Un lubricante (a veces abreviado como lubricante ) es una sustancia que ayuda a reducir la fricción entre superficies en contacto mutuo, lo que en última instancia reduce el calor generado cuando las superficies se mueven. También puede tener la función de transmitir fuerzas, transportar partículas extrañas o calentar o enfriar las superficies. La propiedad de reducir la fricción se conoce como lubricidad .
Además de las aplicaciones industriales, los lubricantes se utilizan para muchos otros fines. Otros usos incluyen cocinar ( aceites y grasas que se usan en sartenes y productos horneados para evitar que los alimentos se peguen), para reducir la oxidación y la fricción en la maquinaria , bioaplicaciones en humanos (por ejemplo, lubricantes para articulaciones artificiales ), exámenes de ultrasonido, exámenes médicos y relaciones sexuales. . Se utiliza principalmente para reducir la fricción y contribuir a un funcionamiento mejor y más eficiente de un mecanismo.
Los lubricantes se han utilizado durante miles de años. Se han identificado jabones de calcio en los ejes de carros que datan del 1400 a.C. En la época de las pirámides, las piedras de construcción se deslizaban sobre madera impregnada de aceite. En la época romana , los lubricantes se basaban en aceite de oliva y aceite de colza , así como en grasas animales. El crecimiento de la lubricación se aceleró en la Revolución Industrial con el consiguiente uso de maquinaria basada en metal. Al depender inicialmente de aceites naturales, las necesidades de dicha maquinaria se desplazaron hacia materiales a base de petróleo a principios del siglo XX. Un gran avance se produjo con el desarrollo de la destilación del petróleo al vacío, como lo describe la Vacuum Oil Company . Esta tecnología permitió purificar sustancias muy no volátiles, comunes en muchos lubricantes. [1]
Un buen lubricante generalmente posee las siguientes características:
Normalmente, los lubricantes contienen un 90 % de aceite base (la mayoría de las veces fracciones de petróleo , llamados aceites minerales ) y menos del 10 % de aditivos . En ocasiones se utilizan como aceites base aceites vegetales o líquidos sintéticos como poliolefinas hidrogenadas , ésteres , siliconas , fluorocarbonos y muchos otros. Los aditivos reducen la fricción y el desgaste, aumentan la viscosidad , mejoran el índice de viscosidad, resisten la corrosión y la oxidación , el envejecimiento o la contaminación, etc.
Los lubricantes no líquidos incluyen polvos ( grafito seco , PTFE , disulfuro de molibdeno , disulfuro de tungsteno , etc.), cintas de PTFE utilizadas en plomería, cojines de aire y otros. Los lubricantes secos como el grafito, el disulfuro de molibdeno y el disulfuro de tungsteno también ofrecen lubricación a temperaturas (hasta 350 °C) superiores a las que los lubricantes líquidos y a base de aceite pueden operar. Se ha demostrado un interés limitado en las propiedades de baja fricción de las capas de esmalte de óxido compactado formadas a varios cientos de grados Celsius en sistemas deslizantes metálicos; sin embargo, todavía faltan muchos años para su uso práctico debido a su naturaleza físicamente inestable.
Se utiliza una gran cantidad de aditivos para impartir características de rendimiento a los lubricantes. Los lubricantes automotrices modernos contienen hasta diez aditivos, que representan hasta el 20% del lubricante; las principales familias de aditivos son: [1]
Se estima que en 1999 se consumieron en todo el mundo 37.300.000 toneladas de lubricantes. [4] Predominan las aplicaciones automotrices, incluidos los vehículos eléctricos [5] , pero otras aplicaciones industriales, marinas y de trabajo de metales también son grandes consumidoras de lubricantes. Aunque se conocen lubricantes a base de aire y otros gases (por ejemplo, en cojinetes fluidos ), los lubricantes líquidos dominan el mercado, seguidos de los lubricantes sólidos.
Los lubricantes generalmente se componen de una mayoría de aceite base más una variedad de aditivos para impartir características deseables. Aunque generalmente los lubricantes se basan en un tipo de aceite base, también se utilizan mezclas de aceites base para cumplir con los requisitos de rendimiento.
El término " aceite mineral " se utiliza para referirse a los aceites base lubricantes derivados del petróleo crudo . El Instituto Americano del Petróleo (API) designa varios tipos de aceite base lubricante: [6]
La industria de los lubricantes comúnmente extiende la terminología de este grupo para incluir:
También se puede clasificar en tres categorías según las composiciones predominantes:
Los lubricantes derivados del petróleo también pueden producirse utilizando hidrocarburos sintéticos (derivados en última instancia del petróleo), " aceites sintéticos ".
Éstas incluyen:
PTFE: el politetrafluoroetileno (PTFE) se utiliza normalmente como capa de revestimiento, por ejemplo, en utensilios de cocina para proporcionar una superficie antiadherente. Su rango de temperatura utilizable de hasta 350 °C y su inercia química lo convierten en un aditivo útil en grasas especiales , donde puede funcionar como espesante y lubricante. Bajo presiones extremas, el polvo o los sólidos de PTFE tienen poco valor ya que son blandos y se alejan del área de contacto. En este caso se deben utilizar lubricantes cerámicos, metálicos o de aleaciones. [7]
Sólidos inorgánicos: el grafito , el nitruro de boro hexagonal , el disulfuro de molibdeno y el disulfuro de tungsteno son ejemplos de lubricantes sólidos . Algunos conservan su lubricidad a temperaturas muy altas. El uso de algunos de estos materiales a veces está restringido por su escasa resistencia a la oxidación (por ejemplo, el disulfuro de molibdeno se degrada por encima de 350 °C en el aire, pero a 1100 °C en ambientes reductores).
Metal/aleación: Las aleaciones metálicas, los compuestos y los metales puros se pueden utilizar como aditivos de grasa o como únicos componentes de superficies deslizantes y cojinetes. El cadmio y el oro se utilizan para recubrir las superficies, lo que les confiere buena resistencia a la corrosión y propiedades de deslizamiento. Plomo , estaño , aleaciones de zinc y diversas aleaciones de bronce se utilizan como cojinetes deslizantes, o su polvo se puede utilizar solo para lubricar las superficies deslizantes.
La lubricación acuosa es de interés en numerosas aplicaciones tecnológicas. Los polímeros de cepillo fuertemente hidratados , como el PEG, pueden servir como lubricantes en las interfaces líquido-sólido. [8] Mediante un intercambio rápido y continuo de agua unida con otras moléculas de agua libres, estas películas de polímero mantienen las superficies separadas mientras mantienen una alta fluidez en la interfaz cepillo-cepillo a altas compresiones, lo que conduce a un coeficiente de fricción muy bajo.
Los biolubricantes [9] se derivan de aceites vegetales y otras fuentes renovables. Suelen ser ésteres de triglicéridos (grasas obtenidas de plantas y animales). Para el uso de aceite base lubricante, se prefieren los materiales derivados de vegetales. Los más comunes incluyen aceite de canola con alto contenido oleico , aceite de ricino , aceite de palma , aceite de semilla de girasol y aceite de colza de origen vegetal y aceite de resina procedente de árboles. Muchos aceites vegetales a menudo se hidrolizan para producir ácidos que posteriormente se combinan selectivamente para formar ésteres sintéticos especializados. Otros lubricantes de origen natural incluyen la lanolina (grasa de lana, un repelente de agua natural). [10]
El aceite de ballena fue un lubricante históricamente importante, con algunos usos hasta finales del siglo XX como aditivo modificador de fricción para fluidos de transmisión automática . [11]
En 2008, el mercado de biolubricantes representó alrededor del 1% de las ventas de lubricantes en el Reino Unido, en un mercado total de lubricantes de 840.000 toneladas/año. [12]
A partir de 2020 [actualizar], investigadores del CSIRO de Australia han estado estudiando el aceite de cártamo como lubricante de motor y han encontrado un rendimiento superior y menores emisiones que los lubricantes a base de petróleo en aplicaciones como cortadoras de césped , motosierras y otros equipos agrícolas impulsados por motor . Los productores de cereales que prueban el producto han acogido con satisfacción la innovación, y uno de ellos lo describe como que necesita muy poca refinación, es biodegradable , es una bioenergía y un biocombustible . Los científicos han rediseñado la planta mediante el silenciamiento genético , creando una variedad que produce hasta el 93% de aceite, el más alto disponible actualmente de cualquier planta. Investigadores del Centro de Combustible Avanzado de la Universidad Estatal de Montana en EE. UU. que estudian el rendimiento del aceite en un motor diésel grande , comparándolo con el aceite convencional, han descrito los resultados como un "cambio de juego". [13]
Una de las aplicaciones más importantes de los lubricantes, en forma de aceite de motor , es la protección de los motores de combustión interna en vehículos de motor y equipos motorizados.
Los recubrimientos antiadherentes o antiadherentes están diseñados para reducir la condición adhesiva (pegajosidad) de un material determinado. Las industrias del caucho, las mangueras y los alambres y cables son los mayores consumidores de productos antiadherentes, pero prácticamente todas las industrias utilizan algún tipo de agente antiadherente. Los agentes antiadherentes se diferencian de los lubricantes en que están diseñados para reducir las cualidades inherentemente adhesivas de un compuesto determinado, mientras que los lubricantes están diseñados para reducir la fricción entre dos superficies cualesquiera.
Los lubricantes se utilizan normalmente para separar las piezas móviles de un sistema. Esta separación tiene la ventaja de reducir la fricción, el desgaste y la fatiga superficial, además de reducir la generación de calor, el ruido de funcionamiento y las vibraciones. Los lubricantes logran esto de varias maneras. La más común es formando una barrera física, es decir, una fina capa de lubricante separa las partes móviles. Esto es análogo al hidroplaneo, la pérdida de fricción que se observa cuando un neumático de automóvil se separa de la superficie de la carretera al moverse a través de agua estancada. Esto se denomina lubricación hidrodinámica. En casos de altas presiones o temperaturas superficiales, la película de fluido es mucho más delgada y algunas de las fuerzas se transmiten entre las superficies a través del lubricante.
Normalmente, la fricción entre el lubricante y la superficie es mucho menor que la fricción entre las superficies en un sistema sin lubricación. Por tanto, el uso de un lubricante reduce la fricción general del sistema. La fricción reducida tiene el beneficio de reducir la generación de calor y la formación de partículas de desgaste, así como una mayor eficiencia. Los lubricantes pueden contener aditivos polares conocidos como modificadores de fricción que se unen químicamente a las superficies metálicas para reducir la fricción superficial incluso cuando no hay suficiente lubricante a granel presente para la lubricación hidrodinámica, por ejemplo, protegiendo el tren de válvulas en el motor de un automóvil durante el arranque. El propio aceite base también podría ser de naturaleza polar y, como resultado, inherentemente capaz de unirse a superficies metálicas, como ocurre con los aceites de polioléster .
Tanto los lubricantes gaseosos como líquidos pueden transferir calor. Sin embargo, los lubricantes líquidos son mucho más eficaces debido a su elevada capacidad calorífica específica . Normalmente, el lubricante líquido circula constantemente hacia y desde una parte más fría del sistema, aunque se pueden usar lubricantes para calentar así como para enfriar cuando se requiere una temperatura regulada. Este flujo circulante también determina la cantidad de calor que se elimina en una unidad de tiempo determinada. Los sistemas de alto flujo pueden disipar mucho calor y tienen el beneficio adicional de reducir el estrés térmico sobre el lubricante. Por tanto, se pueden utilizar lubricantes líquidos de menor coste. El principal inconveniente es que los flujos elevados suelen requerir sumideros más grandes y unidades de refrigeración más grandes. Un inconveniente secundario es que un sistema de alto flujo que depende del caudal para proteger el lubricante del estrés térmico es susceptible a fallas catastróficas durante paradas repentinas del sistema. Un ejemplo típico es el de un turbocompresor refrigerado por aceite para automóviles . Los turbocompresores se calientan durante el funcionamiento y el aceite que los enfría sólo sobrevive porque su tiempo de residencia en el sistema es muy corto (es decir, un alto caudal). Si el sistema se apaga repentinamente (al entrar a un área de servicio después de un viaje a alta velocidad y detener el motor), el aceite que está en el turbocompresor se oxida inmediatamente y obstruirá las vías de aceite con depósitos. Con el tiempo, estos depósitos pueden bloquear completamente los conductos de aceite, lo que reduce el enfriamiento y, como resultado, el turboalimentador sufre una falla total, generalmente con cojinetes atascados . Los lubricantes que no fluyen, como las grasas y las pastas, no son eficaces en la transferencia de calor, aunque, en primer lugar, contribuyen reduciendo la generación de calor.
Los sistemas de circulación de lubricantes tienen la ventaja de llevar los desechos generados internamente y los contaminantes externos que se introducen en el sistema a un filtro donde se pueden eliminar. Los lubricantes para máquinas que generan residuos o contaminantes con regularidad, como los motores de automóviles, normalmente contienen aditivos detergentes y dispersantes para ayudar en el transporte de residuos y contaminantes al filtro y su eliminación. Con el tiempo, el filtro se obstruirá y será necesario limpiarlo o reemplazarlo, de ahí la recomendación de cambiar el filtro de aceite del automóvil al mismo tiempo que se cambia el aceite. En sistemas cerrados, como cajas de cambios, el filtro puede complementarse con un imán para atraer los finos de hierro que se generen.
Es evidente que en un sistema circulatorio el aceite sólo estará tan limpio como el filtro pueda hacerlo, por lo que es desafortunado que no existan estándares industriales mediante los cuales los consumidores puedan evaluar fácilmente la capacidad de filtrado de varios filtros automotrices. Los filtros automotrices deficientes reducen significativamente la vida útil de la máquina (motor) y hacen que el sistema sea ineficiente.
Los lubricantes conocidos como fluido hidráulico se utilizan como fluido de trabajo en la transmisión de potencia hidrostática. Los fluidos hidráulicos constituyen una gran parte de todos los lubricantes producidos en el mundo. El convertidor de par de la transmisión automática es otra aplicación importante para la transmisión de potencia con lubricantes.
Los lubricantes previenen el desgaste al reducir la fricción entre dos piezas. Los lubricantes también pueden contener aditivos antidesgaste o de extrema presión para mejorar su rendimiento contra el desgaste y la fatiga.
Muchos lubricantes están formulados con aditivos que forman enlaces químicos con las superficies o que excluyen la humedad para evitar la corrosión y el óxido. Reduce la corrosión entre dos superficies metálicas y evita el contacto entre estas superficies para evitar la corrosión sumergida.
Los lubricantes ocuparán el espacio entre las piezas móviles a través de la fuerza capilar, sellando así el espacio. Este efecto se puede utilizar para sellar pistones y ejes.
Otro fenómeno que ha sido objeto de investigación en relación con la prevención del desgaste a alta temperatura y la lubricación es la formación de una capa de esmalte de óxido compactado . Estos esmaltes se generan sinterizando una capa de óxido compactado. Estos vidriados son cristalinos, en contraste con los vidriados amorfos que se ven en la cerámica. Las altas temperaturas requeridas se deben al deslizamiento de superficies metálicas entre sí (o una superficie metálica contra una superficie cerámica). Debido a la eliminación del contacto metálico y la adhesión por generación de óxido, se reduce la fricción y el desgaste. Efectivamente, dicha superficie es autolubricante.
Como el "esmalte" ya es un óxido, puede sobrevivir a temperaturas muy altas en el aire o en ambientes oxidantes. Sin embargo, tiene la desventaja de que es necesario que el metal base (o cerámica) tenga que sufrir primero algún desgaste para generar suficientes restos de óxido.
Se estima que alrededor del 50% de todos los lubricantes se liberan al medio ambiente. [ cita necesaria ] Los métodos de eliminación comunes incluyen reciclaje , quema , vertedero y descarga al agua, aunque normalmente la eliminación en vertedero y la descarga al agua están estrictamente reguladas en la mayoría de los países, ya que incluso una pequeña cantidad de lubricante puede contaminar una gran cantidad de agua. La mayoría de las regulaciones permiten un nivel umbral de lubricante que puede estar presente en los flujos de desechos y las empresas gastan cientos de millones de dólares anualmente en el tratamiento de sus aguas residuales para llegar a niveles aceptables. [ cita necesaria ]
La quema del lubricante como combustible, generalmente para generar electricidad, también está regulada debido principalmente al nivel relativamente alto de aditivos presentes. La quema genera tanto contaminantes en el aire como cenizas ricas en materiales tóxicos, principalmente compuestos de metales pesados. Así, la quema de lubricantes se realiza en instalaciones especializadas que han incorporado depuradores especiales para eliminar los contaminantes del aire y tienen acceso a vertederos con permisos para manipular las cenizas tóxicas.
Desafortunadamente, la mayor parte del lubricante que termina directamente en el medio ambiente se debe a que el público en general lo vierte al suelo, a los desagües y directamente a los vertederos como basura. Otras fuentes de contaminación directa incluyen la escorrentía de las carreteras, los derrames accidentales, los desastres naturales o provocados por el hombre y las fugas en las tuberías.
La mejora de las tecnologías y procesos de filtración ha hecho que el reciclaje sea una opción viable (con el aumento del precio del material base y del petróleo crudo ). Normalmente, varios sistemas de filtración eliminan partículas, aditivos y productos de oxidación y recuperan el aceite base. El aceite puede refinarse durante el proceso. Luego, este aceite base se trata de manera muy similar al aceite base virgen; sin embargo, existe una considerable reticencia a utilizar aceites reciclados, ya que generalmente se consideran inferiores. La materia prima destilada fraccionadamente al vacío a partir de lubricantes usados tiene propiedades superiores a las de los aceites totalmente naturales, pero la rentabilidad depende de muchos factores. El lubricante usado también se puede utilizar como materia prima de refinería para formar parte del petróleo crudo. Nuevamente, existe una considerable renuencia a este uso ya que los aditivos, el hollín y los metales de desgaste envenenarán/desactivarán gravemente los catalizadores críticos en el proceso. El coste impide llevar a cabo tanto la filtración (hollín, eliminación de aditivos) como el nuevo refinado ( destilación , isomerización, hidrocraqueo, etc.). Sin embargo, el principal obstáculo para el reciclaje sigue siendo la recogida de fluidos, ya que las refinerías necesitan un suministro continuo en cantidades medidas en cisternas, ferrocarriles tanques.
Ocasionalmente, es necesario desechar el lubricante no utilizado. El mejor curso de acción en tales situaciones es devolverlo al fabricante, donde podrá procesarse como parte de lotes nuevos.
Medio ambiente: Los lubricantes, tanto nuevos como usados, pueden causar daños considerables al medio ambiente, principalmente debido a su alto potencial de contaminación grave del agua. Además, los aditivos que suelen contener los lubricantes pueden ser tóxicos para la flora y la fauna. En los fluidos usados, los productos de oxidación también pueden ser tóxicos. La persistencia del lubricante en el medio ambiente depende en gran medida del fluido base; sin embargo, si se utilizan aditivos muy tóxicos, pueden afectar negativamente la persistencia. Los lubricantes de lanolina no son tóxicos, lo que los convierte en la alternativa ambiental segura tanto para los usuarios como para el medio ambiente.
