowo-cyfrowym od VG2 do VG1500 (Viscosity
Group), w którym liczba po symbolu literowym określa lepkość kinematyczną oleju w temperaturze
40

C, wyraŜaną mm

/s (cSt).

Pojęcie lepkości wynika z równania napręŜeń „

" ścinających Newtona

τ η

, w którym

„v” jest prędkością cieczy w szczelinie smarnej, „y” wysokością szczeliny, zaś „

” współczynni-

kiem proporcjonalności, zaleŜnym od rodzaju cieczy, zwanym lepkością dynamiczną. Liczbowo jest
to siła statyczna, działająca na jednostkę powierzchni warstewek cieczy, które znajdują się w jed-
nostkowej odległości od siebie i poruszają się względem siebie z prędkością róŜniącą się o jednost-

kę. W układzie SI jednostką lepkości dynamicznej „

” jest paskalosekunda:

1Pa s

N s

⋅ = ⋅

. W

badaniach łoŜysk stosuje się wielkość zwaną lepkością kinematyczną, która jest stosunkiem lepko-

ci dynamicznej do gęstości i wyraŜa się w stokesach;













−

1St

W przypadku olejów silnikowych, stanowiących pod względem tonaŜu najbardziej znaczącą

grupę olejów smarowych, lepkość i właściwości uŜytkowe tej grupy środków smarowych określa się
wg  odrębnych  klasyfikacji  przejętych  z  USA.  Lepkości  dotyczy  klasyfikacja  SAE  J300MAR93
(SAE = Society of Automotiv Engineers), jakości natomiast - klasyfikacja API (API = American Pe-
troleum  Institut).  Wg  tej  pierwszej,  oleje  silnikowe  dzieli  się  na  11  podstawowych  klas,  od  klasy
0W  (oleje  silnikowe  stosowane  w  strefie polarnej, pompowalne przy -35

C) do klasy 60 (oleje do

stosowania w strefie tropikalnej). Do stosowania w naszej strefie klimatycznej zaleca się uŜytkow-
nikom samochodów osobowych uniwersalne, wielosezonowe oleje oznaczane klasą lepkości np.
SAE 10W/40, 5W/50 itp. Olej silnikowy 0W ma lepkość 22 cSt, zaś olej 60 lepkość 320 cSt.

Klasyfikacja jakościowa API dzieli oleje silnikowe na dwa rodzaje:

- S (Service), obejmujący 9 grup, oznaczonych literami SA, SB, ... do SJ - przewidziane dla

sil-

ników benzynowych z zapłonem iskrowym,

- C (Comercial), obejmujący 7 grup, oznaczanych literami CA, CB, ... do CG, -, stosowane do sil-

ników z zapłonem samoczynnym.

Im dalsza litera alfabetu stojąca za literą S lub C, tym wyŜsza jakość oleju silnikowego.

Znane i stosowane są równieŜ inne klasyfikacje jakościowe olejów silnikowych, jak np. europej-

ska ACEA (CCMC) i wojskowa, amerykańska klasyfikacja MIL-L-, a takŜe liczne jakościowe testy
olejów silnikowych, opracowane przez producentów silników np. Mercedes Benz, VW, Volwo,
MAN, Ford i inne.

Odrębną klasyfikację lepkościową SAE J306MAR85, róŜniącą się od klasyfikacji ISO 3448, sto-

suje się równieŜ w odniesieniu do samochodowych olejów przekładniowych. Obejmuje ona 7 klas.
Od klasy 70W dla przekładni pracujących w strefie polarnej (-55

C), do klasy 250, olejów do prze-

kładni pracujących w warunkach tropikalnych (41mm

/s w temp. 100

C).

Poza lepkością waŜną, z technicznego punktu widzenia, właściwością oleju jest zmiana tej lep-

kości wraz ze zmianą temperatury. Jest ona określana liczbowo przez wskaźnik lepkości WL (w li-
teraturze angielskojęzycznej oznaczanym symbolem VI - Viscosity Index). Im większa liczba tego
wskaźnika tym mniejsza zmiana lepkości w funkcji zmian temperatury. Dla nie uszlachetnianych
olejów mineralnych, wartość tego wskaźnika wynosi 70-80, dla powszechnie stosowanych olejów sil-
nikowych 90-130, a dla syntetycznego oleju silikonowego aŜ 500

DuŜy asortyment produktów w kaŜdej z grup olejów technicznych, posiadających ukierunkowane

pod określone zastosowania własności, jak i nowe techniki smarowania dają współczesnym kon-
struktorom moŜliwości kształtowania węzłów tarcia w sposób odbiegający od znanych z przeszłości
standardów. Rozpatrując proces smarowania w aspekcie ekologicznym waŜne są równieŜ, poza
właściwościami technicznymi środków smarowych, ich toksyczność dla człowieka i dla środowiska,

rakotwórczość i mutagenność oraz cecha, na którą zwraca się coraz większą uwagę, zwaną biode-
gradowalnością.

Biodegradowalność jest najwaŜniejszą, z punktu widzenia ochrony środowiska właściwością

oleju  technicznego.  Cechą  tą  moŜna  najogólniej  określić  zdolność  oleju  (związków  chemicznych)
do  rozkładu  w  obecności  tlenu  na  dwutlenek  węgla  i  wodę  w  wyniku  aktywności  mikroorgani-
zmów. NaleŜy w tym miejscu zwrócić uwagę na to, Ŝe pojęcia „biodegradowalny” i „nietoksyczny”
nie  są  równowaŜne.  Środek  nietoksyczny  nie  zawsze  jest  biodegradowalny  (np.  tzw.  olej  biały),
podczas gdy środek toksyczny moŜe być biodegradowalny.

Znanych i stosowanych jest na świecie kilka testów oceny biodegradowalności. NajwaŜniejsze z

nich zebrano w tabeli 4. Metoda CEC-L33-A-93 (dawniejsza CEC-L33-T-82) jest najstarsza i naj-
bardziej rozpowszechniona. Powstała w latach 1976-79 w Szwajcarii i miała początkowo charakter
lokalny,  jako  certyfikat  wymagany  od  olejów  silnikowych  stosowanych  no  napędu  łodzi  motoro-
wych i taboru pływającego po Jeziorze Bodeńskim (RFN). Doskonalona na przestrzeni lat, przyjęta
została jako ogólnie obowiązująca w większości krajów europejskich. W roku 1993 badania biode-
gradowalności olejów metodą CEC-L-33-A-93 wdroŜono równieŜ w Instytucie Technologii Nafty w
Krakowie. Badania tą metodą pozwalają na określenie biodegradacji środka smarowego w środowi-
sku  wodnym,  bez  względu  na  to  czy  środek  ten  jest  rozpuszczalny  w  wodzie  czy  teŜ  nie.  Badana
próbka ulega rozkładowi biologicznemu w obecności mikroorganizmów pochodzących z miejskich
oczyszczalni  ścieków  i  odpowiedniej  poŜywki.  Oznaczenie  stopnia  rozkładu  polega  na  pomiarze,
metodą analizy w podczerwieni, stęŜenia węglowodorów badanej próbki na starcie i po upływie 21
dni. W trakcie trwania testu, roztwór badanej próbki wraz z poŜywką i odpowiednią dawką mikro-
organizmów poddawany jest wytrząsaniu w ciemności. Równolegle, w tych samych warunkach, ba-
daniu poddawane są dwie substancje kalibracyjne, odpowiadające niskiemu i wysokiemu stopniowi
biodegradacji. Substancją kalibracyjną na niski stopień biodegradacji jest olej biały, ulegający roz-
kładowi w 25-40%, zaś na stopień wysoki - związek chemiczny o nazwie adypinian-di-izotridecylu,
rozkładający się w czasie 21 dniowej próby w 75-95%. Oznaczenie biodegradacji w/w. metodą jest
powszechnie  stosowane,  zarówno  dla  cieczy  bazowych,  dodatków jak i finalnych produktów sma-
rowych.

Tabela 4: Testy biodegradowalności

L.p.

Test

Szczepionka

czas

[dni]

Rodzaj analizy

CEC-L-33-A-93

bakterie z oczyszczalni ście-

ków

analiza w podczerwieni

Closed Bottle

(OECD 301D,

EPA 796.3200)

bakterie ze ścieków komu-

nalnych

zanik tlenu O

(zapotrze-

bowanie na tlen)

(OECD 301E,

EPA 796.3240)

jw.

oznaczenie organicznego

węgla

STURM (OECD 301B,

EPA796.3260)

bakterie z oczyszczalni ście-

ków

ilość powstałego CO2

Zmodyfikowany test

MITI (OECD 301C)

osady kanalizacyjne z 10-ciu

osadników

zanik tlenu O2

AFNOR (Francja)

bakterie z oczyszczalni ście-

ków

oznaczenie organicznego

węgla

OECD - Organization for Economic Cooperation and Development
CEC - Coordinating European Council for Development of Performance Tests for Lubricants and Engine Fuels

Wiele krajów wprowadziło specjalne znaki graficzne np. „Niebieskiego Anioła” (w Niemczech)

lub  „Nordyckiego  Łabędzia”  (w  krajach  skandynawskich),  wyróŜniające  biodegradowalne  środki
smarowe,  które  spełniają  określone  środowiskowe  wymagania.  niezbędne  dla  przyznania  znaku.
Aby  środek  smarowy  mógł  uzyskać  znak  "Niebieskiego  Anioła",  to  rozkład  biologiczny  w  teście
CEC-L-33-A-93  lub  mu  podobnych  jak  STURM,  MITI,  czy  AFNOR,  musi  wynosić  co  najmniej
80%. Przykłady stopnia rozkładu biologicznego niektórych środków smarowych pokazano na rys. 3.

4.2 Toksyczność środków smarowych

Określa się ją powszechnie w czterostopniowej skali ich szkodliwości dla wody. Za podstawę

przy opracowywaniu europejskiego systemu klasyfikacji surowców i finalnych produktów smaro-
wych pod kątem ich toksyczności przyjęto niemiecką normę, która rozróŜnia cztery klasy WKG
(Wassergefährdungsklasse) szkodliwości środków smarowych dla wody:

WGK 0 - środek ogólnie nie zagraŜający wodom, WGK 1 - słabo zagraŜający wodom

WGK 2 - zagraŜający wodom,

WGK 3 - mocno zagraŜający wodom.

Rys. 3. Biodegradowalność róŜnych gatunków oleju określana metodą CEC-L-33-A-93

W literaturze angielskojęzycznej występują aŜ trzy oznaczenia, będące odpowiednikami klasyfi-

kacji WGK: WHL (Water Hazard Levels), WHC (Water Hazard Classes), a takŜe WPC (Water Po-
lution Classes). Oznaczenia te naleŜy traktować jako synonimy.

Przypisanie produktom określonej klasy WGK nie jest wynikiem jednego testu, lecz podsumo-

waniem aŜ trzech oznaczeń:

- testu toksyczności dla ssaków

- testu toksyczności dla ryb,

- testu toksyczności dla bakterii.

KaŜdy test kończy się określonym wynikiem liczbowym, który w języku polskim moŜna by na-

zwać „liczbą szkodliwości” (LS), co odpowiadałoby niemieckiej nazwie „Wassergefährdungszahl”
(WGZ), czy angielskiej AN (assesment number). Wypadkowa liczba szkodliwości jest średnią aryt-
metyczną wyników trzech w/w., niezaleŜnych testów toksyczności, które podaje się w określonych
granicach liczbowych (p. tabela 5)
Tabela 5.: Testy toksyczności stanowiące podstawę do obliczania liczby szkodliwości LS

Badana cecha

metoda badań

Liczba szkodliwości LS

1. Toksyczność dla ryb

OECD 203

LS1 = 1,9 - 6

2. Toksyczność dla bakterii

DIN 38412 L8

LS2 = 1,9 - 6

3. Toksyczność dla ssaków lub

dafni - oznaczenie LD50

OECD 401

LS3 = 1 - 7

Tabela 6.: Określenie klasy WGK na podstawie liczb szkodliwości

Liczba szkodli-

wości

<1,9

2 - 3,9

4 - 5,9

≥

Klasa WGK

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

w g t e s t u C E C -
L - 3 3 - A - 9 3

olej olej

polietyleno- estry

oleje

mineralny wazelinowy glikole syntetyczne roślinne

Wypadkowa liczba szkodliwości obliczana jest ze wzoru: LS = (LS

+LS

)/3, jest ona śred-

nią arytmetyczną wyników uzyskanych w trzech w/w. testach (tabela 6).

Aby produkt mógł uzyskać certyfikat Niebieskiego Anioła, klasa jego toksyczności nie moŜe

przekraczać wartości LS odpowiadających „0” lub „1-wszej” klasie WGK. W Polsce testy ekotok-
syczne, dotyczące szkodliwości produktów smarowych dla bakterii, skorupiaków i ryb są wykony-
wane wybiórczo przez róŜne jednostki badawcze, zajmujące się ochroną lub inŜynierią środowiska -
brak jednak jak dotąd informacji o tym, Ŝe w kraju prowadzi się kompleksowe badania na określe-
nie klasy toksyczności WGK.

4.3 Rakotwórczość (kancerogenność) i mutagenność środków smarowych

Wywołują ją w środkach smarowych między innymi wielopierścieniowe węglowodory aroma-

tyczne (WWA, np. fluoren C

, piren C

, benzopiren C

), zawarte zwykle w olejach mi-

neralnych, stanowiących 80% stosowanych w świecie produktów smarowych. Udział WWA w mi-
neralnych olejach smarowych jest uzaleŜniony od sposobu rafinacji ropy naftowej, z której wytwa-
rzane są te oleje. Zjawisko oddziaływania rakotwórczego jest przedmiotem powaŜnych badań, pro-
wadzonych zarówno przez producentów olejów bazowych jak i organizację IARC (Międzynarodo-
wa Organizacja Badań Raka), będąca agendą Naczelnej Organizacji Zdrowia przy ONZ.

Sposób rafinacji olejów bazowych zaleŜy od rafinerii i moŜliwości technicznych posiadanej instalacji.

W Polsce najstarsze technologie w tym zakresie reprezentują rafinerie rozlokowane na południu kraju.
Bardziej nowoczesne instalacje posiada rafineria w Płocku i Gdańsku. Oprócz sposobu rafinacji, istotny
wpływ na zawartość WWA w produktach finalnych ma takŜe pochodzenie ropy naftowej.

Dla określenia kancerogenności i mutagenności środków smarowych, przeprowadza się kosz-

towne i długotrwałe testy, które podzielić moŜna na dwie grupy:
- Testy in-vivo prowadzone na Ŝywych ssakach, w dłuŜszym okresie (nawet do dwóch lat) przeby-

wających w kontakcie z badanym produktem smarowym. Testy te pozwalają określić całość zja-
wisk hormonalnych i immunologicznych zachodzących w organizmie zwierząt doświadczalnych
(najczęściej myszy).

- Testy in-vitro przeprowadzane na wyizolowanych kulturach komórek ssaków lub na koloniach

bakterii, na poziomie biologiczno-molekularnym.

Frakcja olejowa

Rakotw. w

WWA w

% masy

Frakcje olejowe nierafinowane
destylowany ekstrakt aromatyczny

17,0

19,0

lekki destylat parafinowy

10,0

12,0

mieszanina cięŜkich destylatów naftenowych

4,1

Frakcje olejowe po rafinacji metodą Edeleanu
ekstrahowany destylat parafinowy, rafin. SO2 i benzenem

2,4

3,1

destylat naftenowy rafinowany SO2

0,7

destylat naftenowy rafin. SO2 i ziemią odbarwiającą

0,2

Frakcje olejowe po selektywnej rafinacji rozpuszczalnikowej
destylat naftenowy rafinowany furfurolem

0,7

destylat parafinowy średnio rafinowany furfurolem

0,6

olej biały (techniczny i medyczny)

0,3

Frakcje olejowe po hydrorafinacji
hydrorafinowany ekstrakt oleju maszynowego

9,7

9,1

hydrorafinowany, neutralizowany destylat naftenowy

4,0

3,1

hydrorafinowany olej parafinowy o niskim WL

6,5

5,2

Frakcja olejowa po rafinacji ziemią odbarwiającą
destylat naftenowy, rafinowany ziemią odbarwiającą

9,1

Tabela 7.

Wpływ procesów rafinacji na zawartość WWA, rakotwórczość i mutagenność produktów smarowych

Na podstawie wyników takich testów moŜna udowodnić matematyczną zaleŜność (korelację)

między  zawartością  WWA  w  oleju,  a  jego  mutagennością  oraz  potencjalną  rakotwórczością.
Współczynnik  korelacji  między  indeksem  mutagenności  (IM)  a  zawartością  WWA  wynosi  0,974,
zaś  w  przypadku  skórnej  rakotwórczości  0,862.  Zamieszczona  wyŜej  tabela 7, ilustruje wyraziście
wpływ WWA na rozwój choroby nowotworowej i zakłócenia w przekazywaniu kodu genetycznego.

Poza WWA, działanie rakotwórcze wykazują niektóre dodatki wchodzące w skład środków sma-

rowych. W badaniach emulsji chłodząco-smarujących wykryto np., Ŝe związkami takimi są róŜnego
typu azotyny, stosowane jako emulgatory i substancje stabilizujące. Są one nie tylko rakotwórcze ale
równieŜ nierozkładalne biologicznie co powoduje ich akumulowanie się w glebie i wodzie, a następ-
nie w organizmach Ŝywych.

Na listę rakotwórczych związków wciągnięto ostatnio w USA równieŜ związki baru, często do-

tąd  stosowane  jako  mydła  zagęszczające  w  produkcji  wysokogatunkowych  smarów  plastycznych,
sporządzanych  na  bazie  olejów  syntetycznych.  Przepisy  odnoszące  się  do  eliminowania  kancero-
gennych  składników  z  produktów  smarowych,  obowiązujące  w  USA,  zablokowały  np.  tamtejszy
rynek dla powszechnie stosowanych i wysoko cenionych smarów plastycznych z rodziny ISOFLEX,
produkowanych przez znaną firmę Klüber Lubrication (RFN). Aby ratować swoją egzystencję, fir-
ma  ta  musiała  w  krótkim  czasie  opracować  zastępcze  receptury  tych  smarów,  ale  juŜ  bez  udziału
mydeł barowych.

Dla polepszenia właściwości uŜytkowych współczesnych olejów technicznych i smarów pla-

stycznych,  dodaje  się  do  nich,  obok  składnika  podstawowego,  jakim  jest  zwykle  olej  mineralny,
syntetyczny  lub naturalny szereg dodatków uszlachetniających. Niektóre z nich są powaŜnym bez-
pośrednim zagroŜeniem dla człowieka (alergie, nowotwory skóry, podraŜnienia oczu itp.), a pośred-
nio równieŜ dla środowiska z powodu długiego okresu biologicznego rozkładu i akumulacji w śro-
dowisku.  W  wielu  krajach  obowiązuje  np.  przestrzeganie  zakazu  stosowania  do  uszlachetniania
ś

rodków smarowych związków chloru i fosforu, formaldehydu, wspomnianych juŜ azotynów i

związków baru.

4.4. Polichlorowane bifenyle (PCB) jeden z globalnych, współczesnych problemów ekologicz-

nych świata

PCB jest związkiem chemicznym, który na skalę techniczną został zsyntetyzowany w USA w

1929 roku jako odporna chemicznie ciecz niepalna o duŜej trwałości oraz bardzo dobrych i stabil-
nych  właściwościach  dielektrycznych.  Produkowana  w  znacznych  ilościach  w  latach  1950-1970,
była  szeroko  stosowana  jako  podstawowy  komponent  cieczy izolacyjnych do napełniania transfor-
matorów  i  kondensatorów,  jako  płyn  hydrauliczny  i  plastyfikator  do  tworzyw  sztucznych,  a  nawet
jako dodatek do farb i lakierów, środków konserwujących i impregnujących. W handlu PCB wystę-
powały pod róŜnymi nazwami: Aroclor, Ascarel (USA), Clophen (Niemcy), Sovlo (ZSRR), Ka-
nechlor (Japonia), Fenclor (Włochy), Phenoclor, Pyralene (Francja), Delor (Czechosłowacja) i
inne. W Polsce równieŜ produkowano PCB w Zakładach Azotowych w Tarnowie.

W latach sześćdziesiątych, w wyniku sygnałów ostrzegawczych, przekazywanych przez toksyko-

logów, podjęto szeroko zakrojone badania interdyscyplinarne, które wykazały, Ŝe PCB:
- są nierozkładalne w przyrodzie i kumulują się w organizmach Ŝywych,
- blokują naturalną przemianę materii w organizmie i trwale uszkadzają organy wewnętrzne,
- uszkadzają nieodwracalnie komórki systemu nerwowego,
- powodują zakłócenia w funkcjonowaniu systemu odpornościowego organizmu,
- zniekształcają kod genetyczny, powodując urodzenia mutantów,
- przy spalaniu tworzą najbardziej toksyczne ze znanych trucizn - dioksyny (tysiąc razy silniejsze

od cyjanku potasu) i furany.

Z przytoczonych wyŜej względów w wielu krajach wstrzymano produkcję PCB. Kłopoty i ol-

brzymie koszty związane z neutralizacją PCB, spowodowały praktyki nielegalnego pozbywania się
PCB przez dodawanie ich do róŜnych olejów przepracowanych. W wielu krajach wprowadzono w
związku z tym zaostrzoną kontrolę stosowania PCB i jego utylizacji, ograniczając w olejach prze-
kazywanych do regeneracji zawartość PCB do poziomu 20 ppm, (20 ppm – 20 części PCB w milio-

nie części oleju) a chloru do 2000 ppm. Spalanie odpadów zawierających PCB w ilościach przekra-
czających w/w. ilości wymaga uŜycia specjalnych instalacji, w których koszt utylizacji 1 tony odpa-
dów kształtuje się na poziomie 5-10 tys. DM.

W Polsce od 1967 roku aŜ do początku lat osiemdziesiątych stosowano PCB do napełniania

kondensatorów i transformatorów w ilości około 100 ton rocznie. Szacuje się, Ŝe łącznie w Polsce w
kondensatorach i transformatorach pracujących lub wycofywanych z eksploatacji znajduje się ponad
1400 ton PCB, wymagających utylizacji. O skali problemu niech świadczy to, Ŝe juŜ 100 gramów
PCB, dodane do 1 tony przepracowanego oleju sprawia, Ŝe nie moŜe on być zwrócony do rafinerii,
bo 100 ppm > 20 ppm. Aby uporać się z tym problemem realizowany jest, z funduszy KBN, spe-
cjalny projekt badawczy, który przewiduje:
- przeprowadzenie inwentaryzacji i ewidencji pracujących i złomowanych urządzeń zawierających

PCB, oraz miejsc prawdopodobnego występowania tych substancji jako zanieczyszczenie środo-
wiska.

- opracowanie systemu monitoringu PCB w kraju,
- opracowanie załoŜeń i wdroŜenie krajowego systemu selektywnej zbiórki PCB,
- dobór i sprawdzenie optymalnej technologicznie i pod względem kosztów, ekologicznie bezpiecz-

nej metody degradacji PCB.

4.5. Oleje bazowe

Podstawowym, jak dotąd składnikiem środków smarowych tak płynnych jak i plastycznych są

oleje  mineralne.  Dominują  one  równieŜ  w  grupie  olejów  hydraulicznych  i  technologicznych.  W
ostatnich  latach  moŜna  zauwaŜyć  zdecydowaną  tendencję  do  zmian,  mających  swoje  wielorakie
uzasadnienie, a leŜących w szczególności w obszarze uwarunkowań ekologicznych. Udział olejów
mineralnych w ogólnym bilansie zuŜycia olejów wynosi obecnie 80% i systematycznie spada. Swo-
ją  przodującą  pozycję  zawdzięczają  one  stosunkowo  niskiej  cenie,  lobbystycznym  praktykom  go-
spodarczym  i  opanowanej  technologii  rafinacji.  Z  racji  swojej  małej  trwałości  termooksydacyjnej,
niekorzystnej  charakterystyce  temperaturowo-lepkościowej,  i  duŜej  odparowalności,  nie  powinno
się  ich  jednak  stosować  w  temperaturach  powyŜej  90  do  120°C.  W  zestawieniu  z  innymi  olejami
wygląda to jak w poniŜszej tabeli 8.

Tabela 8. Biodegradowalność i dopuszczalne temperatury ciągłej pracy olejów technicznych

Rodzaj oleju

Biodegradowalność w %

Dopuszczalna temp. pra-

cy w °C

estry oleju rzepakowego

90-100

50 - 60(80)

oleje mineralne

20-30

90 - 120

polietylenoglikole (PEG)

150

polialkiloglikole (PAG)

10-60

150 - 160

polialfaolefiny (PAO)

0-60

170 - 180

oleje dwuestrowe

> 90

170 - 180

polialkoholowe estry aromatyczne

0-20

200 - 240

Oleje pochodzenia organicznego, aktualnie stanowią zaledwie około 1,0% w ogólnym bilansie

płynnych środków smarowych, zaczynają jednak odgrywać coraz większą rolę i to co najmniej z
dwóch zasadniczych powodów:
- bo uzyskiwane są z surowców odnawialnych, zatem nie uszczuplają naturalnych zasobów ziemi,
- są biodegradowalne i w mniejszym stopniu niŜ inne oleje zanieczyszczają środowisko.

Najtańszym olejem organicznym jest olej rzepakowy. Przy zbiorach rzędu 25-30 q/ha, rocznie z

1 hektara pola moŜna uzyskać około 1 tony oleju rzepakowego. Nowoczesne odmiany rzepaku - ni-
skoerukowe (NE), zwane teŜ jednozerowe, mają obniŜony poniŜej 0,5% szkodliwego dla zdrowia
poziom kwasu erukowego, a najnowsze odmiany, tzw. dwuzerowe, mają ponadto znacznie obniŜo-
ny poziom związków siarki.

Naturalny olej rzepakowy zbudowany jest z cząstek trójglicerydów, trójestrów, gliceryny i kwa-

sów tłuszczowych. Oleje organiczne w swej surowej postaci nie nadają się do zastosowań przemy-
słowych. W procesach zwanych transestryfikacją uzyskuje się przetworzone formy naturalnego ole-
ju  rzepakowego  w  postaci  glicerynowych  estrów  kwasów  karboksylowych  wyŜszych  rzędów.  Po-
dobnie  jak  i  pozostałe  oleje  roślinne  zawiera  on  nietrwałe  termicznie  wiązania  węglowodorowe  i
etylenowe oraz grupy estrowe, łatwo podlegające hydrolizie w środowisku wodnym, co zresztą de-
cyduje o ich szybkiej biodegradowalności. Mimo wielu, bardzo powaŜnych, wad estry oleju rzepa-
kowego stosowane są juŜ obecnie na szeroką skalę w przemyśle, między innymi jako domieszki (do
3%) do olejów napędowych dla silników wysokopręŜnych, poprawiając między innymi pod wzglę-
dem ekologicznym skład spalin. W dziedzinie smarowania maszyn, stosowane są juŜ powszechnie
jako oleje smarowe do pił spalinowych, stosowanych w leśnictwie i sadownictwie. W kolejnictwie
są  stosowane  do  smarowania  rozjazdów  oraz  obrzeŜy  kół,  jako  oleje  do  form  w  budownictwie,  a
takŜe coraz częściej jako oleje hydrauliczne do agregatów hydraulicznych występujących w maszy-
nach rolniczych i drogowych. W tej ostatniej dziedzinie zastosowania widać wyraźnie zwiększający
się z roku na rok udział olejów roślinnego pochodzenia w ogólnym bilansie olejów hydraulicznych.
Tabela 9. Porównanie właściwości oleju rzepakowego i mineralnego

Rodzaj oleju

Cecha

Olej rzepakowy

Olej mineralny

z rafinacji solvent

Gęstość w g/ml

0,919

0,872

Lepkość w cSt

Wskaźnik lepkości (VI)

214

105

Temperatura zapłonu w °C

> 250

220

Liczba zasadowa mg KOH/g

0,3

< 0,01

Zawartość siarki w ‰

1,9

30,0

Biodegradowalność w %

90 -100

Zawartość azotu w ‰

150

Odparowalność

mała (duŜy cięŜar molekul.)

duŜa

Odporność termooksydacyjna

bardzo słaba

mierna

Agresywność na uszczelnienia taka sama jak oleju mineralnego

mierna

Własności tribologiczne

lepsze od oleju mineralnego

(bardzo dobra smarność i anty-

korozyjność)

dobre

Własności oleju smarowego, sporządzonego na bazie oleju rzepakowego w zestawieniu z analo-

gicznymi  własnościami  oleju  mineralnego  przedstawiono  w  tabeli  9.  Z  dodatkami  uszlachetniają-
cymi,  inteligentnie  dobranymi,  rafinat  oleju  rzepakowego  uzyskuje  doskonałe  własności  antykoro-
zyjne,  antyzuŜyciowe  i  antypienne.  Bez  inhibitorów  znacznie  zwiększa  swoją  lepkość  w  procesie
starzenia,  co  jest  wynikiem  procesów  polimeryzacyjnych.  Ten  efekt  starzenia  stwarza  pewne  pro-
blemy eksploatacyjne np. w układach hydraulicznych gdzie z powodu tworzących się w rozdziela-
czach osadów, mogą wystąpić zakłócenia w sterowaniu. W zastosowaniu do pojazdów szynowych
wycieki spolimeryzowanego (zuŜytego) oleju rzepakowego mogą powodować oklejanie szyn i tym
samym  problemy  z  hamowaniem.  Estry  oleju  rzepakowego  mieszają  się  z  olejem  mineralnym  w
kaŜdym stosunku - z wodą bardzo słabo (0,1%). Przepracowanych olejów rzepakowych nie moŜna
poddawać powtórnej rafinacji - podlegają one spalaniu.

Coraz szersze stosowanie oleju rzepakowego w przemyśle ma teŜ swoje uzasadnienie w aspekcie

kształtowania polityki rolnej państw, w których występuje nadprodukcja Ŝywności np. w krajach
Europy Zachodniej (zmniejszenie areału ziemi leŜącej odłogiem i jednoczesne zmniejszenie impor-
tu ropy naftowej). W Polsce, zajmującej trzecie miejsce na liście światowych producentów rzepaku,
pod uprawę rzepaku moŜna wykorzystać rozległe tereny, skaŜonej przez przemysł ziemi Zagłębia
Miedziowego lub Górnego Śląska.

Poza olejem rzepakowym stosuje się w przemyśle równieŜ takie oleje roślinne jak: lniany, sło-

necznikowy i inne, a takŜe tłuszcze zwierzęce, w szczególności łój.

-  Oleje  syntetyczne  tworzy  liczna,  wciąŜ  rozrastająca  się,  grupa  olejów  uzyskiwanych  na  drodze
syntezy  chemicznej.  WyróŜniają  się  one  dobrą  charakterystyką lepkościową, stabilnością termook-
sydacyjną i małą odparowalnością, co umoŜliwia ich zastosowanie do smarowania węzłów tarcia, w
których  występują  wysokie  temperatury.  Najbardziej  popularne  z  grupy  olejów  syntetycznych  są  -
oleje  estrowe.  Otrzymuje  się  je  między  innymi  z  surowców  pochodzenia  roślinnego.  Na  obecnym
etapie technologii olejów estrowych istnieje moŜliwość uzyskiwania duŜej róŜnorodności komplek-
sowych estrów w szerokiej gamie lepkości. RozróŜnia się:

- alifatyczne estry kwasu dwukarboksylowego,

- polialkoholowe estry,

- aromatyczne estry,

- kompleksowe estry.

Tabela 10. Własności fizyczne i tribologiczne olejów estrowych

Rodzaj oleju

CięŜar właśc.

w g/ml

Temp. krzep.

w °C

Lepkość

w cSt/40°C

Wskaźnik

lepkości VI

Względny

wskaźnik zuŜ.

olej rzepakowy

0,98

-5

210

1,0

kompleksowy

olej estrowy

1,05

-30

800

175

0,5

jw. o m. lepk.

1,01

-35

130

0,7

trójmetylopro-

penowy ester

0,96

-50

155

1,0

Oleje estrowe nie podlegają hydrolizie, nawet w podwyŜszonych temperaturach i nie są rozpusz-

czalne w wodzie. Ta ostatnia cecha ogranicza migrację oleju w gruncie, co tym samym zapobiega
skaŜeniu wód gruntowych. W porównaniu z olejem rzepakowym oleje estrowe mają niŜszą tempe-
raturę krzepnięcia. Podstawowe własności fizyczne i tribologiczne produkowanych olejów estro-
wych pokazano w tabeli 10.

Oleje estrowe znajdują zastosowanie w szczególności jako oleje bazowe do sporządzania sma-

rów  plastycznych,  „konstruowanych”  pod  określone  potrzeby.  Jako  zagęszczacze  moŜna  stosować
zarówno  stearynian  litu  jak i zagęszczacz krzemowy czy bentonitowy. Oleje estrowe są niezwykle
cennym  składnikiem  wszelkiego  rodzaju  suspensji,  nadając  im  wyjątkową  trwałość  -  większą  niŜ
suspensji na bazie oleju mineralnego. Bardzo dobre efekty uzyskuje się przez stosowanie estrów do
smarowania węzłów tarcia wykonanych z tworzyw sztucznych np. pary PCV/Polietylen.

Oleje estrowe mają szereg cennych zalet:
- mieszają się z wszystkimi olejami i niemal wszystkimi dodatkami uszlachetniającymi,
- mają dobre własności smarne,
- niską odparowalność, a są przy tym trudnopalne,
- nie wykazują lub mają niewielką toksyczność,
- dobra biodegradowalność (84%, ale nie wszystkich estrów),
- mają duŜą trwałość termooksydacyjną (wydłuŜone okresy wymiany oleju),
- naturalny brak skłonności do pienienia,
- nie pozostawiają osadów i nagarów,
- mają bardzo dobre własności w niskich temperaturach,
- dobre własności antykorozyjne,
- dobrą filtrowalność (znacznie lepszą niŜ oleje rzepakowe).

Z racji swoich licznych, cennych zalet oleje estrowe znajdują szerokie zastosowanie w technice

smarowania maszyn. Niektóre z nich wymieniono w zestawieniu pokazanym w poniŜszej tabeli 11.

- Oleje poliglikolowe. Jest to grupa olejów syntetycznych o bardzo zróŜnicowanych właściwo-
ś

ciach. Wszystkie jednak charakteryzuje niska temperatura krzepnięcia i korzystna charakterystyka

= f(T). Wskaźnik WL (VI) = 150-270. Gęstość 0,9-1,1 g/ml. Lepkość od 20-40 cSt/40

C. Mogą

być stosowane w szerokim zakresie temperatur od -50 do + 200

C. DuŜa odporność na starzenie i

mała odparowalność umoŜliwiają nawet pięciokrotne wydłuŜenie okresu wymiany oleju. Nie wolno
ich mieszać z olejami mineralnymi, dopuszcza się ich mieszanie z olejami estrowymi. Są agresywne
w  stosunku  do  lakierów,  uszczelnień  konwencjonalnych,  a  nawet  aluminium.  Polietylenoglikole
(PEG)  są  higroskopijne  i  dlatego  nie  powinny  być  stosowane  w  otwartych  układach  smarowania.
Pod  względem  biodegradowalności,  tylko  PEG  uznać  moŜna  za  olej,  który  odpowiada  wymogom
zakwalifikowania go do grupy olejów szybko neutralizowanych w naturalnym środowisku.

Tabela 11. Przykłady zastosowania olejów estrowych

Zastosowanie

Rodzaj
oleju estrowego

oleje

hydraul.

oleje

przekład.

oleje do
smarów

plastycz.

oleje

do pił

motor.

oleje sil-

nikowe

oleje do

spręŜarek

oleje

turbi-

nowe

dwuestry alifatyczne

dwuestry aromatyczne

estry polialkoholowe

estry polimerowe

estry kompleksowe

estry naturalne (o. rzep.)

- Oleje silikonowe stosuje się w szerokim zakresie temperatur od -50 do 250

C. Mają dobrą charak-

terystykę

= f(T) i duŜą odporność na starzenie. Są nieprzydatne do smarowania silnie obciąŜonych

powierzchni. W przypadku łoŜysk tocznych nie powinno się ich stosować gdy P/C > 0,03. Z racji
bardzo niskiej temperatury krzepnięcia stosuje się je w technice kosmicznej i lotniczej, i to najczę-
ś

ciej jako oleje bazowe do sporządzania silikonowych smarów plastycznych.

CięŜar właściwy - 1,2 g/ml. WL = 190 - 500 (!),

= 80 -170 cSt/40

4.6. Mieszalność olejów technicznych

Z uwagi na moŜliwość wystąpienia antagonizmów chemicznych, niedopuszczalne jest w zasa-

dzie mieszanie olejów syntetycznych z olejami mineralnymi. Wyjątek stanowią tu oleje estrowe.
RównieŜ mieszanie olejów syntetycznych między sobą jest w większości przypadków niedopusz-
czalne. Pewien pogląd na problem daje poniŜsza tabela 12.

Tabela 12. Mieszalność olejów smarowych

Rodzaj oleju estrowy

poligli-
kolowy

silikonowy

metylowy

silikonowy

fenylowy

alkoxyflu-

orowy

mine-

ralny

estrowy

poliglikol.

silik.-metyl.

silik.-fenyl.

alkoxyfluor.

mineralny

+ - mieszanie dopuszczalne

O - mieszanie niedopuszczalne

4.7. Smary plastyczne

Są to środki smarowe często błędnie nazywane smarami stałymi, gdy tymczasem są to substancje

koloidalne, składające się z oleju zagęszczonego mydłami i z licznych na ogół dodatków uszlachet-
niających. Mają jednocześnie właściwości ciał stałych i cieczy. Mikroskopowy obraz smaru pla-
stycznego jest podobny do gąbki nasyconej cieczą. Gąbkę stanowi zagęszczacz (substancja o cha-
rakterze mydła), fazę ciekła stanowi olej – mineralny lub syntetyczny. Faza ciekła decyduje o wła-
ś

ciwościach smarnych i ich zmianach wraz z temperaturą, odporności na utlenianie, skłonności do

odparowywania. Zagęszczacz tworzy elastyczną, przestrzenną strukturę sieciową, która wiąŜe fazę
ciekłą i nadaje smarowi wymaganą konsystencję. Najczęściej stosowanym zagęszczaczem jest my-
dło litowe, a dokładnie związki jak 12-hydroksystearynian litu lub stearynian litu. Właściwa struktu-
ra smaru istnieje dzięki istnieniu sił przyciągania powierzchniowego, sił kapilarnych oraz zjawiska

adsorpcji powierzchniowej między zagęszczaczem a fazą ciekłą. Do smaru wprowadza się ponadto
róŜne substancje modyfikujące jego strukturę i właściwości dla nadania smarowi odpowiednich
cech uŜytkowych. W zakresie chemii smarów plastycznych nastąpił w ostatnich 20 latach ogromny
postęp, w efekcie którego pojawiła się na rynku bardzo zróŜnicowana paleta smarów zarówno wie-
lofunkcyjnych jak i „skonstruowanych” pod ściśle określone potrzeby. Mówi się w takich przypad-
kach o smarach specjalnych lub specjalistycznych, spełniających warunki stawiane przez określone
węzły tarcia lub technologie (smary technologiczne).

W przeszłości smary plastyczne spełniały drugorzędną rolę w technice smarowniczej. Ich stoso-

wanie uzasadnione było tylko w przypadkach, w których ze względów konstrukcyjnych kłopotliwe,
lub wręcz niemoŜliwe było stosowanie oleju. W nowoczesnej technice smarowniczej, smary pla-
styczne skutecznie wypierają smarowanie olejowe i to nawet w takich maszynach i przypadkach, w
których do niedawna było to nie do pomyślenia. Za przykład moŜe tu posłuŜyć smarowanie łoŜysk
tocznych wysokoobrotowych wrzecion obrabiarek.

Wzrost popularności i znaczenia smarów plastycznych przypisać moŜna przede wszystkim upo-

wszechnianiu się idei skąpego smarowania, którą w sposób najprostszy, a zarazem skuteczny moŜna
praktycznie zrealizować stosując tzw. smarowanie bezobsługowe smarem plastycznym w czasie
montaŜu określonego węzła tarcia. Podstawową cechą fizyczną smarów plastycznych jest ich kon-
systencja. Za powszechnie obowiązującą przyjęto klasyfikację NLGI (National Lubricating Grease
Institut, USA), która dzieli smary plastyczne na 9 klas konsystencji (p. tabela 13). Polska norma (PN-
58/C-04133) przyjęła amerykańską klasyfikację.

Tabela 13. Klasy konsystencji smarów plastycznych

Klasa

Penetracja w 25

C po ugniataniu

Stan

Uwagi

konsystencji NLGI

PN-72/C-04095

000

445-475

powyŜej 440

prawie płynny

smary plastyczne wykazu-

400-430

powyŜej 395

prawie płynny

jące w temperaturze poko-

355-385

350-390

wyjątkowo miękki jowej własności cieczy

310-340

305-345

bardzo miękki

smary plastyczne w

265-295

260-300

miękki

konsystencji wazeliny

220-250

215-255

rednio miękki

175-205

170-210

rednio twardy

smary plastyczne „twarde”

130-160

125-165

twardy

o własnościach zbliŜonych

85-115

80-120

bardzo twardy

do własności wosku

Podstawą klasyfikacji jest tzw. penetracja. Jednostką penetracji jest liczba niemianowana, odpo-

wiadająca zagłębieniu się znormalizowanego w badanym smarze stoŜka penetracyjnego, o masie
150 g przy temperaturze 25

C, w czasie 5 sekund. Zagłębienie to wyraŜa się w dziesiątych czę-

ciach milimetra, ale podaje się je bez miana. Im zatem większa jest liczba wyraŜająca penetrację,

tym bardziej miękki jest smar plastyczny.

Drugą po konsystencji waŜną cechą smaru jest rodzaj zagęszczacza. Do zagęszczania oleju stosu-

je się najczęściej związki metali: glinu, litu, sodu, wapnia, baru lub tzw. mydła kompleksowe. Naj-
częściej mydło zagęszczające powstaje jako reakcja: – kwas tłuszczowy + wodorotlenek lub tlenek
metalu  =  mydło  +  woda.  Na  przykład:  kwas  12-hydroksystearynowy  +  tlenek  litu  =  12-
hydroksystearynian litu + woda. Jako zagęszczacze mogą równieŜ słuŜyć substancje nieorganiczne
typu grafit, dwusiarczek molibdenu lub bentonit (glinki bentonitowe). Coraz częściej pojawiają się
teŜ  smary  plastyczne  syntetyczne,  sporządzane  na  bazie  olejów  i  zagęszczaczy  syntetycznych  np.
mocznikowych. Odrębną grupę stanowią smary węglowodorowe np. wazelina lub smary czarne. Są
to oleje mineralne zagęszczone węglowodorami typu parafina, cerezyna, lub asfalt.

Zbiorcze zestawienie własności najpopularniejszych smarów plastycznych podano w tabeli 14

Tabela 14. Ogólne własności smarów plastycznych

RODZAJ SMARU

W Ł A S N O Ś C I

+ + + b. dobre, + + dobre, + przeciętne, - złe

ZAGĘSZCZACZ

Olej

Zakres

Temp.

Odporność Ochrona

Odporność Relacja

Przydatność

UWAGI

rodzaj

mydło

bazowy

temp.

kropl.

na wodę

korozyjna

na naciski cenowa * dla łoŜ. toczn.

normalny glinowe

wapniowe

mineralny -20....70

-30....50

120

80....100

+ +

+ + +

+ +

+
+

2,5 - 3

0,8

+
+

pracuje w obecności wody
nie reaguje z wodą (działa uszczel-
niająco).

litowe
sodowe

-35....130
-30....100

170....200

150...190

+ + +

+ +

+ + +

+ +

0,9

+ + +

+ +

smar wielofunkcyjny
emulguje z wodą (wymywany
przez wodę)

komplex

glinowe
barowe

mineralny -30....160

-30....140

260
220

+ + +

+ +

+ + +
+ + +

+ +

2,5 - 4

4 - 5

+ + +
+ + +

smar wielofunkcyjny
smar wielofunkcyjny, odporny na
parę wodną

wapniowe
sodowe
litowe

-30....160
-30....130
-30....150

240
220
240

+ +

+ + +

+ +

0,9 - 1,2

3,5

+ + +
+ + +

+ +

smar wiel., skłonny do twardn.
smar wielofunkcyjny
smar wielofunkcyjny

normalny litowe

estrowy

-60....130

190

5 -6

+ + +

w niskich temperaturach. i wyso-
kich prędkościach obrotowych

komplex

barowe

litowe
litowe

estrowy

estrowy

silikonowy

-60....130

-40....180
-40....180

200

240
240

+ +

+ +
+ +

+ + +

+
+

+ +

10
20

+ + +

+ +

niskie temp., wysokie prędkości
obrotowe, średnie obciąŜenie
dla szczeg. szerok. zakresu temp.
jw., jednak P/C<0,03

bentonitowy poli-
mocznikowy

mineralny -20....150

-25....160

nie występ.

250

+ + +
+ + +

+ +

2 - 6

+ +

+ + +

wysokie temp., niskie naciski
szeroki zakres temp., średnie obc.

polimocznikowy

silikonowy -40....200

250

+ + +

35 - 40

+ +

wys. i niskie temp., małe obciąŜ.

polimocznikowy

fluoro-

silikonowy

-40....200

250

+ + +

100

+ + +

wys. i niskie temp., śr. obciąŜ.

PTFE (czterofluoro-
etylen)
FEP (fluoroetylen,
fluoropropylen)

alkilo-
fluorowy

fluorowo-
silikonowy

-50....250

-40....230

nie wyst.

+ + +

+ +

150-400

120

+ + +

obydwa smary do stosowania w
ekstremalnie szerokim zakresie
temp. B. dobra odporność na
chemikalia i rozpuszczalniki.

* Odniesiona do ceny smaru litowego na bazie oleju mineralnego źródło: FAG Publ. Nr 81 115DA

WaŜną, z punktu widzenia uŜytkownika cechą smaru plastycznego jest temperatura jego kro-

plenia. W przybliŜeniu moŜna uznać ją za temperaturę topnienia smaru. Temperatury robocze
powinny być niŜsze od temperatury kroplenia o 20 - 30

C, a nawet o więcej.

O trwałości eksploatacyjnej smaru plastycznego lub oleju decyduje jego odporność na utlenia-

nie, czyli na tworzenie związków chemicznych z tlenem. ZaleŜy ona od składu chemicznego oraz
skuteczności oddziaływania dodatków przeciwutleniających. Utlenianie smaru powoduje zmiany
jego składu chemicznego, wskaźnika penetracji i innych cech. Podczas utleniania powstają kwa-
ś

ne i alkaliczne substancje, zwiększające korozję metalu.

Kolejną własnością smaru plastycznego jest jego smarność. Charakteryzuje ona oddziaływanie

smaru na elementy maszyn w warunkach tarcia granicznego. Opisuje ona równieŜ skłonność (po-
datność)  smaru  do  wytworzenia  warstwy  granicznej  w  wyniku  adsorpcji  substancji  smarnej  na
powierzchniach  węzłów  tarcia.  Miarą  tej  smarności  jest  trwałość  warstwy  granicznej,  mierzona
zwykle  metodami  pośrednimi,  poprzez  wyznaczanie  współczynnika  tarcia,  oporów  ruchu  lub
stopnia zuŜycia współpracujących elementów w określonych warunkach.

4.7.1. Smary plastyczne a środowisko

W przeciwieństwie do olejów smarowych, smary plastyczne niemal w całości przechodzą z

procesów  smarowania  (węzłów  tarcia)  do  środowiska,  a  są  to  ilości  niemałe  -  około  1000  ton
rocznie dla Dolnego Śląska i np. 35.000 ton dla RFN. Ze względu na stosunkowo skromny udział
(5-8%) smarów plastycznych w ogólnym bilansie środków smarowych, od niedawna dopiero za-
częto  prowadzić  systematyczne  badania  nad  ich  biodergradowalnością  i  opracowywaniem  no-
wych receptur, które pozwoliłyby wyprodukować smary plastyczne spełniające kryteria przyzna-
wania  certyfikatu  "Niebieskiego  Anioła".  W  ostatnich  latach  pojawia  się  coraz  więcej  smarów,
które odpowiadają tym kryteriom w pełni, lub z duŜym przybliŜeniem. Ogólnie rzecz biorąc re-
ceptura biologicznie rozkładalnego smaru plastycznego zawiera:

OLEJ BAZOWY

w ilości 75 -95%, który powinien być z grupy:

- naturalnych, rzepakowych olejów estrowych (trójglicerydy),

- syntetycznych estrów,

- olejów glikolowych (poliglikole).

ZAGĘSZCZACZ

w ilości 5 -20%, z grupy:

- mydła metalowe wapniowe, litowo-wapniowe),

- zagęszczacze nieorganiczne (bentonity, krzemian glinu, grafit, tlenki i

wodorotlenki metali np. tlenek cynku)

- zagęszczacze organiczne (polimocznikowe, polimery),

- aluminiowe mydła kompleksowe.

DODATKI

w ilości 1 - 8%

(wg. normy RAL-UZ 64 muszą być biodegradowalne gdy ich udział przekracza 5%)

- antyoksydacyjne 0,1-1% (aminy, fenole),

- inhibitory korozji (pochodne kwasów tłuszczowych 0,5-3%),

- dodatki typu EP i AW 0,5-5% - (związki siarki i fosforu).

Dodatki są waŜnym składnikiem smaru i często decydują o jego jakości i przydatności w okre-

lonych warunkach pracy. Często są to dodatki wielofunkcyjne, jak sole cynkowe i sole innych

metali  np.  Acorox88,  MNIIP22,  Lubrizol  944.  Dodatki  smarne  typu  AW  (anti  wear  =  przeciw-
działające  zuŜyciu  ściernemu),  dodawane  w  ilościach  1-1,5%,  którymi  są  zwykle  organiczne
związki siarki, zwiększają adhezję oleju do powierzchni smarowanej, podnosząc tym samym wy-
trzymałość filmu smarnego. Stosuje się teŜ dodatki przeciwkorozyjne neutralizujące bezpośrednie
oddziaływania  chemiczne  na  metal  tlenków  i  kwasów  powstałych  w czasie starzenia oleju. Od-

dzielną grupę dodatków stanowią dodatki typu EP (extreme pressure = na wysokie naciski), które
mają za zadanie polepszyć zdolność oleju i smaru do przenoszenia duŜych obciąŜeń i właściwe
smarowanie przy duŜych naciskach jednostkowych.

Nie ulega wątpliwości, Ŝe rozkładalny biologicznie smar plastyczny wymaga stosowania do

jego  produkcji  biodegradowalnych  olejów  bazowych.  Będą  to  w  szczególności  oleje  estrowe  -
rzadziej poliglikole i oleje organiczne. Co się tyczy zagęszczaczy, to najczęściej (90 -95% przy-
padków) stosuje się do zagęszczania  oleju mydła metali ziem rzadkich – głównie litu, ale takŜe
wapnia, sodu czy baru, rzadziej substancje nieorganiczne jak np. bentonit. Z wymienionych wyŜej
zagęszczaczy zadawalający stopień i szybkość biodegradacji wykazują jedynie mydła wapniowe.
Nierozkładalne,  ale  zarazem  neutralne  dla  środowiska  zagęszczacze,  jak  np.  bentonit,  będą  w
przyszłości z pewnością odgrywać większą rolę niŜ dotąd.

JuŜ dziś, przewidując konsekwencje zaostrzających się przepisów ochrony środowiska, podję-

to w wyspecjalizowanych firmach prace nad nowymi recepturami smarów plastycznych, przezna-
czonych w głównej mierze dla taboru samochodowego i szynowego oraz maszyn budowlanych i
rolniczych. Jako pierwsza w Europie, firma KAJO (RFN) opracowała w 1992 roku, na bazie ole-
ju  estrowego,  dwa  biodegradowalne  smary  plastyczne,  które  zdobyły  certyfikat  „Niebieskiego
Anioła”,  spełniając  wymogi  obowiązującej  w  tym  zakresie  normy  RAL-UZ  64.  Są nimi: nisko-
temperaturowy,  samochodowy  smar  KAJO-BIO  G  -  do  stosowania  w  temperaturze  do  125°C,
sporządzony na  bazie syntetycznych estrów i smar wielofunkcyjny KAJO-BIO-Gel-222, sporzą-
dzony na bazie oleju rzepakowego, który z powodzeniem stosowany jest w układach centralnego
smarowania pojazdów samochodowych i szynowych, np. do smarowania obrzeŜy kół szynowych
(w RFN 5000 ton rocznie).

Nie ulega wątpliwości, Ŝe rodzina biodegradowalnych smarów plastycznych będzie się z ro-

ku na rok powiększała. JuŜ dziś ich reprezentacja liczy kilkadziesiąt przedstawicieli, wśród któ-
rych znajdują się równieŜ specjalistyczne smary plastyczne, jak np. Aral BAB EP, przeznaczony
dla silnie obciąŜonych węzłów tarcia.

4.8. ZagroŜenie dla środowiska ze strony środków smarowych

Oleje smarowe i smary plastyczne stanowią zagroŜenie dla środowiska na wszystkich etapach

ich „Ŝycia”. Mogą trafiać do otoczenia w czasie produkcji, transportu, napełniania układów sma-
rowania, w czasie pracy maszyny, wymiany, utylizacji, a szczególnie w czasie niekontrolowanych
zrzutów  bez  utylizacji.  Nie zneutralizowane, odpadowe produkty  naftowe trafiają do gleby oraz
wód  powierzchniowych  i  gruntowych,  a  w  przypadku  ich  spalania,  emitowane  są  do  atmosfery
oprócz  dwutlenku  i  tlenku  węgla  równieŜ  dwutlenek  siarki  i  metale  cięŜkie.  Cechą  wszystkich
węglowodorów  zawartych  w  olejach  mineralnych  jest  ich  znikoma  rozpuszczalność  w  wodzie
oraz  skłonność  do  tworzenia  na  powierzchni  wody  trwałych,  cienkich  warstewek,  odcinających
zbiornik wodny od dostępu tlenu z atmosfery. Jeden kilogram produktów naftowych moŜe zdys-
kwalifikować  przydatność  do  celów  spoŜywczych  około  1mln  litrów  wody.  Wg  omawianych
wcześniej statystyk rocznie trafia w niekontrolowany sposób do ziemskiej ekosfery około 20 mln
ton produktów  smarowych, a z  takiej samej masy skupu przepracowanych olejów (20 mln ton),
aŜ  10,5  mln  ton rocznie neutralizuje się poprzez spalanie, który to sposób utylizacji teŜ nie jest
obojętny  dla  środowiska.  Szczególnie  toksyczne  są  dodatki  stosowane  w  olejach  silnikowych,
których  udział  w  światowym  bilansie  płynnych  środków  smarowych  jest  największy.  Zawierają
one związki ołowiu, baru, azotyny, fosforan trójkrezylu, chlor. Zwiększenie trwałości olejów sil-
nikowych przez zastąpienie tradycyjnych olejów mineralnych olejami syntetycznymi umoŜliwiło
kilkukrotne wydłuŜenie okresów wymiany, a tym samym zmniejszenie zarówno zapotrzebowania
na oleje silnikowe, jak i zmniejszenie masy przepracowanych olejów (odpadu). W trosce o śro-

dowisko podejmuje się równieŜ równolegle wysiłki konstrukcyjne zmierzające do podnoszenia
sprawności i szczelności silników spalinowych.

Oleje, przede wszystkim silnikowe, ulegają podczas eksploatacji zanieczyszczeniu substan-

cjami pochodzenia wewnętrznego i zewnętrznego. Jednym z głównych powodów zuŜycia oleju
jest jego zanieczyszczenie produktami stałymi. Są to nierozpuszczalne produkty zuŜycia smaro-
wanego urządzenia oraz pyły z atmosfery. Wymiary cząstek stałych zanieczyszczeń mieszczą się
w granicach 10 do 200

m. Po usunięciu zanieczyszczeń mechanicznych i wody większość eks-

ploatowanych olejów moŜna nadal wykorzystać zgodnie z poprzednim przeznaczeniem. Specy-
ficzną grupę zanieczyszczeń stanowią produkty starzenia, powstające w wyniku utleniania, roz-
kładu i polimeryzacji węglowodorów oraz dodatków uszlachetniających, prowadzące do zmiany
chemicznego składu oleju. Zmianom podlega co prawda tylko część objętości środka smarnego,
ale wystarcza to do utraty kluczowych jego właściwości i zdolności smarnych. ZuŜyty olej w sil-
niku ma np. zawsze kwaśny odczyn, co grozi przyspieszoną korozją silnika.

Wymianę oleju w silnikach lub reduktorach podejmuje się zwykle przedwcześnie, poniewaŜ

identyfikacja stanu niezdatności oleju wymaga laboratoryjnych badań i jest bardzo kosztowna.
Nie oglądając się na konsekwencje dla środowiska wychodzi się z załoŜenia, Ŝe częstsze wymia-
ny oleju są w takiej sytuacji bardziej opłacalne niŜ konieczność remontu, czy wymiany maszyny
w wyniku zaistniałej awarii spowodowanej niezdatnością środka smarnego. Dla silnika spalino-
wego napędzającego pojazdy okres wymiany oleju ustala się np.: na podstawie przebiegu samo-
chodu, dla silnika stacjonarnego na podstawie czasu pracy lub ilości zuŜytego przez silnik paliwa.
Po przewidzianym okresie olej jest wymieniany, niezaleŜnie od jego stanu. Wymagania ochrony
ś

rodowiska będą w przyszłości bez wątpienia coraz silniej zmuszać uŜytkowników maszyn do:

- zmniejszenia emisji (w kaŜdej postaci) olejów i smarów do środowiska,
- zmniejszenia zuŜycia olejów przez wydłuŜenie czasu ich pracy,
- lepszej organizacji skupu olejów przepracowanych oraz zmniejszenia kosztów ich regene-

racji i utylizacji,

- podniesienia kultury eksploatacji olejów.

WydłuŜanie czasu pracy oleju moŜna uzyskać przez usuwanie z niego zanieczyszczeń mecha-

nicznych. NaleŜy jednak pamiętać, Ŝe w miarę wydłuŜania czasu pracy oleju zwiększa się w nim
zawartość szkodliwych toksyn. Toksyczność przepracowanych olejów jest przede wszystkim wy-
nikiem  kumulowania  się  w  nich  produktów  starzenia  się  oleju,  a w silnikach spalinowych rów-
nieŜ  produktów  powstających  w  procesach  spalania.  Obecność  toksycznych  substancji  w  oleju
poddawanym regeneracji moŜe być takŜe wynikiem niewłaściwie prowadzonej zbiórki, przecho-
wywania i transportu oraz zastosowania nieodpowiedniej metody przetwarzania i regeneracji.

Rosnące zagroŜenie środowiska naturalnego stawia problem zagospodarowania przepracowa-

nych  olejów  w  rzędzie  kluczowych  problemów  ekologicznych.  Najbardziej  niebezpieczne  dla
człowieka  są toksyczne substancje zawarte w tego rodzaju odpadach, dobrze rozpuszczające się
w  tłuszczach  obecnych  w  organizmie  Ŝywym.  Wiele  z  nich  (np.  nitrozoaminy,  PCB)  wykazuje
ponadto  zdolność  do  kumulowania  się  w  organizmach  Ŝywych.  Regeneracja  przepracowanych
olejów wymaga kosztownej, specjalistycznej instalacji, która nie w kaŜdej rafinerii jest dostępna.
Neutralizacja natomiast przepracowanych środków smarowych (olejów i emulsji) bezpośrednio w
zakładzie gdzie tego rodzaju odpady powstają, choć pod względem technicznym łatwiejsza, wy-
maga równieŜ nakładów, które są opłacalne tylko w przypadku stosunkowo duŜych ilości olejów,
jakie rocznie poddaje się neutralizacji. Dlatego podstawową metodą zmniejszenia zagroŜenia śro-
dowiska odpadami ropopochodnymi jest dobrze zorganizowany system ich zbiórki (skupu) i uty-
lizacja przepracowanych olejów w wyspecjalizowanych zakładach.

Mniej doskonałym, z ekologicznego punktu widzenia, sposobem utylizacji jest spalanie olejów

przepracowanych lub uŜycie ich jako materiału impregnacyjnego. Aby uniknąć powstawania tok-
sycznych spalin (dioksyn) w procesie spalania odpadów ropopochodnych, niedozwolone jest ich
spalanie w niskotemperaturowych piecach zakładowych kotłowni. ZagroŜenia tego nie ma gdy
spala się je w specjalnych wysokotemperaturowych paleniskach, w procesach metalurgicznych i
w przemyśle cementowym.

4.8. Smary stałe

Odmienną, niekonwencjonalną, ale odgrywającą coraz większą rolę grupę smarów tworzą

ciała stałe o budowie krystalicznej lub bezpostaciowej. NaleŜą do nich takie substancje jak:

- grafit
- dwusiarczek molibdenu MoS

- dwusiarczek wolframu WS

- azotek boru
- proszki metali plastycznych (Ag, Au, Sn, Pb)
- proszki PTFE (teflon) i innych tworzyw sztucznych

Pod względem ekologicznym smary tej grupy moŜna uznać za neutralne, nie zanieczyszczają-

ce środowiska. Taka kwalifikacja jest umotywowana spełnieniem przez nie niemal wszystkich
kryteriów, jakie powinny cechować środki smarowe, których przedostawanie się do środowiska
nie powoduje w nim ujemnych skutków.

Mechanizm działania smarów stałych polega między innymi na tym, Ŝe „uzbrajają” po-

wierzchnie,  wypełniając  mikronierówności,  a  tym  samym  zwiększają  rzeczywistą  powierzchnię
nośną  współpracujących  elementów.  Niektóre  smary  stałe  o  specyficznej  budowie  krystalicznej
zawdzięczają  swoje  smarujące  działanie  zróŜnicowanej  sile  wiązań  atomowych,  działających  w
poszczególnych  płaszczyznach  rozmieszczenia  atomów,  np.  węgla  w  heksagonalnym  układzie
krystalograficznym grafitu lub molibdenu i siarki w przypadku dwusiarczku molibdenu (p. rys. 4).

Dwusiarczku molibdenu lub wolframu nie powinno się stosować do smarowania powierzchni

naraŜonych na obecność wody z uwagi na moŜliwość wystąpienia elektrochemicznej korozji.

W warunkach tarcia granicznego, kiedy to lokalnie na współpracujących powierzchniach mogą

wystąpić wysokie temperatury, dochodzi do reakcji chemicznej siarki z Ŝelazem o korzystnych
dla procesu tribologicznego konsekwencjach

MoS

+ 2 Fe

→

2FeS + Mo

Siarczek Ŝelaza podobnie jak dwusiarczek molibdenu ma budowę krystaliczną ze stosunkowo

słabymi wiązaniami pomiędzy płaszczyznami rozmieszczenia atomów siarki, wolny molibden na-
tomiast dyfunduje do warstw przypowierzchniowych, uszlachetniając je pod względem właści-
wości antyciernych. Ułatwione jest dzięki temu wywołanie poślizgu między płaszczyznami o sła-
bych wiązaniach atomowych. Model działania smaru typu MoS

, FeS czy grafitu moŜna przed-

stawić jak na rysunku 4.

W obecności tlenu MoS

skutecznie chroni współpracujące powierzchnie przed zatarciem je-

eli temperatura tych powierzchni nie przekroczy 400

C, podczas gdy grafit moŜna stosować do

600

C. W próŜni granice te leŜą znacznie wyŜej (1000 i 2000

C).

Smary stałe stosuje się w następujących postaciach:

- jako dodatki do olejów (2-3%) lub smarów plastycznych (do 10%) dla zapewnienia funkcji sma-

rowniczych w przypadku wystąpienia tarcia mieszanego, które mogło by być wynikiem duŜych
nacisków lub małej prędkości względnej. Spełniają one w tym przypadku rolę dodatków typu EP,

- jako pasty montaŜowe (duŜa gama past grafitowych i molibdenowych),
- jako sproszkowane substancje smarowe, do wcierania w uprzednio piaskowane powierzchnie,

- jako smary suche (lakiery), nanoszone na piaskowane lub fosforanowane powierzchnie aerozo-

lem lub pędzlem, z pomocą szybko odparowujących rozpuszczalników (powłoki T-S-T, co
oznacza Tribo-System-Trockenschmierstoffe, AF-Coating),

- jako pasty wysokotemperaturowe,
- jako powłoki galwaniczne.
- jako samosmarujące materiały konstrukcyjne np. teflon (jest to liczna i rozrastająca się szybko

grupa materiałów).

Struktura krystaliczna grafitu

MoS2

S
Mo
S

Mo
S

Rys. 4. Modele siatek krystalograficznych i mechanizmu działania grafitu i MoS

4.9. Samosmarujące materiały konstrukcyjne

Smarowanie węzłów tarcia jest w wielu przypadkach koniecznością i wyborem mniejszego

zła, mającym swoje uzasadnienie tak techniczne jak i ekonomiczne. Bezwzględnie jednak lepsze
są  takie  rozwiązania  konstrukcyjne  węzłów  tarcia,  które  nie  wymagają  smarowania.  Do  ich  bu-
dowy  stosuje  się  samosmarujące  materiały  konstrukcyjne,  wykazujące  specyficzne  właściwości
triologiczne.  We  współczesnych  konstrukcjach  maszyn,  nie  tylko  precyzyjnych,  coraz  częściej
wykorzystuje się materiały nie wymagające wcale, lub w ograniczonym tylko stopniu, smarowa-
nia. Polimerowe, samosmarujące materiały konstrukcyjne takie jak poliamid czy polietylen z do-
mieszką  grafitu,  dwusiarczku  molibdenu,  proszki  metali  miękkich  znajdują  zastosowanie  we
wszystkich niemal gałęziach przemysłu. Oferuje się je w postaci łatwych w uŜyciu, gotowych ło-
Ŝ

ysk, folii lub taśm, stwarzających atrakcyjną alternatywę proekologicznego rozwiązania proble-

mów tribologicznych.

Szczególnie cenne właściwości uŜytkowe mają tworzywa sztuczne drugiej generacji takie jak

tetrafluoroetylen (teflon, PTFE - politetrafluoroetylen), polieteroketony (PEK), poliamidy (PA),
polietero-sulfony (PES), stosowane jako materiały jednorodne, zmieszane ze sobą bądź produko-
wane z dodatkiem wypełniaczy. Mogą być stosowane przy znacznie większym obciąŜeniu niŜ po-
równywalne wymiarowo metalowe łoŜyska ślizgowe, smarowane olejem lub smarem plastycz-
nym i to w wysokim zakresie temperatur do 250-300

C. Ich trwałość jest uzaleŜniona od obcią-

enia węzła i prędkości ruchu względnego współpracujących powierzchni.

Do samosmarujących materiałów konstrukcyjnych zaliczają się równieŜ duroplasty, w szczegól-

ności epoksydowe i fenolowe Ŝywice z domieszką stałych smarów typu grafit lub dwusiarczek mo-
libdenu. Gotowe do montaŜu elementy łoŜyskowe uzyskuje się na drodze skrawania z półwyrobów,
lub nanosi się je metodą szpachlowania, po uprzednim zmieszaniu Ŝywicy z utwardzaczem, w sta-
nie półpłynnym na powierzchnie. Z takich materiałów wykonuje się między innymi koszyki łoŜysk
tocznych nie wymagających smarowania, okładziny powierzchni prowadnicowych itp.

powierzchnie
poślizgu

śl

podłoŜe

Przedstawicielem tej grupy materiałów jest kompozyt Turcite-B, stosowany od wielu juŜ lat do

budowy połączeń prowadnicowych róŜnorodnych maszyn, a w szczególności obrabiarek. Turcite-
B jest spiekanym materiałem zbudowanym na bazie teflonu (PTFE). Dobra obrabialność i wyjąt-
kowo duŜa odporność na ścieranie stwarzają dla tego materiału szerokie pole zastosowań.

Turcite-B produkuje się równieŜ w postaci taśm, słuŜących do wyklejania powierzchni nara-

onych na ścieranie (np. prowadnic, tulei itp.). Najlepsze właściwości tribologiczne wykazuje we

współpracy z powierzchniami bardzo twardymi (60 HRC lub 240 HB w przypadku Ŝeliwa) i
gładkimi (Ra = 0,2 - 0,4 (0,8)

m). Do zasadniczych zalet tego materiału zaliczyć naleŜy:

- zapewnienie wolnego od stick-slipu

przesuwu (mały, niemal stały współ-
czynnik tarcia),

- duŜą odporność na zuŜycie ścierne i

duŜa w związku z tym trwałość,

- niewraŜliwość na zatarcie i moŜliwość

pracy na sucho,

- niewraŜliwość na zabrudzenia,
- zdolność do tłumienia drgań,
- niska cena.

Porównawcze zestawienie wartości

współczynnika tarcia par prowadnicowych Turcite-Ŝeliwo oraz Ŝeliwo-Ŝeliwo w funkcji prędko-
ś

ci ruchu posuwowego pokazano na rysunku 5. Mała i niemal stała wartość współczynnika tarcia

pary Turcite-Ŝeliwo zapewnia płynność ruchu przy małych prędkościach liniowych (posuwach) i
uniknięcie niekorzystnego zjawiska stick-slipu, trudnego do wyeliminowania w przypadku kon-
wencjonalnych rozwiązań (pary Ŝeliwo-Ŝeliwo lub Ŝeliwo-stal).

4.10. Nowoczesne materiały na uszczelnienia

ObciąŜenie środowiska, w procesach smarowania, jest w duŜej mierze uzaleŜnione od sku-

teczności zastosowanych uszczelnień. Szczególnie trudno jest uszczelnić połączenia ruchowe
przed wyciekami środków smarowych. W przypadku gdy stosuje się w tym celu uszczelnienia
dotykowe, skuteczność ta w duŜej mierze uzaleŜniona jest od jakości materiałów stosowanych na
uszczelnienia. W ostatnich dwóch dziesięcioleciach opracowano nowe kompozycje materiałów, o
znacznie wydłuŜonej, w porównaniu do dotychczasowych, trwałości. Wynika ona z małej warto-
ś

ci współczynnika tarcia oraz z duŜej odporności tych materiałów na ścieranie, oddziaływanie

chemiczne i starzenie. Przykładem takiej kompozycji materiałowej mogą być elastomery fluoro-
we, występujące na rynku pod firmową (Du Pont) nazwą VITON, niezwykle odporne na ściera-
nie, dopuszczające prędkości liniowe do 38 m/s na powierzchni stykowego uszczelnienia. Jeszcze
większą trwałością cechują się uszczelnienia wykonane z materiału o nazwie KALREZ (Du
Pont), skutecznie spełniające swoje funkcje równieŜ w podwyŜszonych temperaturach, nawet do
300°C. Tradycyjne materiały stosowane na uszczelnienia, wykonane na bazie mieszanek kauczu-
kowych mają zastosowanie ograniczone do temperatur nie przekraczających 150°C i do prędkości
powierzchni z jaką styka się warga uszczelnienia, nie przekraczającej 12 m/sek.

Niezawodność i trwałość uszczelnień dotykowych moŜna polepszyć stosując nowoczesne kon-

strukcje uszczelnień dotykowych, tzw. uszczelnienia hybrydowe. Tworzą je zwykle elastyczny
rdzeń z kauczuku fluorowego lub silikonowego powleczony cienką warstwą odpornego na zuŜy-
cie ścierne kopolimeru czterofluoroetylenu (TEFLON) z perfluoropropylenem (FEP).

ekol’3a

Rys. 5. Współczynnik tarcia par materiałowych Ŝeliwo-

eliwo oraz TURCITE-Ŝeliwo