De pesca con FTIR

Para atrapar algunos síntomas del cambio

Por Mike Johnson

La Espectroscopia Infrarroja de Transformación de Fourier (FTIR) es un instrumento analítico poderoso y extensamente utilizado en el análisis de aceite como uno de varios métodos para identificar las condiciones cambiadas del lubricante. Tiene una fuerte utilidad como un indicador claro de unas pocas condiciones específicas y un indicador vago de una gran variedad de condiciones que justifican una mirada más cerca. El propósito de este artículo es de revisar el método de la prueba de FTIR y reforzar su importancia como una gran herramienta de reconocimiento en un programa de análisis de aceite.

Buscando pistas

Hay una variedad de métodos comúnmente reconocidos de prueba utilizados por los practicantes del análisis de aceite de investigar las muestras. El proceso de investigación permite al laboratorio valorar rápidamente la naturaleza de una muestra dada y determina si se requieren pruebas adicionales y más especializadas. Los resultados de la investigación los métodos son importantes a la decisión de aceptar la posición de la máquina como esta o para avanzar con pruebas más sofisticado ya sea en el sitio (OSA) o por una facilidad comercial (CLA).

Dado al alto costo de, y de la dificultad asociada de justificar, los instrumentos comúnmente utilizados de laboratorio para el uso interno, el laboratorio local sería un lugar lógico de ver la investigación cualitativa de los métodos utilizados extensamente en vez de los instrumentos cuantitativos. Varios métodos de escaneo que podrían ser utilizados son mostrados en la tabla 1.

Si uno o más parámetros señalan hacia una condición probable, tal como la presencia de humedad en una muestra, entonces métodos específicos de condición son utilizados para proporcionar los resultados cuantitativos. El laboratorio de OSA escogerá la prueba específica, o escogerá un paquete de pruebas, incluyendo la prueba específicamente destinada, para ser realizada en un laboratorio comercial para crear una base más completa para el juicio.

Los laboratorios comerciales, con el acceso a instrumentación más sofisticada y a menudo más automatizada, son menos probable de depender de la variedad de pruebas, pero puede escoger utilizar algunos para una dirección muy específica. La espectroscopia de FTIR proporciona el valor substancial como una prueba preliminar y como un método terminal de prueba.

Dentro del Espectrógrafo de FTIR

Es útil tener una comprensión básica de lo que el instrumento lee. La energía Infrarroja (IR) es una de varios tipos de energía que hace el espectro electromagnético (EME). Los humanos gozan los beneficios de varias frecuencias electromagnéticas en formas de colores de luz visible, y en forma de ondas de energía que llevan los programas de televisión y radio. Sin embargo, los humanos no pueden observar el espectro entero de la EME. Dentro del espectro electromagnético – la energía infrarroja es apenas más allá de la gama visible.

La porción infrarroja del espectro cubre un área donde las ondas de EME recorren de 0,00008 cm a 0,04 cm. Los físicos y químicos se refieren a un número de onda cuando se refieren a una longitud de onda específica, o más correctamente la frecuencia de onda. Los instrumentos infrarrojos utilizan el 'de medio alcance infrarrojo' porción de la gama infrarroja, que incluye los números de onda entre 4000 y 400 (el número de onda se vuelve más pequeño mientras la gama de EME se mueve aún más lejos de la energía visible). El número de la onda es un valor calculado, derivado dividiendo uno por la longitud de onda, y expresando esto en centímetros, de la siguiente manera:

Los lubricantes son hidrocarburos complejos. Los átomos en la molécula del hidrocarburo son vinculados por la atracción polar. Los bonos están en un estado constante de expansión, contracción y movimiento relativo. La energía infrarrojo en diferentes números de onda puede excita los bonos, basado en el tipo de cada bono.

Cuándo la energía infrarroja es pasada por una molécula dada, la molécula absorbe parte de la energía en un número de onda específico (dependiendo en el tamaño de la molécula, la estructura del bono y la composición). Como se muestra en la Figura 1, el área y el grado específico de la absorción son notados en el número de onda y por los grados de la intensidad.

Tabla 1- Metodos de escaneo y que es lo que encuentran

OSA = Analisis en Sitio CLA/ Analisis de Laboratorio Comercial

1. Esto depende en el volumen de procesamiento de muestra, y en la inclusión de métodos especializados de blotter en el paquete de prueba.
2. El costo de instrumentación es alto, pero dependiente del tamano. Para Instalaciones muy grandes, puede ser justificado.

Nada de esta información es especialmente útil por sí misma, pero le ayuda a saber cómo trabaja la tecnología para entender las fuerzas y las debilidades relativas de la tecnología infrarroja.

Usando FTIR para identificar cambios en el Lubricante

Armado con el conocimiento del espectro de la EME y cómo la energía infrarroja afecta a las moléculas, comenzamos a entender que los componentes moleculares diferentes y sus concentraciones respectivas dentro del lubricante pueden ser identificados basado en una respuesta en un número de onda dado. La Figura 3 muestra los componentes comunes de un lubricante de motor identificado en un escaneo infrarrojo. Tan largo como nada causa que las moléculas cambien, entonces la firma se quedará constante de análisis a análisis.

Desgraciadamente para el usuario de lubricante, el deposito del lubricante es un caldero lleno de las fuerzas que cambian el lubricante, causando que algunos aditivos se fracturen, algunos cambien su forma química, algunos sean absorbidos, e incluso causando que se formen nuevas moléculas (especies). Los catalizadores comunes que promueven el cambio y la degradación del lubricante incluye:

• Residuos metálicos (principalmente hierro y cobre)

• Químicos de la atmosfera

• Procesos químicos

• Humedad

• Calor

• Aire (principalmente oxigeno y nitrógeno)

Las fuerzas señaladas arriba trabajan para producir sinérgicamente una gran variedad de productos secundarios de degradación que puede incluir aldehídos, acetonas, ácidos, sulfatos, compuestos de polímeros y carboxylates. La formación de estas especies de degradación es acelerada por el calor y la concentración de los otros catalizadores presentes. El tipo de base y el tipo, calidad y estabilidad de los aditivos tendrán también una influencia en la formación de sustancias químicas importunas.

Como las moléculas cambian, su intensidad y numero de onda respectivos (ubicación) en los espectros del IR también cambian. La mayor parte de los cambios no están al beneficio del lubricante, y ciertamente tiene sentido entender cuáles cambios tienen el potencial para crear problemas. El escaneo infrarrojo proporciona la evidencia del cambio molecular que puede ser utilizado para tomar las decisiones adecuadas con respecto a los lubricantes por adelantado del deterioro de la calidad del lubricante. Como se muestra en la Figura 4, cuando el escaneo  de la muestra original es comparado al mismo lubricante en su condición actual es posible identificar los cambios, algunos con claridad absoluta. Aún sin saber los tipos de moléculas que corresponden al número de onda, son obvias que los cambios al lubricante han ocurrido.

El espectro en la Figura 2 representa el escaneo en aceite nuevo y utilizado. La línea negra representa aceite nuevo y la línea roja es un escaneo del mismo aceite después de un período de uso. El analista en un laboratorio compararía los dos escaneos y busca cambios significativos. Las diferencias en el número de onda conocido pueden indicar las condiciones específicas, y prever los remedios específicos – es decir la necesidad para un cambio de aceite.

En el curso de realizar el análisis del lubricante rutinario, el analista realizará el escaneo, identifica el numero de onda basado en la conjetura intuitiva y el uso de una biblioteca de compuestos conocidos, mide el grado del cambio del resultado previo, y ofrece un veredicto, que debe ser demostrado en forma de una nota en el informe del análisis del aceite.

Caso de Ejemplo: Verificando la Degradación del Aditivo con FTIR

Los Laboratorios Herguth en Vallejo, California, proporcionan rutina de calidad e investigan análisis de aceite para múltiples industrias. Recientemente Herguth realizó experimentos para confirmar el potencial para la energía UV (la luz del sol) induce la degradación de aceites de turbina.

Figura 1 (1)

Los tipos específicos de bonos son estimulados por intensidades IR específicas de energía. Cuándo el elemento y tipo bono es conocido, el análisis IR puede proporcionar la dirección para contestar las preguntas acerca del cambio de lubricante.

 

En este experimento, cuatro muestras de aceite fueron sujetas a la energía UV por un período de 5 días, y entonces fueron analizados para la evidencia del cambio debido a la exposición a la energía UV. Como se vio en la Tabla 2, varias pruebas fueron realizadas en cada muestra antes y después de la exposición para identificar cualquier evidencia de la estabilidad perdida. El cambio más claro ocurrió en los resultados de la Prueba A  estabilidad de la oxidación, que es un indicador clave. Se realizaron escaneos FTIR en las muestras, con el interés específico en la evidencia del cambio en la integridad de inhibidor de oxidación.

Tabla 2 - Múltiples fuentes de datos son útiles para confirmar las sospechas de un problema, o para proporcionar evidencia a un problema confirmado. Muchos métodos de prueba basados en lubricantes proporcionan información en más de una condición.

El escaneo reveló un cambio digno de mención en la Prueba A, como se vio en la Figura 3. La línea azul representa la nueva condición del aceite y la línea roja representa la condición del aceite que sigue la exposición UV. Hay un cambio en un número de onda que corresponde a un compuesto de nitratación (1688). El compuesto específico no es identificado pero los resultados señalan hacia tipos de compuestos de conteniendo Nitrógeno, tal como un inhibidor de oxidación o antioxidante primario de amina.

Siempre que hay un pico pronunciado en un número de onda particular (como se ve en la Figura 3), esta es una señal clara para investigar con pruebas adicionales. De hecho, el análisis IR a menudo señala a una necesidad para un análisis más definido. Como tal, el análisis IR puede ser un instrumento de investigación poderosa.

Figura 2 (2)- Comparativo de escaneos FTIR con aceite nuevo y usado

La evidencia del cambio en un número de onda específico identifica sólo un área para una búsqueda, pero no demuestra nada concluyente. Si el laboratorio que realiza el análisis también tiene información confidencial de la construcción y materias primas específicas utilizadas en el lubricante, entonces las pistas acortan el proceso al descubrimiento, que es muy probable cuando el fabricante del lubricante realiza el análisis.

La perspectiva de un inhibidor degradado de amina por si mismo no significa que el lubricante esta comprometido, pero ciertamente señala la manera para la actividad predictiva futura, y ayuda a poner un horario para la acción correctiva. En este caso particular, hay evidencia del cambio (el color, la viscosidad) y la evidencia de la resistencia perdida de la oxidación para la Prueba A (PDSC y RPVOT), pero ninguna evidencia semejante en las otras muestras.

Figura 3 Escaneos FTIR de la Muestra "A" en el experimento del Laboratorio de Herguth. Notese los picos pronunciados

Resumen

Esta introducción breve al análisis de FTIR debe afilar el apetito para usuarios de análisis de lubricante para incorporar este método en su análisis rutinario. El costo adicional agregado, especialmente en máquinas críticas, produce valor verdadero cuando los datos son utilizados para la administración a largo plazo de la confiabilidad.

Ya sea que sólo tenga estos datos o los utilice con otros datos significativos, el análisis de FTIR proporciona indicios significativos que ayudan al analista hábil a identificar las causas primordiales que pueden llevar al problema. En algunos casos, los indicios obligan (tal como las medidas de la concentración de hollín) y en otros casos, los indicios sólo ofrecen la dirección para el análisis adicional. Hago un reconocimiento especial a Bill Herguth de Laboratorios Herguth, por la información y la guía en algunos de los detalles IR encontrados en este artículo.

Mike Johnson es el fundador de Advanced Machine Reliability Resources Inc., una empresa que proporciona desarrollos de programas de precisión de lubricación, consultaría y capacitación. El ha escrito y presentado numerosos artículos técnicos en simposiums y conferencias en Norte America sobre como utilizar el lubricante de la maquina para conducir a la confiabilidad de la maquina. Mike esta felizmente casado, juega y entrena futbol socer, y tiene 3 hijos pequeños que consumen el tiempo y atención restante. Puede ser contactado en mjohnson@amrri.com, o al teléfono 1-615-771-6030.

1 Geach, Alistair. “Infrared Analysis as a Tool for Assessing Degradation in used Engine Lubricants”. Wearcheck, S. Africa. http://www.wearcheck.ca/literature/ techdoc/WZA002.htm

2. Wooton-Consulting, Dave_Wooton@att.net

3 Herguth, W., Adams, H; “Sunlight Degradation of Lubricants”. Herguth Laboratories. 2005.

4. Ibid 3.