Un lubricante (a veces abreviado como lube ) 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 la cocina ( aceites y grasas en uso en sartenes y horneado para evitar que los alimentos se peguen), para reducir la oxidación y la fricción en maquinaria , mediante el uso de aceite y grasa de motor , 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 año 1400 a. C. Las piedras de construcción se deslizaban sobre madera impregnada de aceite en la época de las pirámides. 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 uso acompañante de maquinaria a base de metal. Confiando inicialmente en aceites naturales, las necesidades de dicha maquinaria cambiaron hacia materiales a base de petróleo a principios del siglo XX. Un gran avance se produjo con el desarrollo de la destilación al vacío del petróleo, como lo describió la Vacuum Oil Company . Esta tecnología permitió la purificación de sustancias muy no volátiles, que son comunes en muchos lubricantes. [1]
Un buen lubricante generalmente posee las siguientes características:
Por lo general, los lubricantes contienen un 90 % de aceite base (generalmente fracciones de petróleo , llamadas aceites minerales ) y menos de un 10 % de aditivos . A veces 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.), cinta de PTFE utilizada en plomería, colchón 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) más altas que las que pueden operar los lubricantes líquidos y a base de aceite. 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, el uso práctico aún está a muchos años de distancia debido a su naturaleza físicamente inestable.
Se utiliza una gran cantidad de aditivos para conferir características de rendimiento a los lubricantes. Los lubricantes automotrices modernos contienen hasta diez aditivos, que comprenden hasta el 20% del lubricante; las principales familias de aditivos son: [1]
En 1999, se estima que se consumieron 37.300.000 toneladas de lubricantes en todo el mundo. [4] Las aplicaciones automotrices dominan, incluidos los vehículos eléctricos [5] pero otras aplicaciones industriales, marinas y de trabajo de metales también son grandes consumidores de lubricantes. Aunque se conocen lubricantes a base de aire y otros gases (por ejemplo, en cojinetes de fluidos ), los lubricantes líquidos dominan el mercado, seguidos de los lubricantes sólidos.
Los lubricantes suelen estar compuestos mayoritariamente de aceite base más una variedad de aditivos para impartir las características deseadas. Aunque por lo general 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 lubricantes comúnmente extiende esta terminología de grupo para incluir:
También se pueden 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 ".
Estos 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 de uso de hasta 350 °C y su inercia química lo convierten en un aditivo útil en grasas especiales , donde puede funcionar tanto como espesante como lubricante. Bajo presiones extremas, el PTFE en polvo o en sólidos tiene poco valor, ya que es blando y se aleja del área de contacto. En ese caso, se deben utilizar lubricantes cerámicos, metálicos o de aleación. [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 poca resistencia a la oxidación (por ejemplo, el disulfuro de molibdeno se degrada por encima de los 350 °C en el aire, pero a 1100 °C en entornos reductores).
Metal/aleación: Las aleaciones de metales, los compuestos y los metales puros se pueden utilizar como aditivos para grasas o como componentes exclusivos de superficies deslizantes y cojinetes. El cadmio y el oro se utilizan para recubrir superficies, lo que les confiere una buena resistencia a la corrosión y propiedades de deslizamiento. El plomo , el estaño , las aleaciones de cinc y diversas aleaciones de bronce se utilizan como cojinetes deslizantes, o su polvo se puede utilizar solo para lubricar superficies deslizantes.
La lubricación acuosa es de interés en diversas aplicaciones tecnológicas. Los polímeros para cepillos fuertemente hidratados , como el PEG, pueden servir como lubricantes en las interfaces sólido-líquido. [8] Mediante el intercambio rápido y continuo de agua ligada con otras moléculas de agua libre, estas películas de polímeros 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. Por lo general, son ésteres de triglicéridos (grasas obtenidas de plantas y animales). Para el uso de aceites base lubricantes, se prefieren los materiales derivados de vegetales. Los más comunes incluyen aceite de canola con alto contenido de ácido oleico , aceite de ricino , aceite de palma , aceite de semilla de girasol y aceite de colza de origen vegetal, y aceite de resina de origen arbóreo. Muchos aceites vegetales a menudo se hidrolizan para producir los ácidos que posteriormente se combinan de forma selectiva 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 el líquido de transmisión automática . [11]
En 2008, el mercado de biolubricantes representó alrededor del 1% de las ventas de lubricantes del Reino Unido en un mercado total de lubricantes de 840.000 toneladas/año. [12]
A partir de 2020 [actualizar], los investigadores del CSIRO de Australia han estado estudiando el aceite de cártamo como lubricante de motores, encontrando un rendimiento superior y menores emisiones que los lubricantes a base de petróleo en aplicaciones como cortadoras de césped impulsadas por motor , motosierras y otros equipos agrícolas. Los productores de granos que prueban el producto han acogido con agrado la innovación, y uno de ellos lo describe como que necesita muy poco refinado, es biodegradable , una bioenergía y un biocombustible . Los científicos han rediseñado la planta utilizando el silenciamiento genético , creando una variedad que produce hasta un 93% de aceite, el más alto actualmente disponible de cualquier planta. Los investigadores del Centro de Combustibles Avanzados de la Universidad Estatal de Montana en los EE. UU. que estudian el rendimiento del aceite en un gran motor diésel , comparándolo con el aceite convencional, han descrito los resultados como un "cambio de juego". [13]
Son lubricantes sólidos o semisólidos producidos mediante la mezcla de agentes espesantes dentro de un lubricante líquido. Las grasas generalmente están compuestas por aproximadamente un 80 % de aceite lubricante, alrededor de un 5 % a 10 % de espesante y aproximadamente un 10 % a 15 % de aditivos. En la mayoría de las grasas comunes, el espesante es un jabón ligero o de metal alcalino, que forma una estructura similar a una esponja que encapsula las gotitas de aceite. Más allá de la lubricación, generalmente se espera que las grasas brinden protección contra la corrosión, que generalmente se logra a través de aditivos. Para evitar que se sequen a temperaturas más altas, también se agregan lubricantes secos. Al seleccionar aceites, espesantes y aditivos apropiados, se pueden optimizar las propiedades de las grasas para una amplia gama de aplicaciones. Hay grasas adecuadas para temperaturas altas o extremadamente bajas, aplicaciones de vacío, grasas resistentes al agua y a la intemperie, grasas de tipo altamente resistente a la presión o de tipo deslizante, grasas de grado alimenticio o excepcionalmente adhesivas.
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Una de las mayores aplicaciones de los lubricantes, en forma de aceite de motor , es la protección de los motores de combustión interna en vehículos motorizados y equipos eléctricos.
Los recubrimientos antiadherentes o antiadherentes están diseñados para reducir la condición adhesiva (adherencia) de un material determinado. Las industrias del caucho, las mangueras y los cables y alambres 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 el beneficio de reducir la fricción, el desgaste y la fatiga de la superficie, junto con la generación de calor, el ruido de funcionamiento y las vibraciones reducidas. Los lubricantes logran esto de varias maneras. La más común es formando una barrera física, es decir, una fina capa de lubricante que separa las piezas móviles. Esto es análogo al hidroplaneo, la pérdida de fricción que se observa cuando un neumático de un automóvil se separa de la superficie de la carretera al moverse a través del 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.
Por lo general, la fricción entre el lubricante y la superficie es mucho menor que la fricción entre superficies en un sistema sin lubricación. Por lo 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 en masa para la lubricación hidrodinámica, por ejemplo, para proteger el tren de válvulas en un motor de automóvil al arrancar. El aceite base en sí también puede ser polar por naturaleza y, como resultado, inherentemente capaz de unirse a las superficies metálicas, como sucede con los aceites de polioléster .
Tanto los lubricantes líquidos como los gaseosos pueden transferir calor. Sin embargo, los lubricantes líquidos son mucho más eficaces debido a su alta capacidad calorífica específica . Normalmente, el lubricante líquido circula constantemente hacia y desde una parte más fría del sistema, aunque los lubricantes pueden usarse tanto para calentar 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 eliminar mucho calor y tienen el beneficio adicional de reducir la tensión térmica en el lubricante. Por lo tanto, se pueden usar lubricantes líquidos de menor costo. El principal inconveniente es que los altos flujos generalmente requieren cárteres más grandes y unidades de enfriamiento más grandes. Un inconveniente secundario es que un sistema de alto flujo que depende del caudal para proteger al lubricante del estrés térmico es susceptible a fallas catastróficas durante paradas repentinas del sistema. Un turbocompresor enfriado por aceite de automóvil es un ejemplo típico. Los turbocompresores se ponen al rojo vivo durante el funcionamiento y el aceite que los enfría solo sobrevive porque su tiempo de residencia en el sistema es muy corto (es decir, alto caudal). Si el sistema se apaga de repente (al entrar en 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 los conductos de aceite con depósitos. Con el tiempo, estos depósitos pueden bloquear por completo los conductos de aceite, lo que reduce la refrigeración y el resultado es que el turbocompresor experimenta una falla total, generalmente con cojinetes agarrotados . Los lubricantes que no fluyen, como las grasas y las pastas, no son eficaces en la transferencia de calor, aunque sí contribuyen a reducir la generación de calor en primer lugar.
Los sistemas de circulación de lubricante tienen la ventaja de transportar los residuos generados internamente y los contaminantes externos que se introducen en el sistema hasta un filtro donde pueden eliminarse. Los lubricantes para máquinas que generan residuos o contaminantes de forma regular, como los motores de los automóviles, suelen contener aditivos detergentes y dispersantes para facilitar el transporte de los residuos y los contaminantes hasta el 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 las cajas de cambios, el filtro puede complementarse con un imán para atraer las partículas de hierro que se generen.
Es evidente que en un sistema circulatorio el aceite solo estará tan limpio como lo permita el filtro, por lo que es lamentable que no existan estándares industriales mediante los cuales los consumidores puedan evaluar fácilmente la capacidad de filtrado de los distintos filtros para automóviles. Los filtros para automóviles de mala calidad reducen significativamente la vida útil de la máquina (motor) y hacen que el sistema sea ineficiente.
Los lubricantes, conocidos como fluidos hidráulicos , 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 por inmersión.
Los lubricantes ocupan el espacio libre entre las piezas móviles mediante la fuerza capilar, sellando así el espacio libre. Este efecto se puede utilizar para sellar pistones y ejes.
Otro fenómeno que se ha estudiado en relación con la prevención del desgaste y la lubricación a altas temperaturas es la formación de un esmalte de capa de óxido compactado . Estos esmaltes se generan mediante la sinterización de una capa de óxido compactado. Estos esmaltes son cristalinos, en contraste con los esmaltes amorfos que se ven en la cerámica. Las altas temperaturas requeridas surgen del deslizamiento de superficies metálicas entre sí (o de una superficie metálica contra una superficie cerámica). Debido a la eliminación del contacto y la adhesión metálicos mediante la generación de óxido, se reduce la fricción y el desgaste. Efectivamente, una superficie de este tipo es autolubricante.
Como el "esmalte" ya es un óxido, puede sobrevivir a temperaturas muy altas en el aire o en entornos oxidantes. Sin embargo, tiene la desventaja de que es necesario que el metal base (o cerámica) sufra cierto desgaste primero para generar suficientes restos de óxido.
Se estima que aproximadamente el 50% de todos los lubricantes se liberan al medio ambiente. [ cita requerida ] Los métodos de eliminación más comunes incluyen el reciclaje , la quema , el vertido en vertederos y el vertido en el agua, aunque normalmente la eliminación en vertederos y el vertido en el agua están estrictamente regulados 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 al año en el tratamiento de sus aguas residuales para llegar a niveles aceptables. [ cita requerida ]
La quema de lubricante como combustible, normalmente para generar electricidad, también está regulada por normativas, debido principalmente al nivel relativamente alto de aditivos presentes. La quema genera tanto contaminantes atmosféricos como cenizas ricas en materiales tóxicos, principalmente compuestos de metales pesados. Por ello, la quema de lubricantes se lleva a cabo en instalaciones especializadas que han incorporado depuradores especiales para eliminar los contaminantes atmosféricos y tienen acceso a vertederos con permisos para manipular las cenizas tóxicas.
Lamentablemente, la mayor parte de los lubricantes que terminan directamente en el medio ambiente se deben a que el público en general los vierte en el suelo, en los desagües y directamente en los vertederos como basura. Otras fuentes de contaminación directa incluyen las escorrentías de las carreteras, los derrames accidentales, los desastres naturales o provocados por el hombre y las fugas en las tuberías.
La mejora en las tecnologías y procesos de filtración ha hecho que el reciclaje sea una opción viable (con el aumento del precio de la base y el petróleo crudo ). Por lo general, varios sistemas de filtración eliminan partículas, aditivos y productos de oxidación y recuperan el aceite base. El aceite puede refinarse durante el proceso. Este aceite base luego 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 base destilada fraccionadamente al vacío de lubricantes usados tiene propiedades superiores a los aceites totalmente naturales, pero la rentabilidad depende de muchos factores. El lubricante usado también se puede utilizar como materia prima de refinería para convertirse en parte del petróleo crudo. Nuevamente, existe una considerable reticencia a este uso ya que los aditivos, el hollín y los metales de desgaste envenenarán o desactivarán gravemente los catalizadores críticos en el proceso. El costo prohíbe realizar tanto la filtración (eliminación de hollín, aditivos) como la re-refinación ( destilación , isomerización, hidrocraqueo, etc.) sin embargo, el principal obstáculo para el reciclaje sigue siendo la recolección de fluidos, ya que las refinerías necesitan un suministro continuo en cantidades medidas en cisternas, tanques ferroviarios.
En ocasiones, es necesario desechar el lubricante no utilizado. La mejor medida en tales situaciones es devolverlo al fabricante, donde podrá procesarlo como parte de nuevos lotes.
Medio ambiente: Los lubricantes, tanto frescos como usados, pueden causar daños considerables al medio ambiente, debido principalmente 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 de los lubricantes en el medio ambiente depende en gran medida del fluido base; sin embargo, si se utilizan aditivos muy tóxicos, pueden afectar negativamente a la persistencia. Los lubricantes de lanolina no son tóxicos, lo que los convierte en la alternativa ambiental que es segura tanto para los usuarios como para el medio ambiente.
