Prüfverfahren und Geräte im OELCHECK-Labor

Schmierfette – OELCHECK optimiert Bestimmung von Verschleiß- und Additivelementen

Erscheinungsjahr: 2023

OELCHECK ist weltweit eines der wenigen Labore, die Schmierfette analysieren. Bei deren Untersuchung spielt, wie bei Schmierölen, die Bestimmung der in ihnen enthaltenen Verschleiß- und Additiv elemente eine wichtige Rolle. Doch im Gegensatz zur Schmier- oder Kraftstoffanalytik, existieren keine international gültigen Normen für die Durchführung von Fettanalysen. Die Labore wenden deshalb unterschiedliche, oftmals selbst entwickelte, nicht validierte Testverfahren an, deren Ergebnisse voneinander abweichen können.

Eine unbefriedigende Situation, die nach mehr Klarheit verlangt! Daher haben wir die Initiative ergriffen und über 100 Proben unterschiedlichster Gebrauchtfette mit den drei gängigsten Verfahren analysiert.

Fünf ICP-Spektrometer von Spectro Ametek gibt es bei OELCHECK – Sie kommen nach dem Aufschluss einer Fettprobe mit einem der neuen Mikrowellengeräte zum Einsatz. Bei der Bestimmung von bis zu 22 Verschleiß- und Additivelementen gemäß DIN EN ISO 11885 geht es heiß her. Mit seinen ca. 8.000 °C liefert ein Argonplasma die Energie zur Anregung der einzelnen Elemente.

Drei Verfahren im Vergleich

Bei der Analyse von Verschleiß- und/oder Additivelementen aus Schmierfetten kommen überwiegend diese von uns getesteten Verfahren zum Einsatz:

ICP-OES – die Optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma
RDE-OES – die Optische Emissionsspektrometrie nach dem Rotrode-Prinzip
XRF – die Röntgenfl uoreszenzanalyse.

Alle Verfahren beaufschlagen die Probe mit Energie und erreichen damit eine Anregung der Elemente. Bei der Röntgenfl uoreszenz (XRF) geschieht das durch die Röntgenstrahlung, bei der Rotrode durch eine Funkenentladung und bei der ICP-OES durch ein ca. 8.000 °C heißes Argonplasma. Die Elemente verbleiben nur für den Augenblick der Anregung im entsprechenden Zustand. Bei der Rückkehr in den sogenannten Grundzustand wird diese Energie von den Elementen in Form von Licht abgegeben. Jedes Element hat ein eindeutiges, charakteristisches Linienspektrum. Man kann also Eisen ganz klar von Aluminium unterscheiden. Die Intensität des Lichts korreliert direkt mit der Konzentration des Elements in der Menge. Über eine Kalibration des Instruments kann die Konzentration sehr genau bestimmt werden.

RDE-OES und XRF mit Schwachstellen

Bei Ölen handelt es sich um homogene Mischungen, die man einfach direkt oder nach vorheriger Verdünnung analysieren kann. Fette sind dafür aufgrund ihrer Zusammensetzung selten geeignet. Damit ein Fett zum Fett wird, ist ein sogenannter Verdicker beigefügt. Dieser sorgt dafür, dass der Schmierstoff ortsfest verbleibt und er das gebundene Öl erst unter den vorgesehenen Bedingungen abgibt.

Als Verdicker werden überwiegend Lithium-, Calcium- Natriumoder Aluminiumseifen verwendet. Diese Verbindungen mit anorganischem Anteil können bei der Analytik ein Hindernis darstellen, da sie nicht in organischen Lösungsmitteln gelöst werden können. Es kommen auch Verdicker auf organischer Basis, oftmals sogenannte Polyharnstoffe, zum Einsatz. Aber auch diese sind nicht ohne weiteres in organischen Medien löslich.

Um diese Hürde zu umgehen, behilft man sich mit einer Methode, die keine Verdünnung mit einem organischen Lösungsmittel bedarf, wie z.B. die XRF oder die RDE-OES. Mit ihnen können Fette ohne weiteres direkt untersucht werden.

Allerdings gibt es bei diesen beiden Verfahren einiges zu beachten.

Die XRF ist zum Nachweis sogenannter „leichter“ Elemente, wie z.B. Lithium, nicht geeignet. Dies ist ein deutlicher Nachteil, wenn ein Fett mit einer Lithiumseife untersucht oder eine Vermischung mit demselben nachgewiesen werden soll. Außerdem muss bei der XRF eine genaue Matrixkompensation durchgeführt werden. Es muss also genau bekannt sein, wie das Fett zusammengesetzt ist, damit einhergehende Einflüsse daraus herausgerechnet werden können. Es kann sonst zu Über- oder Unterbefunden kommen. Das Wissen über die genaue Zusammensetzung ist bei der Gebrauchtfettanalytik äußerst selten der Fall. Zwar liegen uns die Daten der meisten Frischfette vor. Doch im individuellen Gebrauch verändert sich der Verdicker der Fette und damit u.a. der Tropfpunkt sowie sein Fließverhalten.
Die RDE-OES arbeitet mit einem „Funkenrädchen“ und einer Graphitelektrode. Das Fett wird darauf direkt aufgetragen und in einem Lichtbogen, der bei ca. 40.000 Volt gezündet wird, bis auf über 8.000 °C erhitzt. Die in Form von Temperatur zugefügte Energie regt die Elemente an und veranlasst jedes vorhandene Element, Licht einer charakteristischen Wellenlänge zu emittieren. Allerdings muss die Schichtdicke der auf das Funkenrädchen aufgebrachten Probe mittels einer Lehre genau eingestellt werden. Schmierfette enthalten aber oftmals große Abriebpartikel, diese können im Funkenbereich bei der RDE-OES sehr große Lichtmengen verursachen und somit zu einem Überbefund führen, der wiederum auch andere Elemente betrifft. Außerdem verändert sich durch das Abbrennen der Fettschicht auf dem Funkenrädchen die Zusammensetzung und damit der sogenannte Blindwert. Es kann also hier auch zu Beeinträchtigungen des Befundes kommen.

ICP-OES und Mikrowellenaufschluss eine überzeugende Kombination

Um zuverlässige Werte für die Verschleiß- und Additivelemente in einer Fettprobe zu erhalten, sollten vor deren Bestimmung mögliche Störfaktoren eliminiert werden. Dies betrifft die Matrix und damit vor allem den Verdicker des Fetts. Man muss sich seiner erst einmal „entledigen“, um eine klare und trübungsfreie Lösung zu erzeugen. Der Chemiker nennt dieses Verfahren „Aufschließen“. Dies geschieht typischerweise durch Zusatz einer starken Säure und gleichzeitigem Erhitzen. Heute gelingt dies mit Hilfe moderner Labormikrowellen. Das Resultat ist eine klare, wässrige Lösung, die dann problemlos mittels ICP-OES, der Optischen Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma, analysiert werden kann.

Die Vorteile dieses Vorgehens liegen auf der Hand:

Es werden sämtliche Störfaktoren, wie Inhomogenität der Probe, Einflüsse durch Mischungen oder Hintergrundeffekte, eliminiert.
Somit wird der Weg für die Messung nach der DIN EN ISO 11885, einer international anerkannten Norm, frei. Dieses Verfahren beschreibt die Bestimmung von Elementen in wässrigen Lösungen mittels ICP-OES. Diese erlaubt sehr niedrige Nachweisgrenzen, teilweise im ppb-Bereich („Parts Per Billion“).
Ein weiterer Vorteil ist die deutlich geringere Probenmenge. Eine XRF-Analyse z.B. benötigt mindestens 50 g eines Gebrauchtfetts. Eine Menge, die sich oft nur sehr schwer oder in
einigen Fällen in diesem Umfang gar nicht aus einem Lager entnehmen lässt. Die ICP-OES kommt dagegen mit einer wesentlich geringeren Menge aus. Nach dem Aufschluss mit der Mikrowelle benötigt sie lediglich 0,5 g für die komplette Untersuchung!

Multiwave 5000 – Anton Paar — Neu im OELCHECK Labor – Zwei leistungsstarke Mikrowellengeräte Multiwave 5000 des Herstellers Anton Paar. Auf einem Rotorteller werden 20 Fettproben platziert. Für die Aufschließung der Proben benötigen die Mikrowellengeräte jeweils 90 Minuten zuzüglich 30 Minuten Abkühlzeit.

Das Fazit für unser Labor

Alle beschriebenen Verfahren liefern im Rahmen ihrer Systemgrenzen verwertbare Ergebnisse. Nach dem umfassenden Vergleich der drei gängigsten Verfahren zur Bestimmung der Verschleiß- und Additivelemente in Schmierfetten haben wir uns entschieden, in unserem Labor statt wie bisher die RDE-OES nunmehr die ICP-OES Analyse nach vorhergehendem Aufschluss der Proben mittels Mikrowellen einzusetzen. Dieses Verfahren fügt sich gut in unsere Laborroutine ein und die niedrigeren Nachweisgrenzen erlauben eine noch präzisere Beurteilung der Schmierfette und des Zustands der von ihnen geschmierten Komponenten.