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Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 1 Unidad Temática 3 Materiales Lubricantes Versión 2020 Todo objeto que se mueve debe ser lubricado pues todo movimiento sin una adecuada lubricación genera fricción; donde hay fricción hay desgaste; para evitar el desgaste debemos aplicar los materiales lubricantes. Los materiales lubricantes ejercen una acción deslizante y refrigerante. Definición Se define como lubricante a toda sustancia sólida, semi sólida o líquida de origen animal, vegetal, mineral o sintético que pueda ser utilizado a la presión y temperatura de trabajo para reducir el rozamiento de los elementos de máquinas en movimiento. La fijación de los materiales lubricantes a los componentes mecánicos tanto fijos como móviles se realiza mediante fenómenos de adhesión física o química. Degradación de las superficies debido a una lubricación deficiente La degradación de las superficies deslizantes se debe a: • El desgaste originado por el diseño inadecuado del sistema además de la incorrecta selección del material lubricante; de forma tal que aparecen la fatiga y la abrasión como manifestaciones de esta situación. • La corrosión originada por la presencia de agua, temperaturas elevadas y la descomposición del material lubricante. Funciones de los materiales lubricantes Los materiales lubricantes deben mantener estable las condiciones de trabajo; esto se logra a partir de: 1. La reducción de la fricción a los efectos de minimizar el desgaste. 2. La transferencia de la potencia. 3. El mantenimiento de las características funcionales en las condiciones de temperatura y presión de trabajo. 4. El enfriamiento de la zona de contacto de los componentes móviles del sistema es decir actúa como un fluido refrigerante para la disipación del calor generado por la fricción. 5. La protección de los mecanismos de la corrosión. Clasificación de los Lubricantes Según su estado físico a) Sólidos: grafito, teflón y tanto el sulfuro de molibdeno (MoS2) como los fullerenos se utilizan como aditivos en los lubricantes semi sólidos y líquidos.; estos materiales se aplican en la forma de finas partículas. b) Semi sólidos: grasas; las grasas lubricantes se formulan sobre la base del aceite lubricante que necesita el sistema con el agregado de un jabón metálico que actúa como agente espesante para alcanzar el estado semi sólido. c) Líquidos: aceites; los aceites lubricantes se formulan sobre la base de un aceite o mezcla de aceites minerales o sintéticos y el agregado de aditivos. Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 2 d) Gaseosos: El concepto de utilización de aire como lubricante se aplica en equipos de altísima velocidad de rotación como turbinas; la inercia de rotación hace que el rotor quede suspendido en el aire, entonces el aire actúa como lubricante evitando el contacto directo con el sustrato. En algunos equipos médicos o las centrífugas para la separación de isótopos radioactivos que trabajan a muy bajas temperaturas se utiliza helio como gas refrigerante. Náutica, desde hace tiempo se disminuye la resistencia hidrodinámica de los cascos de las embarcaciones inyectando aire en la zona de interfase casco y agua; esta situación permite el incremento de su velocidad de embarcaciones, por ejemplo en alíscafos, lanchas rápidas, submarinos y torpedos. Uno de los casos más destacados son las embarcaciones conocidos como overcrafts que realizan el transporte de pasajeros y cargas entre las islas británicas y el continente europeo; las mismas usan una serie de ventiladores verticales hacen elevar la embarcación por encima de la superficie del mar y otros ventiladores lo impulsan en forma horizontal. Historia Los materiales lubricantes acompañaron al hombre desde que inició los primeros desarrollos tecnológicos; se comenzó vertiendo agua sobre las rocas para permitir el deslizamiento de los bloques de piedra durante la construcción de edificios al agregado de aceites vegetales y grasas animales en los ejes para facilitar el buen funcionamiento de ruedas, poleas y tornos. Entre los aceites vegetales más utilizados en la antigüedad se encuentra el aceite de oliva en los países de la cuenca del Mediterráneo y el aceite de soja en China. En los ejes de carros se utilizaban grasas de los animales pues estos productos de características semi sólidas evitaban el escurrimiento característico de los aceites. A medida que los requerimientos tecnológicos avanzaron se encontró que tanto los aceites vegetales como las grasas animales presentaban los siguientes inconvenientes: • A temperaturas elevadas su viscosidad disminuye apreciablemente además que sufren procesos de oxidación y transformación; en el primer caso se combinan con el oxígeno atmosférico y en segundo término se combinan con otros compuestos que acompañan a estos productos de origen natural y cambian sus características. • A temperaturas muy bajas su viscosidad se incrementa de tal forma que bajo ciertas condiciones de frío extremo frenan e incluso impiden el movimiento de los sistemas. Estos problemas se redujeron con la obtención de los primeros aceites a partir de la destilación de los carbones minerales; estas destilaciones generaban un producto líquido de baja viscosidad denominado kerosene que se utilizó como combustible en lámparas para iluminación además se obtenía un derivado líquido de mayor viscosidad que se utilizó como lubricante. Sin embargo el producto que se utilizó en forma masiva desde principios hasta mediados del siglo XIX como combustible y lubricante fue de origen animal y provenía parte dorsal de la cabeza del cachalote, su nombre era esperma de ballena o espermaceti. El esperma de ballena corresponde a la familia de los compuestos químicos denominados ésteres; sus características más relevantes son una elevada estabilidad a las condiciones ambientales; genera una combustión libre de residuos carbonosos y de buena luminosidad además resulta ser un excelente lubricante líquido de baja viscosidad, de tal forma que la inmensa mayoría del instrumental y relojería de la época era lubricada con este producto. Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 3 La explotación del petróleo hizo que los combustibles y lubricantes aparecieran con una fuerza incontenible debido a su bajo precio relativo motivado por la abundancia del recurso petrolero y su facilidad de explotación; en el caso de los aceites lubricantes su obtención se realizaba utilizando tecnologías de destilación similares a las aplicadas en la explotación del carbón. De esta forma se cambió radicalmente el panorama del sector además los productos generados satisfacían plenamente las aplicaciones tecnológicas de esos momentos. A partir de mediados del siglo XX se aparecieron los problemas con los productos lubricantes en los vehículos automotores; con los aceites monogrado cuando las condiciones de temperaturas eran por debajo de cero grado se tornaban muy viscosos incluso se congelaban y durante la temporada veraniega perdían la viscosidad generando problemas de fricción. Los primeros productos que daban respuesta a esta situación fueron los aceites multigrado constituidos por un aceite acompañado por un polímero que en condiciones de baja temperatura se comporta como esferas que mantienen el aceite con una viscosidad adecuada para un buen arranque y a medida que el aceite alcanza la temperatura de trabajo los polímeros se van extendiendo incrementando en forma paulatina la viscosidad; el propósito es de mantener similares características de lubricacióntanto en el arranque como durante la marcha del vehículo. De forma casi simultánea al desarrollo de los aceites multigrados aparecieron en el mercado los aceites sintéticos; a pesar de que se los conocía unas décadas antes su difusión fue postergada debido a su elevado precio relativo. Los aceites sintéticos son productos químicos que se obtienen a partir de síntesis; es el hombre el que los diseña y formula pudiendo ajustarlos a los requerimientos que cada dispositivo necesita. Simultáneamente comenzaron a aparecer en el mercado los aceites lubricantes aditivados donde las carencias de determinadas características son suplidas por los aditivos. El escenario tecnológico de la última mitad del siglo XX llevó a máquinas y equipos a desempeñarse en condiciones de temperaturas muy elevadas y en ciertos casos como la aviación comercial y militar tener que soportar condiciones de muy baja presión; a esto se agrega la actividad espacial con la creación de la Estación Espacial Internacional; la solución a los temas de lubricación en estas condiciones se concretó por medio de compuestos poliméricos derivados del teflón; esta familia de lubricantes se basan en los perfluopoliéter (PFPE; – CF2 – CF2 – O –) de nombre comercial Krytox que junto con los ciclopenta amidas son los materiales lubricantes de una enorme estabilidad física y química en condiciones extremas de altas y bajas temperaturas y aún en condiciones de altas y muy baja presión pueden mantener su viscosidad correspondiente Materiales lubricantes: aceites Los aceites son los materiales lubricantes más utilizados; para su obtención se prefieren los petróleos de base parafinica. En 1932 se inauguró en la refinería de YPF en Ensenada la primera planta para la obtención de materiales lubricantes de Sudamérica que constaba de una torre de destilación al vacío junto con unidades de procesos para el desnaftado, desparafinado y purificación de lubricantes. La destilación en condiciones sub atmosféricas del residuo de la destilación primaria (crudo reducido) produce los distintos tipos de aceites: 1. Los aceites livianos para carter de motores a explosión (motos, coches y camiones). 2. Los aceites medianos para lubricación en general. 3. Los aceites pesados para lubricación en especial o para usarlo para mejorar la viscosidad a los aceites livianos y medios. Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 4 Respecto de los aceites pesados se suele realizar una nueva destilación al vacío para separar otros productos más viscosos. Esquema de fabricación Las bases asfálticas junto con los aceites pesados se someten a procesos oxidativos para obtener productos de extrema consistencia llamados asfaltos oxidados usados en las mezclas para pavimentos y membranas asfálticas para techos y como residuo final del proceso el coque de petróleo usado como componente del coque metalúrgico en altos hornos o como combustible. Refinación de los aceites A los efectos de adecuar los aceites lubricantes al uso a que serán destinados se procede a su refinación, la misma se basa en una serie de procesos denominados unidades. Unidad de Furfural: en esta unidad se eliminan parte de los hidrocarburos aromáticos, los cuales reducen la viscosidad de los aceites. El proceso se basa en el mezclado de los aceites en un reactor del tipo torre con agitación junto con un solvente llamado furfural, él cuál disuelve los hidrocarburos aromáticos que luego se extraen por decantación. El furfural se caracteriza por su olor es muy desagradable, se obtiene a partir del procesamiento de la cáscara de avena con ácido sulfúrico y vapor de agua. H – C C – H El furfural es un heterociclo .mono sustituido no saturado ׀׀ ׀׀ H – C C – C ═ O ׀ O H Unidad de Desparafinado: éste proceso será indispensable en el caso de aceites originados en petróleos parafínicos destinados a equipos que trabajen a bajas temperaturas, ya que las ceras parafinicas tenderán a separarse por congelación. Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 5 El tratamiento se basa en el agregado al aceite de mezclas de solventes del tipo MEK, benceno, tolueno y luego se enfría, esto produce la precipitación de las parafinas, las cuales se separaran mediante filtros prensa o filtros al vacío. Unidad de Ácido: en esta unidad se tratan solamente los aceites de alta viscosidad para obtener productos de alta exigencia en lo que se refiere a las altas temperaturas de trabajo, por ejemplo en los casos de lubricantes para turbinas de vapor. El tratamiento se basa en el agregado de ácido sulfúrico concentrado a los aceites, de manera tal que se sulfonan los hidrocarburos, generando los denominados sulfonatos de petróleo que por resultar hidrosolubles se separan decantación. Unidad de Desasfaltado: en esta unidad se procede a separar los compuestos asfálticos, se obtienen dos aceites base el BS (bright stock) y el CS (cilinder stock) usados como aditivos espesantes o mejoradores de la viscosidad de los aceites. El tratamiento se basa en la mezcla de los residuos del fondo de la torre de destilación de aceites con gas propano en condiciones de presión reducida y temperaturas elevadas, se producirá la separación por decantación de los distintos tipos de aceites. Unidad de Hidrogenación: por este método se obtienen aceites de alta resistencia a la oxidación esto se debe a la eliminación de las dobles ligaduras. El proceso se basa en el pasaje del aceite con hidrógeno gaseoso sobre un lecho de catalizador de Ni metálico a 200°C en condiciones de presión reducida. Unidad de Filtrado con Tierras: sirve para dar la terminación final al producto, esta operación se realiza agregando las tierras filtrantes al producto para luego filtrarlo con un filtro prensa. Las funciones que cumplen estas tierras filtrantes son: a) La retención de las sustancias coloidales en suspensión. b) La reducción de las sustancias colorantes. c) La separación de los ácidos orgánicos. d) La eliminación de los restos de humedad, cabe destacar que estos filtros no se deben utilizar para secar productos pues el exceso de humedad inutiliza las tierras filtrantes. Filtro prensa horizontal Placas y marcos de los filtro prensa Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 6 Clasificación de los Aceites Lubricantes Según su origen Aceites de base parafínica o isoparafínicas (ramificados): los aceites lubricantes de buena calidad provienen de estas bases, su rango de aplicación es muy amplio donde predominan los hidrocarburos saturados con un alto contenido de parafinas. Las propiedades más importantes son su alta viscosidad y bajo contenido de volátiles. Aceites de base nafténica: por carecer de ceras parafínicas son ideales para usar en equipos refrigerantes pues en general no se congelan, los compuestos orgánicos volátiles se eliminan en la unidad de furfural. Aceites de base mixta: prácticamente los aceites actuales proceden de los llamados crudos de base mixta ó intermedios. Los términos parafínicos o nafténicos no deben tomarse de manera absoluta sino como una mezcla en la cuál predomina esa especie química. Aceite de basearomática: sus características son las más inadecuadas para su uso como lubricante, pues los aceites obtenidos tienen baja viscosidad, altos volátiles, son fácilmente oxidables, tienden a formar resinas y se emulsionan con el agua. La presencia de pequeñas porciones de hidrocarburos aromáticos permite la correcta solubilización de aditivos. Aceites Sintéticos: estos aceites son los más utilizados en los países con pocos recursos petroleros ya que en el caso de aceites para carter su elevada estabilidad hace que la reposición deba realizarse cada 50.000 Km aumentado notablemente su vida útil. Esto permitió solucionar dos problemas, uno es la escasez de petróleo y el otro es la disposición final del aceite usado. Su desventaja es el precio relativo muy elevado respecto de los aceites derivados del petróleo. Estos aceites están constituidos por ésteres del ácido fosfórico, aceites de siliconas, glicoles, y éteres aromáticos. También se ofrecen aceites semi sintéticos con propiedades intermedias. Clasificación según su aplicación Industrial a) Carter de motores a explosión. b) Rodamientos. c) Engranajes o de caja de olor azufrado debido a los aditivos de extra presión. d) Turbinas de vapor. e) Compresores aire-gas y frigoríficos. Se debe prestar atención pues en los ámbitos fabriles también se utilizan productos de características físicas similares a los aceites pero que no cumplen la función de lubricación Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 7 1. Aceites dieléctricos para transformadores de alta tensión; su función es refrigerante; controla la temperatura de los bobinados del transformador. 2. Fluidos térmicos; se utilizan en calderas que en lugar de usar agua usan aceite lo que les permite alcanzar temperatura más elevadas trabajando a presión atmosférica. 3. Fluidos hidráulicos; sirven para el accionamiento de dispositivos de carga; son de color rojo para evitar que sean utilizados como lubricantes. Clasificación de aceites para carter de motores a explosión El tipo de aceite a utilizar en cada vehículo queda determinado en las especificaciones de fabricación, cada fabricante resuelve sobre la base de ensayos funcionales cual es el tipo de aceite que se debe utilizar. El producto comercial está constituido por uno o más aceites denominados de base que son comunes a todas las empresas que se dedican a su comercializan y es el agregado de los aditivos los que la diferencian a cada empresa. Los aceites base o comunes a todos se dividen según su origen; en minerales (provienen del petróleo) y sintéticos. Los aceites semi sintéticos resultan la mezcla de los minerales y sintéticos. Evolución de los aceites para carter 1.- Aceites monogrado fueron los primeros con la viscosidad adecuada a la temperatura de funcionamiento del motor; su nomenclatura fue establecida por Sociedad de Ingenieros Automotrices de EUA (SAE) y se los denominó SAE 30, SAE 40 y SAE 50; esta numeración corresponde a valores crecientes de viscosidad. Los aceites para lubricación de alta presión o extrema en todo tipo de vehículos (cajas de cambio, dirección y transmisión) mantienen esta nomenclatura pero su viscosidad es mucho mayor y van de SAE 90 a 140. 2.- Aceites aditivados a los efectos de mejorar el funcionamiento de los aceites se le fueron incorporando aditivos, a estos productos de los llamó HD. La notación con la cual se identificaron a estos aceites tiene dos versiones que identifican a • Motores nafteros como S (sigla de sparkle o chispa en idioma inglés); la evolución de la aditivación se inició con SA y actualmente se encuentra con SM. • Motores gasoleros como C (sigla de compresion en idioma inglés); la evolución de la aditivación se inició con CA y actualmente se encuentra con CJ4. 3.- Aceite hidrogenados una innovación importante para mejorar los aceites fue su hidrogenación, esto permitió incrementar su vida útil; actualmente este proceso es normal a todos los tipo de aceites lubricantes que se comercializan. 4.- Aceites multigrados surgen a los efectos de atender la problemática de la lubricación en los momentos iniciales del arranque en frío de los vehículos donde se requiere buena fluidez del aceite para lubricar las partes móviles y luego mantener buenas condiciones de viscosidad durante su funcionamiento normal. Tipos de aceites multigrado 5 W 30; 5 W 40; 10 W 40 y 20 W 50 Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 8 Tipos de aceites para trabajos de alta presión o extremos 75 W 90; 80 W 90 y 85 W 140 Este tipo de lubricante tiene una nomenclatura compuesta donde en primer término se indica la viscosidad en condiciones de arranque o sea en frío luego la letra W en mayúscula que en idioma inglés significa workhability o sea capacidad de trabajo y finalmente la cifra de viscosidad para las condiciones de funcionamiento normal del vehículo. 5.- Aceites semi sintéticos son aquellos donde los aceites bases corresponden a fuentes minerales y sintéticas; los tipos responden a notación vista en los aceites multigrado. 6.- Aceites sintéticos son aquellos que contiene solo aceites base de origen sintético; al igual que los semi sintéticos los tipos responden a la notación vista en los aceites multigrado. En nuestro país nos regimos por las normas IRAM con una larga tradición vinculada a las normas ASTM de EUA; en Europa se rigen por las normas ISO (International Standard Organization) A los efectos de poder utilizar aceites lubricantes de cualquier origen se encuentran registradas en tablas las equivalencias entre los distintos tipos de clasificaciones. Síntomas del deterioro de los aceites lubricantes El deterioro de un aceite lubricante se puede detectar mediante los siguientes síntomas: • El mal olor. • El oscurecimiento o enturbiamiento. • La variación de la viscosidad. • El incremento del índice de acidez. Detectable solo mediante análisis químico. Los factores que provocan el deterioro de un aceite • Exceso de temperatura: problemas en la bomba de aceite o el ensuciamiento del filtro. • La presencia de agua: ingreso de los vapores de combustión al carter. • El exceso de carga mecánica: mala elección del aceite. • La presencia de partículas metálicas: rotura del filtro de aceite. • Prolongado tiempo de uso: el aceite sufre fenómenos de corrosión y oxidación. Aditivos utilizados en los aceites lubricantes Se entiende por aditivos a aquellos compuestos químicos destinados a mejorar las propiedades de un aceite lubricante o conferir alguna propiedad que no posea. Se van a considerar los aditivos utilizados en los aceites lubricantes para carter de automóviles, en este caso se observa que las exigencias actuales planteadas por los diseñadores de vehículos están orientadas a la reducción de la cantidad de aceite, al incremento de su vida útil y la minimización de los efectos corrosivos sobre las superficies metálicas de los productos originados en la descomposición térmica de los aceites lubricantes. La reposición parcial del aceite del carter se debe hacer con el mismo que se está usando, ya que las empresas no utilizan los mismos aditivos pudiendo ocurrir que todo el aceite se eche a perder; Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 9 Los aditivos actúan sobre dos aspectos de los sistemas: • El lubricante. • Los elementos de máquinas. Clasificación de los Aditivos Según las propiedades sobrelas que actúa: a) Propiedades Físicas: viscosidad y temperatura de congelamiento. b) Propiedades Químicas: oxidación y corrosión. c) Propiedades Físico-químicas: detergencia, condiciones de extra presión, dispersión de coloides y eliminación de espuma. Tipos y características de los aditivos 1) Mejoradores de la viscosidad: su función es la mantener constante la viscosidad a pesar de los cambios de temperatura. Estos aditivos están constituidos por copolímeros del alquil metacrilato y poliisobutileno. 2) Depresores de la temperatura de congelamiento: su función es evitar a bajas temperaturas la formación de cristales o de impedir el crecimiento de las parafinas. Estos aditivos están constituidos por poliacrilamidas. 3) Antioxidantes: la oxidación de los aceites lubricantes está influenciada por: a) Elevadas temperaturas de trabajo b) Prolongado tiempo de exposición c) Impurezas del aceite Este fenómeno surge a través de complejas reacciones químicas. Los antioxidantes sirven para retardar o impedir la fijación del oxígeno libre sobre las uniones dobles. La oxidación se manifiesta por: a) El aumento de la viscosidad b) El enturbiamiento c) La formación de compuestos ácidos. Los aditivos están constituidos por terpenos sulfurizados, grasa de cerdo sulfurizada, butil hidroxi tolueno (BHT), di terbutil para cresol. 4) Anticorrosivos: su función es la de formar una película protectora sobre las partes metálicas a fin de aislar los compuestos ácidos que por la presencia de agua producen corrosión. El agua aparece por la condensación de los vapores de la combustión que ingresan al carter. Los aditivos están constituidos por dialquil ditiofosfatos de Zn. 5) Detergentes: su función es evitar la formación de depósitos carbonosos en el aceite; estos depósitos están constituidos por ácidos grasos insolubles, hidrocarburos polimerizados y residuos de la combustión. La acción de estos productos es la de solubilizar los depósitos carbonosos de forma de mantenerlos en suspensión. Los aditivos están constituidos por jabones de ácidos superiores y por sulfonatos de petróleo. Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 10 6) Dispersantes: su función es la de dispersar los compuestos carbonosos evitando así su aglomeración manteniendo las partículas en forma coloidal cumpliendo una función complementaria con los detergentes, su acción se basa en el recubrimiento de los compuestos carbonosos con sustancias polares, las cuales ejercen un efecto electrostático de repulsión entre partículas o micelas de igual carga. Los aditivos corresponden a copolímeros de éster, amina y polímeros amido epoxídicos. 7) Condiciones de Extra Presión: estos aditivos evitan el contacto del metal con el metal en condiciones de lubricación límite o sea actúan en los puntos de máxima fricción. Su acción se basa en la fijación o anclado de un grupo ácido alifático sobre el metal mediante uniones químicas de dejando la parte parafínica libre para que cumpla la función lubricante. Los aditivos están constituidos por parafinas cloradas o ácidos grasos superiores sulfurados. R R R C = O C = O C = O Grupos alifáticos lubricantes S S S Base metálica Uniones químicas del tipo sp3 8) Antiespumantes: la formación de espuma está dada por los siguientes fenómenos: a) La presencia de agua b) Elevada viscosidad del aceite c) Elevada velocidad de rotación d) Baja temperaturas de trabajo . En estas condiciones el aire queda ocluido formando burbujas dispersas en todo el aceite; de esta forma se produce la ruptura de la capa de lubricante y se producen los fenómenos de fricción. Los aditivos están constituidos por compuestos siliconados. Ensayos practicados en los aceites lubricantes. Los aceites lubricantes se formulan sobre la base de las condiciones de diseño y servicio requeridas. Con el fin de aunar criterios para su control y detección de adulteraciones se establecieron de normas de calidad, las más utilizadas son la IRAM, ISO, ASTM, API, SAE. Propiedades Físicas Color En la actualidad se evalúa en forma cuantitativa; de esta forma se puede utilizar como control de calidad; aunque puede estar sujeto al enmascaramiento debido al uso de colorantes, en el caso de oscurecimiento o turbidez del aceite nos indica que algo pasó o está pasando. El color de los productos se mide mediante distintos sistemas como Saybolt, Lovibond o ASTM. Los ensayos se hacen mediante comparaciones con patrones en forma manual u opto electrónica Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 11 Viscosidad Se define como la resistencia de un líquido a fluir, es una medida del rozamiento de las moléculas que componen el lubricante. La viscosidad es una de las propiedades más importantes de los aceites lubricantes. Para lograr una lubricación eficaz será necesario que la viscosidad coincida con las condiciones de velocidad, carga y temperatura del sistema donde se va a aplicar. Existen dos tipos de viscosidad: La viscosidad cinemática y la viscosidad dinámica. Viscosidad cinemática La viscosidad cinemática mide el tiempo en segundos que tarda en escurrir un determinado volumen de lubricante a través de un orificio del tipo capilar a una temperatura establecida. Se debe entender entonces que se está midiendo en unidades de tiempo la resistencia del deslizamiento del aceite. Las temperaturas de ensayo serán de 210ºF (aprox. 100ºC) para aceites de carter y 100ºF (aprox. 40ºC) para aceites de uso industrial. El equipo más usado para medir la viscosidad en la industria petrolera es el viscosímetro Saybolt, este equipo le da el nombre a la unidad más conocidas de la viscosidad Segundos Saybolt Universal (SSU) y corresponde al tiempo en que tarda en descargar el aceite a través de un orificio capilar (de diámetro 1,7 mm) sobre una copa con el aforo de 60 mL. En los casos de aceites de elevada viscosidad se incrementa el diámetro del tubo de descarga (3 mm) y se habla entonces de Segundos Saybolt Furol (SSF) Otra unidad de viscosidad cinemática muy utilizada fuera del ámbito petrolero es el centi Stock (cSt); cSt = mm2 / s Viscosidad dinámica o absoluta La viscosidad dinámica es la medida de las fuerzas tangenciales que se requieren para mover un plano de fluido desplazándolo sobre otro plano paralelo. La fuerza aplicada para desplazar el plano móvil será: F = η h VS Siendo µ la viscosidad Unidades usadas en el Sistema Internacional: Fuerza (F) = N (newton); Superficie (S) = m2; Velocidad (V) = m / s; Altura (h) = m; Presión = Pa (Pascal); tiempo = s (segundo) Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 12 Despejandoviscosidad nos queda: µ = V h S F ; unidades s m m m N 2 = sm N 2 = Pa s Finalmente la unidad de viscosidad absoluta o dinámica resulta Pa s (Pascal x segundo) Desde el punto de vista de los conceptos de la mecánica la viscosidad nos queda expresada como una tensión de corte en función de la variación de la velocidad de un objeto en movimiento. µ = h V S F AlturaladerespectoVelocidadladeVariación CortedeTensión Esta expresión refleja la existencia de una transferencia de energía mecánica a lo largo de un gradiente de velocidad es por lo tanto una de las formas que mejor representa este fenómeno. El Sistema Internacional (SI) propone para la viscosidad el m Pa s (mili Pascal x segundo) sin embargo otra forma habitual es el centi Poise que se abrevia cP La equivalencia entre unidades resulta 1m Pa s = 1 cP La viscosidad dinámica medida en cP es equivalente a la viscosidad cinemática medida en cSt multiplicada por la densidad del aceite lubricante a la misma temperatura. Viscosidad dinámica ó absoluta [cP] = Viscosidad cinemática [cSt] x Densidad [g / mL] En el análisis de la viscosidad se observa que es una función inversa de la temperatura. Temperaturas de los ensayos Como la viscosidad es función de la temperatura; las normas ASTM establecieron que la temperatura de los ensayos de los aceites lubricantes para carter de motores a explosión se realice a 210ºF (98,9ºC) pues esta es la máxima temperatura que podría alcanzar el agua que refrigera el block del motor, en el caso de aceites para lubricación industrial, los ensayos se realizan a 100ºF (37,8ºC). Las normas IRAM argentinas han establecido una corrección en las temperaturas de los ensayos anteriores llevando a las mismas a 100°C (en lugar de 98,9°C) y 40 °C (en lugar de 37,8°C). Fluidos newtonianos y no newtonianos Fluidos newtonianos: son aquellos que no varían su viscosidad a pesar de los cambios de temperatura o durante los cambios en el régimen de rotación del sistema; son ejemplo de estos fluidos las soluciones acuosas diluidas y los solventes. Fluidos no newtonianos: son aquellos que varían la viscosidad durante los cambios de temperatura o durante los cambios en el régimen de rotación; son ejemplos de estos fluidos las tintas, salsas de tomate, mayonesa y algún tipo de pinturas. Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 13 Representación de la viscosidad de los aceites lubricantes respecto de la temperatura En este último gráfico se observa la variación de la viscosidad de dos tipos de aceites lubricantes en función de una misma variación de temperatura, el comportamiento buscado es el que responde a los aceites multi grado dónde la variación de viscosidad entre el arranque y su marcha normal es menor. Representación de la viscosidad de los aceites lubricantes respecto de la velocidad de rotación Determinación de la viscosidad Viscosidad Cinemática Existen diversos métodos para medir la viscosidad cinemática, dentro de los equipos más utilizados se encuentran el viscosímetro Saybolt y las pipetas viscosimétricas, una de ellas es la pipeta Ubbelohde. Viscosímetro Saybolt: El ensayo se basa en el escurrimiento por acción de la gravedad de un aceite lubricante a través de un orificio capilar a una temperatura establecida. La viscosidad expresada en segundos Saybolt universal (SSU) surge de la medición del tiempo de llenado del recipiente de vidrio aforado ubicado debajo de la boquilla de descarga del equipo. La unidad SSU se puede transformar en centi Stock (cSt) mediante gráficos. Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 14 Pipeta viscosimétrica Ubbelohde: además de su aplicación en aceites lubricantes, se usa también para controlar la viscosidad de aceites cosméticos y medicinales. El equipo consiste en un conjunto de 3 tubos conectados entre sí (G, H, I), que cuentan con una serie de ensanchamientos en sus diámetros, el tubo de medición I cuenta además con una reducción en el diámetro (tubo capilar R) para disminuir la velocidad de escurrimiento y poder tomar valores de medición relevantes. El ensayo consiste en hacer ascender por succión al aceite hasta el ensanchamiento D (tubo I) luego se mide el tiempo de escurrimiento (en segundos) del nivel superior de la muestra a través de los aforos E y F. Cada viscosímetro cuenta con una constante del equipo expresada en cSt/seg que permitirá el cálculo de la viscosidad en cSt cuándo se multiplica por el tiempo de escurrimiento. Viscosidad (cSt) = constante del equipo (cSt / seg) x tiempo de escurrimiento (seg) Previa a la medición, el viscosímetro y la muestra de aceite deben ser llevados a la temperatura de ensayo en un baño termostatizado. Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 15 Viscosidad dinámica o absoluta: se realiza mediante equipos que miden la resistencia que ofrece el aceite lubricante a la rotación de un elemento mecánico sujeto a un motor que gira, éste elemento mecánico puede ser tan sólo un platillo en los casos de fluidos muy viscosos o tipo campana en casos de fluidos poco viscosos. El viscosímetro mas conocido para medir esta viscosidad es el Brookfield de origen EUA y el Haas de origen alemán Viscosidad Práctica Experimental: Algunas veces las empresas no disponen de viscosímetros normalizados y se debe recurrir a ensayos prácticos, en estos casos la viscosidad se expresa en unidades de tiempo (en segundos o minutos), los resultados obtenidos deberán ser considerados como valores de referencia pues los equipos no son normalizados, a pesar de esto se pueden confeccionar tablas comparando estos datos experimentales con muestras de viscosidad conocida, se deberá recordar que los ensayos experimentales se deben realizar siempre a la misma temperatura. En los casos de líquidos muy viscosos se utiliza el método de la caída de la bola, se basa en medir el tiempo que tarda una esfera metálica en atravesar dos aforos de una probeta que contiene la muestra. ∆ t (seg) Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 16 En los casos de líquidos de menor viscosidad tal el caso de pinturas es factible la utilización de la denominada copa Ford, que consiste en un vaso metálico que cuenta con una serie de boquillas de descarga intercambiables, en este caso se mide el tiempo que tarda en escurrir un volumen determinados de muestra. Estas copas se pueden comprar en las ferreterías industriales. Ensayos Térmicos Temperatura de Combustión: la determinación se realiza en aceites lubricantes utilizados en condiciones de alta temperatura como las turbinas para la generación de vapor o motores turbina de aviación. Para este ensayo se utiliza el equipo de vaso abierto o Cleveland. Temperatura de Congelamiento: se aplica en los casos de aceites lubricantes para equipos de enfriamiento como compresores de amoníaco o similares, usados en cámaras frigoríficas de la industria cárnica o productos congelados; se somete al aceite a las temperaturas de trabajo y se mide la temperatura cuando se produce el enturbiamiento ó formación de cristales (cloud point). Ensayos Químicos Número de Neutralización: se utiliza para determinar el grado de acidez o sea el contenido de compuestos ácidos, se define como la cantidad de álcali expresado como mg de KOH necesario para neutralizar la acidez deun gramo de muestra. Los aceites son de carácter no iónico por lo cual este concepto se aplica sobre el agua que pudo haber incorporado el aceite. La presencia de acidez puede ser de dos tipos: a) Acidez Mineral: se origina por la combinación de los óxidos ácidos gaseosos (CO2, SOx, NOx) con el agua originada en la combustión. b) Acidez Orgánica: se origina por la descomposición de los aditivos y componentes que forman parte de los aceites lubricantes, generalmente se basa en la oxidación de las dobles ligaduras y su posterior ruptura. En estos casos la denominación de este ensayo en idioma inglés es TAN (Total Acid Number). Residuos de Carbón: representa el porcentaje de depósitos carbonosos que se producen luego de someter al aceite a las condiciones de trabajo, refleja su tendencia a la carbonización. Se aplica en motores de 2 tiempos y en aceites térmicos para transmisión de calor. El ensayo normalizado que se utiliza se denomina Coradson. Corrosión al Cu: se aplica cuando nos interese conocer la tendencia de los aceites lubricantes a producir algún fenómeno de corrosión en los metales blandos como los cojinetes anti fricción. Este ensayo se realiza exponiendo una lámina de Cu perfectamente pulida al contacto del aceite lubricante durante 3 horas a 100 ºC, el color y el aspecto final determinarán el grado de corrosión comparando con placas normalizadas. Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 17 Índice de Viscosidad: se simboliza como IV; indica los cambios de viscosidad a partir de la variación de la temperatura. Cuanto más alto sea índice de viscosidad, menor va a ser la variación de la viscosidad con la variación de temperatura. Una vez determinada la viscosidad a 100ºF y a 210ºF, el índice de viscosidad se puede obtener a partir de este tipo de gráfico. Viscosidad a 210°F viscosidad a 100°F Índice de Viscosidad La elección incorrecta del aceite lubricante, genera fenómenos de fricción, debido a la ruptura de la película de lubricación sobre las partes metálicas, esto se puede deber a la pérdida de la viscosidad a la temperatura de trabajo o que el aceite lubricante sea tan viscoso durante el arranque que no alcance a cubrir las partes metálicas. Grasas Lubricantes La lubricación con productos de consistencia semi sólida tiene el mismo propósito que el buscado con los aceites; la de reducir la fricción de los elementos de máquinas en movimiento a los efectos de minimizar su desgaste. Su utilización se sugiere en los siguientes casos: 1. En sistemas posicionados verticalmente cuando se produce el escurrimiento de los lubricantes líquidos. 2. Cuando la posibilidad de relubricación es limitada. 3. En lugares dónde actúe como sello ante la presencia de agentes corrosivos. Composición Las grasas lubricantes son mezclas de compuestos que adquieren características semi sólidas, se obtienen por dispersión de un agente espesante en aceites minerales o sintéticos, desde el punto de vista de su consistencia las grasas son consideradas viscoso plásticas. El aceite que compone al producto es el que le dá su efecto lubricante. Debemos imaginar a la grasa lubricante como una esponja que retiene al aceite, él cuál va siendo liberado a medida que las condiciones de temperatura y carga de trabajo así lo requieran. Los agentes espesantes son jabones metálicos, en general se utilizan oleatos alcalinos. Los jabones son sales mixtas formadas por la combinación de ácidos grasos, por ejemplo ácido oleico e hidróxidos de metales alcalinos como sodio, bario, calcio y litio. CH3 (CH2)7CH = CH (CH2)7COOH + LiOH →CH3 (CH2)7 – CH = CH (CH2)7 – COOLi + H2O Ácido oléico u oleína Oleato de litio o jabón de litio La consistencia del producto dependerá de sus características de uso, de allí que la relación entre el aceite y el espesante puede variar desde 70/30 (más consistente) hasta 95/5 (menos consistente). El concepto de viscosidad no aplica a las grasas lubricantes. Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 18 Clasificación a) Simples: son aquellas que tienen un solo tipo de jabón metálico. b) Compuestas: son las que tienen más de un tipo de jabón metálico. c) Complejas: son las que además de tener más de un tipo de jabón metálico contienen aditivos 1.- arcillas o bentonitas para mejorar su consistencia 2.- aceite de siliconas para incrementar el rango de las temperaturas de trabajo 3.- grafito para mejorar el comportamiento en sistemas de alta presión. Fabricación La fabricación se realiza mediante los siguientes procesos: 1) Sobre una base del aceite lubricante se hace reaccionar el ácido graso (oleína) con el hidróxido correspondiente. 2) Se procede a su neutralización o sea llevar el pH a 7. 3) Se elimina el agua por calentamiento al vacío para evitar la hidrólisis de los jabones. La grasa en ese momento se encuentra líquida y a medida que se va enfriando se agrega el paquete de aditivos, a continuación se incorpora el resto del aceite para completar la formulación, a medida que se enfría la grasa va adquiriendo su consistencia final. Finalmente se procede al alisado, que consiste en la homogeneización del producto. Este proceso se basa en el pasaje de la grasa por una bomba de engranajes, la presión ejercida por la bomba sobre el producto produce este efecto llamado también laminado o alizado. Comportamiento Tixotrópico Los productos semisólidos presentan un comportamiento característico denominado tixotrópico. Cuando estos productos son manipulados no presentan resistencia alguna es decir se comportan como líquidos y si los dejo en reposo recuperan su cohesión y guardan su forma es decir se comportan como sólidos. Además de las grasas lubricantes esta característica aparece también en mayonesas, salsas de tomate y algunas pinturas; este comportamiento se basa en la relación entre los componentes sólidos finamente dispersos en el líquido a la temperatura de trabajo. Un producto presentará un comportamiento tixotrópico únicamente cuando su contenido de líquido esté próximo al límite de su estado pastoso. Ensayos Físicos Consistencia o Penetración: Es una medida de la consistencia del producto, se la puede definir también como la fluidez cuando se le aplica una carga determinada; este ensayo se realiza midiendo la penetración de un cono estandarizado sobre una muestra a una cierta temperatura. Los resultados se expresan en décimas mm. Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 19 Punto o Temperatura de Goteo. (Pour Point): Representa la temperatura en la cual la grasa pasa de ser plástica a líquida y fluye a través de un orificio standard. Este dato nos indica la máxima temperatura de trabajo sin que el producto sufra modificaciones. Aspecto y Textura: En este sentido no existen normas pero las grasas lubricantes tienen una serie de características como la untuosidad, la fibrosidad y la adherencia que las distinguen. Pérdidas por Evaporación: El uso de grasas lubricantes en condiciones de altas temperaturas necesita que las pérdidas por evaporación sean mínimas debido a que esto genera el aumento de la consistenciahasta un punto que puede llegar a dificultar el movimiento de los mecanismos. En estos casos se realizan ensayos de exposición del producto a las condiciones de trabajo y mediante la diferencia de peso expresada en forma porcentual se indica la pérdida por evaporación. Pérdida por Evaporación (%) = 100x inicialPeso finalPesoinicialPeso − Absorción de Agua: El agua es uno de los compuestos que más participa en los procesos, acompañando a las materias primas o como producto de las reacciones. Según sea la forma de aplicación, se realizarán ensayos de absorción de agua en sistemas estáticos (sin agitación) y también en sistemas con agitación a la temperatura de trabajo. Los resultados se expresan como la cantidad de agua absorbida en forma porcentual. Absorción de agua (%) = 100x inicialPeso inicialPesofinalPeso − Estabilidad de las grasas lubricantes Este fenómeno se manifiesta como la exudación del aceite de la grasa; esto ocurre a partir de la inestabilidad de la formulación luego de un tiempo prolongado de estacionamiento luego de envasado o el almacenamiento en condiciones de temperatura no recomendadas. El ensayo se expresa como pérdida de aceite en forma porcentual: Pérdida por exudación (%) = 100x inicialPeso finalPesoinicialPeso − Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 20 Esquema del ensayo Fricción. Se denomina fricción al calentamiento excesivo de las zonas de contacto de los elementos mecánicos en movimiento; la lubricación deficiente origina fenómenos de fricción. Las consecuencias de la fricción es la disminución en el desaprovechamiento de la energía mecánica pues parte de la misma se transforma en energía calórica. La untuosidad y adherencia de las grasas son sus características distintivas ya que favorecen la fijación del aceite a la superficie que debe lubricar y de esta forma se favorece el desplazamiento de los componentes móviles. Las grasas poseen coeficientes de fricción mucho más bajos que los aceites en especial en condiciones de lubricación de extra presión (límite). Materiales poliméricos: tanto las poliamidas (grilon), polietileno y el teflón cuentan con un bajo coeficiente de fricción que les permite ser utilizados para la fabricación de elementos de máquinas sujetos a rozamiento sin necesidad de lubricación. Combustibles: debido a su mayor contenido de hidrocarburos de cadena larga el coeficiente de fricción del gas oil es menor que la nafta por ende los motores diesel están siempre mejor lubricados y por ende sufren menor desgaste. En el caso del GNC los problemas de lubricación son más críticos ya que este combustible carece de capacidad lubricante, Tipos de Grasas Lubricantes PRODUCTO Usos Resistencia al agua Punto de Goteo Temperatura de Aplicación Grasa de Litio Multi propósito en la industria automotriz. Buena 170 a 200 ºC 0 a 150ºC Grasa de Sodio Para cojinetes de bolillas y ruedas. Baja 140 a 170ºC 0 a 130ºC Grasa de Calcio Para sistemas de tracción, tipo orugas y cintas transportadoras. Buena 85 a 105ºC 0 a 70ºC Grasa de Bario Multi propósito en la industria automotriz y sistemas sumergidos en agua. Excelente 200 a 250ºC 0 a 180ºC Grasa compleja con Bentonita Para cojinetes utilizados en altas temperaturas. Buena 260ºC 0 a 240ºC Grasa compleja con Sulfuro de molibdeno Para condiciones de lubricación límite. Buena 185ºC 0 a 170ºC Grasa compleja con Siliconas Multi propósito para condiciones extremas, tanto bajas como altas temperaturas. Buena 260°C -50 a 250°C Química Aplicada Ing. Mario Pelissero 21 Bibliografía Enciclopedia de Química Industrial. Kirck- Othmer. Química General y Aplicada. Arcuri, Bissio. Fundación del Libro Tecnológico. Shreve Norris. Industrias de Procesos Químicos. Ed. Dossat. Química Orgánica. Fieser-Fieser. Ed. Grijalbo ASTM (American Standard and Testing Material). Información institucional. Yacimientos Petrolíferos Fiscales. Información institucional. Esso. Información institucional. Shell. Información institucional. -- 2020 -- Clasificación de los Lubricantes Según su estado físico Esquema de fabricación Filtro prensa horizontal Clasificación de los Aceites Lubricantes Según su origen Aditivos utilizados en los aceites lubricantes Clasificación de los Aditivos Tipos y características de los aditivos Propiedades Físicas Ensayos Térmicos Ensayos Químicos Grasas Lubricantes Composición Clasificación Fabricación Ensayos Físicos Consistencia o Penetración: Es una medida de la consistencia del producto, se la puede definir también como la fluidez cuando se le aplica una carga determinada; este ensayo se realiza midiendo la penetración de un cono estandarizado sobre una muestra... Absorción de Agua: El agua es uno de los compuestos que más participa en los procesos, acompañando a las materias primas o como producto de las reacciones. Tipos de Grasas Lubricantes PRODUCTO Grasa de Litio
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