Komplexe Begriffe verständlich erklärt

Brechungsindex

OELCHECK untersucht nicht nur unsere Gasmotorenöle, sondern auch die Kühlmittel aus diesen Motoren. In den Laborberichten der Kühlmittel führen Sie jetzt auch einen „Brechungsindex bei 20 °C“ auf. Wie wird dieser Wert bestimmt? Was sagt dessen Veränderung aus? Ist ein Brechungsindex auch für Öle relevant?

OELCHECK antwortet:

Jedes flüssige Medium hat einen charakteristischen Brechungsindex. Bei dessen Interpretation geht es um die Konzentration bestimmter Stoffanteile in einer Flüssigkeit. Bei Kühlmitteln handelt es sich meist um Wasser, das mit Ethylenglykol oder Propylenglykol gemischt ist. Mit Hilfe des Brechungsindex kann der prozentuale Anteil von Glykol bestimmt werden. Da sich aber auch die verschiedenen Grundöltypen beim Brechungsindex unterscheiden, ist dieser Wert u.a. beim Nachweis von Vermischungen unterschiedlicher Öltypen hilfreich.

Die Brechung des Lichts

Der Brechungsindex hat seinen Ursprung in der Optik. Geht Licht von einem Medium in ein anderes Medium über, werden die Lichtstrahlen an den Übergängen gebrochen. Sie ändern ihre Richtung und ihre Geschwindigkeit. Bildlich gesprochen. macht der Lichtstrahl einen Knick. Wie stark dieser Effekt ist, hängt vom Brechungsindex des Mediums ab.

Bestimmung mit dem Hand-Refraktometer

Die einfachste Bestimmung des Brechungsindex erfolgt mit einem Hand-Refraktometer. Es nutzt dafür das Verhalten von Licht am Übergang zwischen einem Prisma und dem zu prüfenden Stoff. Eine typische Anwendung ist die Messung des Zuckergehalts im Traubenmost, einem Qualitätskriterium bei der Weinherstellung. Besonders bei Lebensmitteln wird der Brechungsindex traditionell noch in °Brix oder bei Wein in °Oechsle angegeben. In der Metallbearbeitung sind Hand-Refraktometer bei der Kontrolle der Konzentration von Öl-in-Wasser-Emulsionen unerlässlich. Außerdem kann ein Refraktometer sehr hilfreich sein, wenn eine Vermischung von miteinander unverträglichen Ölen kontrolliert werden soll.

Exakte Werte nur aus dem Labor

Die Bestimmung des Brechungsindex mit einem Hand-Refraktometer ist wegen den verschiedenen Wellenlängen des Lichts nicht sehr genau. Der Wert variiert leicht mit den verschiedenen Wellenlängen des Lichts bzw. der Lichtquelle und der Temperatur. Auch für das menschliche Auge verschiebt sich in Abhängigkeit von den Lichtwellenlängen die Wahrnehmung der Farben geringfügig. Um aber Abweichungen auszuschließen und Werte wirklich vergleichbar zu machen, wurde für die Ermittlung des Brechungsindex eine Wellenlänge des Lichts definiert, die nur unter Laborbedingungen erzeugt werden kann. Das Licht der Natrium-D-Linie entsteht, wenn Kochsalz in einer Gasflamme verbrannt wird. Es setzt sich aus den Wellenlängen 588,9951 nm und 589,5924 nm zusammen. In unseren Laborberichten für Kühlflüssigkeiten geben wir den bei dieser Wellenlänge und einer Medientemperatur von 20 °C ermittelten Brechungsindex an. Je höher der Brechungsindex eines Mediums ist, desto stärker ist die Brechung des Lichts. Zur Veranschaulichung: Während ein Lichtstrahl im Vakuum einen Brechungsindex von 1,0 hat, liegt der von Luft (1013 mbar) bei 1,000272. Trinkwasser weist einen Brechungsindex von 1,333 auf. Ethylenglykol, das zum Ansetzen von Kühlwasser verwendet wird, liefert einen Index von 1,43. Mit Hilfe des Brechungsindex kann im Labor ein relativ exakter quantitativer Anteil von Ethylen- oder Propylenglykol im Wasser bestimmt werden.

Brechungsindex bei Kühlmitteln & Ölen

OELCHECK nutzt für die Bestimmung des Brechungsindex das Brechzahl-Modul RX40 von Mettler-Toledo. Es erzeugt die erforderlichen Wellenlängen des Lichts mit hoher Genauigkeit und ermittelt den Brechungsindex in einem Wertebereich von 1,3200-1,7000. Mit dem Brechungsindex lässt sich dann das Mischungsverhältnis von zwei Komponenten bestimmen.

Bei Kühlmitteln wird die Menge von Ethylenglykol oder Propylenglykol bestimmt, die dem Wasser zugemischt wurden. Eine entscheidende Information, denn der Glykolgehalt ist vor allem für die thermischen Eigenschaften des Kühlmittels ausschlaggebend und meist auch mit dem Gehalt an Korrosionsschutzinhibitoren eng verknüpft. .Für glykolfreie Kühlmittel oder Heizwässer kann der Gehalt von Inhibitoren, die dem Wasser zusätzlichen Korrosionsschutz verleihen, bestimmt werden. Da die Angabe eines exakten Mengenverhältnisses von Ethylen- und Propylenglykol mit dem Brechungsindex allein schwierig ist, bestimmt OELCHECK auch die Dichte der Kühlwassermischung. Durch den Vergleich der Messwerte lässt sich dann eine eindeutige Aussage treffen.

Bei Grundölen unterschiedlicher Herkunft und Zusammensetzung kommen wir mit dem Brechungsindex Vermischungen auf die Spur. Dabei betrachten wir in der Regel außer dem Brechungsindex noch die Dichte, den Viskositätsindex und das IR-Spektrum. Die Werte für Kohlenwasserstoffe (mineralisch oder synthetisch), Ester und Glykole unterscheiden sich allerdings nicht so stark wie bei Wasser-Glykol-Gemischen. Doch für Öle auf Silikon- oder PFPE-Basis (perfluorierter Polyether) existieren deutlich verschiedene Werte. Gerade bei Silikonen und PFPE, die nicht mit anderen Schmierstoffen verträglich sind, kann eine Vermischung überaus negative Folgen haben. Silikonöle, wie sie in einigen nicht-wassermischbaren Metallbearbeitungsflüssigkeiten oder als Isolieröle in Transformatoren eingesetzt werden, müssen absolut frei von anderen Öltypen bleiben. Ebenso dürfen Schmierstoffe auf der Basis von PFPE, die über ein außerordentliches Leistungsvermögen bei hohen Temperaturen verfügen und chemikalienbeständig sind, nicht mit anderen Schmierstoffen verunreinigt werden. Mit der Bestimmung des Brechungsindex im Labor lassen sich für diese Produkte gefährliche Vermischungen auf einfache Weise erkennen.