Dit stuk komt de website met de link beneden. Voor personen die het Engels wat lastig vinden heb ik een vertaling bijgesloten, welke ik ooit voor ons clubblad gemaakt heb.
CASTOR OIL
By Bert Striegler.
Back in 1983 there was quite a controversy in Radio Control Modeler magazine about the tests that were necessary to measure the "lubricity" of various oils that might be useful in model engines. Castor oil was used as the benchmark, but it was obvious no one knew why this was so. They apparently got a lot of info on various industry tests of lubricants, but these were really designed for other purposes. This was my answer. I will remind you that I was a lubrication engineer and not a chemist, but I drew my chemical info from Bob Durr, the most experienced lubricant scientist in the labs at Conoco. Bob worked with my group on many product development projects and I can tell you that he is one smart hombre! Small changes were made in the text, but surprisingly very little has really changed since this was originally written. Here goes with the answer:
"I thought I would answer your plea for more information on castor oil and its "film strength", which can be a very misleading term. I have never really seen a satisfactory way to measure the film strength of an oil like castor oil. We routinely use tests like the Falex test, the Timken test or the Shell 4-ball test, but these are primarily designed to measure the effect of chemical extreme pressure agents such as are used in gear oils. These "EP" agents have no function in an IC engine, particularly the two-stroke model engine types.
You really have to go back to the basics of lubrication to get a better handle on what happens in a model engine. For any fluid to act as a lubricant, it must first be "polar" enough to wet the moving surfaces. Next, it must have a high resistance to surface boiling and vaporization at the temperatures encountered. Ideally the fluid should have "oiliness", which is difficult to measure but generally requires a rather large molecular structure. Even water can be a good lubricant under the right conditions.
Castor oil meets these rather simple requirements in an engine, with only one really severe drawback in that it is thermally unstable. This unusual instability is the thing that lets castor oil lubricate at temperatures well beyond those at which most synthetics will work. Castor oil is roughly 87% triglyceride of ricinoleic acid, [ (CH3(CH2)5CH(OH)CH2CH=CH(CH2)7COO)3(OC)3H5 ], which is unique because there is a double bond in the 9th position and a hydroxyl in the 11th position. As the temperature goes up, it loses one molecule of water and becomes a "drying" oil. Another look at the molecule. Castor oil has excellent storage stability at room temperatures, but it polymerizes rapidly as the temperature goes up. As it polymerizes, it forms ever-heavier "oils" that are rich in esters. These esters do not even begin to decompose until the temperature hits about 650 degrees F (343 deg C). Castor oil forms huge molecular structures at these elevated temperatures - in other words, as the temperature goes up, the castor oil exposed to these temperatures responds by becoming an even better lubricant!
Unfortunately, the end byproduct of this process is what we refer to as "varnish." So, you can't have everything, but you can come close by running a mixture of castor oil with polyalkylene glycol like Union Carbide's UCON, or their MA 731. This mixture has some synergistic properties, or better properties than either product had alone. As an interesting sidelight, castor oil can be stabilized to a degree by the addition of Vitamin E (Tocopherol) in small quantities, but if you make it too stable it would no longer offer the unusual high temperature protection that it did before.
Castor oil is not normally soluble in ordinary petroleum oils, but if you polymerize it for several hours at 300 degrees F (149 deg C), the polymerized oil becomes soluble. Hydrogenation achieves somewhat the same effect.
Castor oil has other unique properties. It is highly polar and has a great affinity for metal surfaces. It has a flash point of only 445 degrees F (229 deg C), but its fire point is about 840 degrees F (449 deg C)! This is very unusual behavior if you consider that polyalkylene glycols flash at about 350-400 degrees F (176-204 deg C)and have a fire point of only about 550 degrees F (288 deg C), or slightly higher. Nearly all of the common synthetics that we use burn in the combustion chamber if you get off too lean. Castor oil does not, because it is busily forming more and more complex polymers as the temperature goes up. Most synthetics boil on the cylinder walls at temperatures slightly above their flash point. The same activity can take place in the wrist pin area, depending on engine design.
Synthetics also have another interesting feature - they would like to return to the materials from which they were made, usually things like ethylene oxide, complex alcohols, or other less suitable lubricants. This happens very rapidly when a critical temperature is reached. We call this phenomena "unzippering" for obvious reasons. So, you have a choice. Run the engine too lean and it gets too hot. The synthetic burns or simply vaporizes, but castor oil decomposes into a soft varnish and a series of ester groups that still have powerful lubricity. Good reason for a mix of the two lubricants!
In spite of all this, the synthetics are still excellent lubricants if you know their limitations and work within those limits. Used properly, engine life will be good with either product. Cooked on a lean run, castor oil will win every time. A mix of the two can give the best of both worlds. Most glo engines can get by with only a little castor oil in the oil mix, but diesels, with their higher cooling loads and heavier wrist pin pressures, thrive on more castor oil in the mix.
Like most things in this old life, lubricants are always a compromise of good and bad properties. We can and do get away with murder in our glo engines because they are "alcohol cooled" to a large degree. Diesels, though, can really stress the synthetics we use today and do better with a generous amount of castor oil in the lubricant mix. Synthetics yield a clean engine, while castor oil yields a dirty engine, but at least now you know why! "
Bert Striegler
Bert was the Sr. Research Eng'r. (ret.) at Conoco Oil Co. He's a graduate in aeronautical eng'rg., and a long time modeler. I never understood how he wound up in the oil research business, but I guess it's because he's just very smart ! I deserve no credit, Bert's the brain ! /George M. Aldrich
http://www.plasma.kth.se/~olsson/castor.html
Synthetische olie of wonderolie?
Vertaald uit het Engels door Rob de Wildt.
Ik vond dit artikel op het internet in het Engels en het beantwoorde een oude en “brandende” vraag over welke smeerolie nu eigenlijk te gebruiken. Meer precies, wat zijn nu eigenlijk die wonderlijke eigenschappen van Castor olie (merknaam) danwel Risinus olie (latijnse naam) of wonderolie (volksmond). Ik wilde het niemand onthouden, dus heb ik het effe vertaald.
Door Bert Striegler.
In 1983 was er een controverse gaande in Radio Control Modeler Magazine over de tests die nodig zouden zijn om de smeereigenschappen van verschillende soorten modelmotor smeerolie te meten. Wonderolie werd als richtlijn gebruikt, maar niemand wist eigenlijk waarom. Er was veel data beschikbaar van allerlei industrieële testen die eigenlijk voor heel andere toepassingen ontwikkeld waren. Dit is mijn antwoord. Ik wil u er aan herinneren dat ik een smeermiddelspecialist was en geen scheikundige. Mijn scheikundige informatie komt van Bob Durr, de meest ervaren smeermiddel scheikundige uit de laboratoria van Conoco (3na grootste energieleverancier in de USA, RdW) Bob werkte met mijn groep aan verschillende product ontwikkelingen en ik kan u verzekeren dat hij een slimme vent is! Ik heb kleine dingen veranderd in de tekst, maar er is sinds dien erg weinig veranderd. Hier komt het antwoord:
“Ik vond dat ik maar eens gehoor moest geven aan je verzoek om meer informatie over wonderolie en zijn “film sterkte”, wat een erg misleidende term kan zijn. Ik heb nog nooit een bevredigende manier gevonden om de film sterkte van een olie als wonderolie te meten. Gewoonlijk gebruiken we testen als de Falex test, de Timken test of de Shell 4-bal-test, maar deze zijn voornamelijk ontwikkeld om de efficiëntie van chemische hoge druk resistentie toevoegingen te meten, zoals die bijvoorbeeld gebruikt worden in olie voor tandwielen. Deze “hoge druk” toevoegingen hebben helemaal geen nut in een inwendige verbrandingsmotor, en al helemaal niet in 2-takt model motoren.
Je moet terug gaan naar de basis van smering om een beter inzicht te krijgen in wat er gebeurd in een model motor. Om een vloeistof als smeermiddel te laten werken moet het “polair” genoeg zijn om de bewegende opervlakken “nat” te houden. Vervolgens moet het ook hoog resistent zijn tegen koken aan de oppervlakte en verdamping bij de temperaturen waaraan het blootgesteld word. De vloeistof zou ideaal gezien olie-achtig moeten zijn, iets wat moeilijk te meten is, maar moet over het algemeen beschikken over een grote molekuul structuur. Zelfs water kan onder bepaalde omstandigheden een ideaal smeermiddel zijn.
Wonderolie combineert deze simpele eisen bij gebruik in een motor met eigenlijk maar één nadeel, het is thermisch onstabiel. Maar deze ongewone onstabiliteit is nu net de eigenschap die er voor zorgt dat wonderolie zijn werk nog doet bij temperaturen waar synthetische smeermiddelen al lang hun taak verzaken. Wonderolie bestaat voor 87% uit triglyceride van Ricinolinezuur
[( CH3(CH2)5CH(OH)CH2CH=CH(CH2)7COO)3 (OC)3H5], die uniek is vanwege de dubbele binding in de 9e positie en een hydroxyl heeft in de 11e positie. Als de temperatuur stijgt verliest het één water molekuul en wordt het een “drogende” olie.
Een andere kijk op het molekuul.
Wonderolie heeft een enorme stabiliteit tijdens opslag bij kamertemperatuur, maar polymeriseert snel als de temperatuur omhoog gaat. Terwijl de temperatuur omhoog gaat, vormt het steeds “zwaardere” olieën met een hoog gehalte aan esthers. De esthers blijven intakt tot een temperatuur van zo’n 343º Celcius. Bij deze hoge temperaturen vormt wonderolie enorme molekulaire strukturen. Met andere woorden, als de temperatuur stijgt, reageert wonderolie door een nog beter smeermiddel te worden!
Jammer genoeg kennen we het bijprodukt van al deze aktiviteit als de beroemde bruine “vernis”. Dus, je kunt niet alles hebben, maar je kunt wel dicht in de buurt komen door een mengsel van wonderolie met polyalkylene glycol, zoals bijvoorbeeld UCON van Union Carbide, of hun MA731. Zo’n mengsel bied een synergie, de gezamenlijke eigenschappen zijn beter dan die van de produkten op zich. Een interessant puntje is verder dat wonderolie gestabiliseerd kan worden door de toevoeging van vitamine E (Tocoferol) in kleine hoeveelheden, maar als je het te stabiliel maakt gaat de buitengewone bescherming bij hoge temperaturen juist weer verloren doordat het zojuist verklaarde mechanisme niet meer werkt.
Wonderolie is normaal niet oplosbaar in normale anorganische olieën, maar na een polymerisatie van enkele uren bij 149 graden wordt de olie wel oplosbaar. Met hydratatie is ongeveer hetzelfde effect te bereiken.
Wonderolie heeft nog meer unieke eigenschappen. Het is sterk polair en heeft een grote affiniteit voor metalen oppervlakken. Het heeft een vlampunt (temperatuur waarbij genoeg damp vrijkomt om een door een ontstekingsbron begonnen vlam in stand te houden RdW) van maar 229º C, maar het zelfontbrandingspunt is ongeveer 449º C! Dit is erg buitengewoon gedrag als je bedenkt dat polyalkylene glycolen een vlampunt hebben van 176-204ºC en een zelfontbrandingspunt hebben van maar zo’n 288º C. Bijna alle synthetische smeermiddelen branden in de verbrandingsruimte als de motor te schraal loopt. Wonderolie doet dit niet omdat het druk bezig is met het vormen van complexe polymeren terwijl de temperatuur omhoog gaat. De meeste synthetische smeermiddelen koken op de cylinderwand bij temperaturen weinig hoger als hun vlampunt. Afhangkelijk van het motorontwerp kan dat ook gebeuren bij de zuigerpen.
Synthetische smeermiddelen hebben nog een andere interessante eigenschap, ze keren bij voorkeur terug naar de componenten waaruit ze zijn samengesteld. Gewoonlijk stoffen als ethyleen-oxide, complexe alcoholen of ander minder geschikte smeermiddelen. Dit proces vindt heel snel plaats als de kritische temperatuur wordt overschreden. Het fenomeen heet om duidelijke redenen “ontritsen”. Dus, u heeft een keuze. Draai de motor te schraal en hij wordt te heet. Het synthetische smeermiddel verbrandt of verdampt, maar wonderolie ontleed in een zachte vernis en een serie esther groepen die nog steeds krachtige smeereigenschappen hebben. Een goede reden voor een mengsel van de twee smeermiddelen!
Ondanks alles zijn synthetishe smeermiddelen geweldig goed als je ze maar gebruikt binnen hun grenzen. Mits goed toegepast zal met beide producten de levensduur van de motor goed zijn. Maar als de motor wordt “gekookt” bij een schrale loop zal wonderolie altijd winnen. Met een mix van beide producten kunnen de goede eigenschappen gecombineerd worden. De meeste gloeiplug motoren redden het al met maar een klein beetje wonderolie in die mix, maar diesels met hun hogere thermische werkpunt en hogere zuigerdruk, gedeien het beste met meer wonderolie in de mix.
Zoals de meeste dingen op deze wereld zijn smeermiddelen altijd een compromis tussen goede en slechte eigenschappen. We komen weg met “moord” in onze modelmotoren omdat ze ook sterk “methanol” gekoeld zijn. Diesels overschrijden echter zeker de grenzen van hedendaagse synthetische smeermiddelen en zijn beter af met een flinke hoeveelheid wonderolie in de smeermix.
Synthetische middelen houden de motor schoon en aan wonderolie houdt u een vieze motor over, maar in elk geval weet u nu waarom!”
Bert Stiegler
Bert was de senior onderzoeks engineer bij Conoco Olie & Co. Hij is afgestudeerd in aeronautische engineering en modelbouwer in hart en nieren. Ik heb nooit begrepen hoe hij in de olie industrie is verzeild, maar waarschijnlijk omdat hij enorm slim is! Mij valt geen eer toe, Bert is de knobbel!
George M. Aldrich (overleden RdW)
Voor de volledigheid nog even de bronvermelding van het artikel:
http://www.plasma.kth.se/~olsson/castor.html
Happy Landings,
Robke