Aditivos Lubricantes: Una Guía Completa

Los lubricantes hacen que el mundo gire. Una vez que algo se mueve, debe haber un lubricante para reducir la fricción o el desgaste entre las superficies. Pero, ¿qué hace que los lubricantes sean tan únicos en nuestra industria? ¿Es solo el aceite base?

No, aquí es donde el poder de aditivos lubricantes realmente brilla, un área que muchos pasan por alto. Este artículo se centra más en los héroes anónimos de la industria, los tipos involucrados, sus funcionalidades y algunos desafíos.

¿Por qué necesitamos aditivos lubricantes?

Antes de adentrarnos en el mundo de los aditivos, volvamos a lo básico: ¿por qué son necesarios? Un lubricante se compone de aceite base y aditivos. Dependiendo del tipo de aceite, se utilizarán diferentes proporciones de aditivos para las distintas aplicaciones. Además, cada OEM de lubricante tendrá su fórmula única para su lubricante.

Para simplificar esto, podemos pensar en preparar una taza de té. Lo primero que necesitamos es un poco de agua caliente en una taza. Este puede ser nuestro aceite base. Se puede utilizar solo (algunas personas beben agua caliente o la utilizan para otros fines), pero si queremos preparar una taza de té, debemos añadirle cosas.

Dependiendo del propósito para el que bebas el té, puedes elegir un sabor particular. Quizás menta para mejorar la digestión o para ayudar a mejorar la concentración o manzanilla para mantener la calma.

Estos sabores pueden representar los distintos tipos de aceites: aceites para engranajes, aceites para turbinas o aceites para motores. Diferentes mezclas son adecuadas para diferentes aplicaciones.

Ahora, mientras agregamos la bolsita de té al agua caliente (y algunas personas pueden beber té así), otras necesitan agregar edulcorante o leche. Estos son los aditivos del aceite base (agua caliente).

Dependiendo de la preferencia de la persona que bebe el té, habrá distintas cantidades de edulcorante (miel, stevia o azúcar) y distintas cantidades de leche (normal, baja en grasa, de avena, sin lácteos). ¡Las combinaciones son infinitas!

Lo mismo puede decirse de los aditivos en los lubricantes terminados. Dependiendo del tipo de aceite (sabor a té, aceite para engranajes o aceite para turbinas) y su aplicación (la persona que bebe el té, con preferencias dietéticas de ser sin lácteos o sin azúcar), la combinación de aditivos lubricantes y sus proporciones diferirán. El porcentaje de aditivos puede variar del 0,001 al 30% según el tipo de aceite.

El lubricante terminado tendrá las propiedades del aceite base y los aditivos combinados. Exploremos un poco más cómo funcionan estos aditivos y sus características.

Tipos de aditivos lubricantes

Existen muchos tipos de aditivos lubricantes y existen varias formulaciones de diferentes proveedores. En esta sección, cubriremos los aditivos más comunes que se encuentran en los lubricantes terminados.

Depresores del punto de fluidez

Todos los líquidos tienen una temperatura particular a la que pueden fluir efectivamente. La viscosidad del líquido y la temperatura actual determinan la rapidez con la que se mueve. Como su nombre lo indica, los depresores del punto de fluidez pueden ayudar a reducir la temperatura a la que fluye el lubricante1.

Mejoradores del índice de viscosidad

Mejoradores del índice de viscosidad are also known as Viscosity Modifiers2. They assist the lubricant in increasing its viscosity at higher temperatures, allowing lubricants to operate in wider temperature ranges.

Modificadores de fricción

Cuando dos superficies rozan entre sí, se forma fricción. Dependiendo del tipo y grado de fricción, algunas superficies pueden sufrir soldaduras e incluso desgaste adhesivo. Aquí es donde los modificadores de fricción pueden ayudar al reducir las fuerzas de fricción asociadas con las oscilaciones y los ruidos de deslizamiento.

Antiespumantes (Antiespumantes)

Algunos lubricantes sucumben a la creación de espuma en sus sistemas. Cuando se fabrica espuma, ésta afecta significativamente las funciones del lubricante y puede provocar un desgaste excesivo por falta de lubricación (alteran la superficie del lubricante), cavitación (debido a la presencia de burbujas de aire) e incluso aumento de la oxidación (debido a la presencia de aire atrapado en el sistema). La espuma también puede afectar la capacidad de un líquido para transferir calor o enfriarse. Los antiespumantes o aditivos antiespumantes reducen la cantidad de espuma que se produce.

Inhibidores de oxidación (antioxidantes)

La oxidación ocurre en la mayoría de los lubricantes. Durante el proceso de oxidación, emergen radicales libres que se propagan para formar radicales alquilo o peroxi e hidroperóxidos, que eventualmente reaccionan con otros para formar subproductos de oxidación. Durante la fase de propagación, generalmente se utilizan antioxidantes para neutralizar los radicales libres o descomponer los hidroperóxidos3. Como tales, estos aditivos son de naturaleza sacrificatoria, ya que protegen el aceite base de la oxidación al agotarse.

Hay muchos tipos de antioxidantes, incluidos compuestos fenólicos y aromáticos de nitrógeno, fenoles impedidos, aminas aromáticas, ditiofosfatos de zinc y un par de otros.

Inhibidores de oxidación y corrosión

Si hay oxígeno y agua en un lugar que contiene hierro, se puede formar óxido. La corrosión afecta a los metales no ferrosos en presencia de ácidos en el lubricante1. La mayoría de los equipos sucumben al óxido y la corrosión con bastante facilidad, por lo que estos inhibidores se desarrollaron para mitigar estos efectos formando capas protectoras en las superficies del equipo.

Detergentes y Dispersantes

Los detergentes y dispersantes a menudo se confunden, ya que normalmente trabajan juntos para evitar que se acumulen depósitos en los aceites. Los detergentes neutralizan los precursores de depósitos (especialmente en los aceites de motor), mientras que los dispersantes suspenden los posibles materiales formadores de lodos o barnices4.

Aditivos antidesgaste

Los aditivos antidesgaste reducen la fricción y el desgaste, especialmente durante condiciones límite de lubricación. Están diseñados para reducir el desgaste cuando el sistema está expuesto a tensiones moderadas2.

Aditivos de presión extrema

Los aditivos de extrema presión generalmente se confunden con los aditivos antidesgaste o los nombres se usan indistintamente. Sin embargo, los aditivos de extrema presión comienzan a actuar cuando el sistema experimenta un estrés elevado e intentan evitar la soldadura de las piezas móviles, a diferencia de los aditivos antidesgaste, que actúan cuando el sistema experimenta un estrés moderado.

¿Cómo funcionan los aditivos lubricantes?

Cada aditivo funciona de manera diferente para producir su función en el aceite base y en el lubricante terminado en general. Esta sección explorará cómo funciona cada uno de los aditivos lubricantes y algunos de los desafíos que pueden experimentar.

Depresores del punto de fluidez

Como se señaló anteriormente, los depresores del punto de fluidez ayudan a controlar el flujo del lubricante. Esto se logra modificando los cristales de cera presentes en el aceite base del lubricante. A temperaturas más bajas, el líquido suele tener problemas para verterse debido a la presencia de moléculas de cera en el aceite base1.

Hay dos tipos principales de depresores del punto de fluidez, a saber;

• Polímeros alquilaromáticos se adsorben en los cristales de cera a medida que se forman, evitando así que crezcan y se adhieran entre sí. Esto controla eficazmente el proceso de cristalización y garantiza que se pueda verter el lubricante.
• polimetacrilatos cocristalizar con cera para evitar el crecimiento de cristales.

Si bien estos aditivos no previenen por completo el crecimiento de cristales de cera, reducen la temperatura a la que se forman estas estructuras rígidas. Estos aditivos pueden lograr una depresión del punto de fluidez de hasta 28°C (50°F); sin embargo, el rango común suele estar entre 11 y 17 °C (20 y 30 °F).

Los umbrales de solubilidad pueden limitar el uso de este tipo de aditivo para lograr el efecto deseado en el aceite base.

Mejoradores del índice de viscosidad

Estos aditivos suelen ser polímeros de cadena larga y alto peso molecular que cambian su configuración en el lubricante según la temperatura4. Cuando el lubricante está en un ambiente frío, estos polímeros adoptan una forma enrollada para minimizar el efecto sobre la viscosidad. Por otro lado, en un ambiente caluroso, se enderezarán, permitiendo que el aceite produzca un efecto espesante.

Si bien es más deseable utilizar polímeros de alto peso molecular (ya que proporcionan un mejor efecto espesante), estas moléculas de cadena larga también están sujetas a degradación debido al cizallamiento mecánico. Por lo tanto, se debe alcanzar un equilibrio entre el peso molecular y la condición de servicio estable al corte.

Otro desafío para los formuladores es equilibrar la tendencia del polímero a cizallarse con el espesamiento de la viscosidad esperado debido a los procesos oxidativos y la disminución de la viscosidad debido a la dilución del combustible1.

Modificadores de fricción

Estos suelen competir con los aditivos antidesgaste y de extrema presión (y otros compuestos polares) por el espacio de la superficie. Sin embargo, se activan a temperaturas en las que los aditivos AW y EP aún no están activos. Por lo tanto, forman finas capas monomoleculares de productos polares solubles físicamente adsorbidos o capas de carbono triboquímicas que reducen la fricción, que exhiben un comportamiento de fricción más bajo que los aditivos AW y EP2.

Existen diferentes grupos de modificadores de fricción según su función. Algunos son FM que trabajan mecánicamente (compuestos lubricantes sólidos, por ejemplo, disulfuro de molibdeno, grafito, PTFE, etc.), capas de adsorción que forman FM (por ejemplo, éster de ácido graso, etc.), capas de reacción triboquímica que forman FM, polímeros de fricción que forman FM y compuestos organometálicos.

Antiespumantes (Antiespumantes)

Cuando se forma espuma en el lubricante, pequeñas burbujas de aire quedan atrapadas en la superficie o en el interior (llamada espuma interior). Los antiespumantes actúan adsorbiéndose en la burbuja de espuma y afectando la tensión superficial de la burbuja. Esto provoca la coalescencia y rompe la burbuja en la superficie del lubricante1.

Para la espuma que se forma en la superficie, llamada espuma superficial, se utilizan antiespumantes con una tensión superficial más baja. Por lo general, no son solubles en aceite base y deben dispersarse finamente para que sean lo suficientemente estables incluso después de un almacenamiento o uso prolongado.

Por el contrario, la espuma interior, formada por burbujas de aire finamente dispersas en el lubricante, puede formar dispersiones estables. Los antiespumantes comunes están diseñados para controlar la espuma de la superficie pero estabilizar la espuma interna2.

Inhibidores de oxidación

Como se señaló anteriormente, los antioxidantes generalmente se utilizan durante la fase de propagación para neutralizar los radicales eliminadores o descomponer los hidroperóxidos3. Hay dos formas principales de antioxidantes: antioxidantes primarios y secundarios.

Los antioxidantes primarios, también conocidos como eliminadores de radicales, eliminan los radicales del aceite. Los tipos más comunes son las aminas y los fenoles.

Los antioxidantes secundarios están diseñados para eliminar peróxidos y formar productos no reactivos en el lubricante. Algunos ejemplos incluyen ditiofosfato de zinc (ZDDP) y fenoles sulfurados.

También existen sistemas antioxidantes mixtos donde dos antioxidantes tienen una relación sinérgica. Un ejemplo es la relación entre fenoles y aminas, donde los fenoles se agotan temprano durante la oxidación, mientras que las aminas se agotan más tarde. Otro ejemplo es el uso de antioxidantes primarios y secundarios para eliminar radicales e hidroperóxidos.

Inhibidores de oxidación y corrosión

Los inhibidores de herrumbre y corrosión suelen ser largas cadenas alquílicas y grupos polares que pueden adsorberse en la superficie del metal en una formación densamente empaquetada de capas hidrófobas.

Sin embargo, este es un aditivo tensioactivo y, como tal, compite con otros aditivos tensioactivos (como los aditivos antidesgaste o de extrema presión) por la superficie del metal. Hay dos grupos principales de aditivos contra la corrosión: aditivos antioxidantes (para proteger metales ferrosos) y pasivadores de metales (para metales no ferrosos2).

Los inhibidores de Rus tienen una alta atracción polar hacia las superficies metálicas. Forman una película tenaz y continua que impide que el agua llegue a la superficie del metal. También hay que tener en cuenta que los contaminantes pueden introducir corrosión en el aceite, del mismo modo que se producen los ácidos orgánicos.

Detergentes y Dispersantes

Los detergentes son moléculas polares que eliminan sustancias de la superficie del metal, de forma similar a una acción de limpieza. Sin embargo, algunos detergentes también aportan propiedades antioxidantes. La naturaleza de un detergente es particularmente importante ya que los detergentes que contienen metales producen cenizas (normalmente calcio, litio, potasio y sodio)1.

Por otro lado, los dispersantes también son polares y mantienen los contaminantes y los componentes insolubles del aceite suspendidos en el lubricante. Minimizan la aglomeración de partículas, lo que a su vez mantiene la viscosidad del aceite (en comparación con la coalescencia de partículas, que conduce al espesamiento). A diferencia de los detergentes, los dispersantes se consideran sin cenizas. Normalmente funcionan a bajas temperaturas de funcionamiento.

Aditivos antidesgaste

Por lo general, son polares con moléculas de cadena larga que se adsorben en las superficies metálicas para formar una capa protectora. Esto puede reducir la fricción y el desgaste en condiciones de deslizamiento suave. Por lo general, estos aditivos se forman a partir de ésteres, aceites grasos o ácidos, que sólo pueden funcionar en niveles bajos o moderados de estrés dentro del sistema.

La forma más común de antidesgaste es el ZDDP, que se utiliza en aceites de motor o hidráulicos. Por otro lado, también existe un tipo de antidesgaste de fósforo sin cenizas para sistemas que requieren esa característica, siendo el fosfato tricreysl la opción habitual.

Aditivos de presión extrema

Dado que los aditivos de presión extrema solo se activan cuando hay temperaturas más altas o cargas más pesadas en un sistema, se han ganado el nombre de "aditivos anti-rayaduras".

A diferencia de los aditivos antidesgaste, los aditivos de presión extrema reaccionan químicamente con las superficies metálicas deslizantes para formar películas superficiales relativamente insolubles. Esta reacción solo ocurre a temperaturas más altas, a veces entre 180 y 1000 °C, dependiendo del tipo de aditivo EP utilizado1.

Cabe señalar que incluso con la presencia de aditivos EP en un lubricante, todavía habrá algo de desgaste durante el período de rodaje ya que los aditivos aún no han formado sus capas protectoras en las superficies.

Los aditivos EP también deben diseñarse para el sistema que protegen, ya que los diferentes metales tienen reactividad variable (los aditivos EP diseñados para sistemas de acero sobre acero pueden no ser apropiados para sistemas de bronce, ya que no son tan reactivos con el bronce).

Los aditivos EP también contribuyen al pulido de las superficies deslizantes, ya que experimentan la reacción química más importante cuando las asperezas están en contacto y las temperaturas localizadas son más altas. Suelen crearse a partir de compuestos que contienen azufre, fósforo, borato, cloro u otros metales4.

¿Se degradan los aditivos lubricantes con el tiempo?

Como se señaló anteriormente, la mayoría de los aditivos pueden agotarse con el tiempo a medida que se agotan en sus diversas funciones. Los aditivos antidesgaste y antioxidantes recubren continuamente las superficies de los metales de interfaz.

Esto puede hacer que sus concentraciones iniciales disminuyan con el tiempo hasta llegar a un punto en el que la concentración del aditivo es demasiado baja para ofrecer protección. En este caso no se ha degradado sino agotado.

En años anteriores, solían surgir problemas con la separación de los aditivos del lubricante terminado debido a la filtración. Sin embargo, con la evolución de la tecnología y las mejores prácticas, este ya no es un problema común al que se enfrentan los operadores.

En el pasado, los operadores notarían la frecuente obstrucción de sus filtros y la consiguiente reducción de las concentraciones de aditivos, dejando el aceite desprotegido. Era común observar que los aditivos se depositaban en el fondo de un bidón de aceite después de permanecer inmóvil durante algún tiempo.

En esencia, los aditivos lubricantes realmente no se degradan con el tiempo; más bien, sus concentraciones se agotan, lo que ayuda a que el lubricante se degrade más rápido que un lubricante terminado con concentraciones de aditivos más altas.

Innovación y tendencias futuras para los aditivos

¿Cómo será el futuro de los aditivos en nuestra industria? ¿Desaparecerán por completo?

Según mis estimaciones, estamos muy lejos de que eso suceda. La industria de los lubricantes ha evolucionado a lo largo de los años, con muchos avances desde el lado químico, que ha desarrollado aditivos más adecuados, y el lado OEM, que ha empujado a los químicos a desarrollar aditivos lubricantes que puedan adaptarse a los cambios de equipos.

Los fabricantes de equipos originales están creando más componentes que pueden soportar temperaturas más altas, mayores presiones y entornos más exigentes. También se deben desarrollar lubricantes para este uso específico, y la tecnología de aditivos seguirá evolucionando a medida que se superen estos límites.

También nos estamos impulsando hacia productos más respetuosos con el medio ambiente, y los aditivos también están en esa lista. La mayoría de los metales utilizados en la producción de aditivos (como los aditivos EP o AW) son tóxicos para el medio ambiente y se están descubriendo alternativas.

En el campo de la tribología también se han seguido investigando formas de reducir la fricción y el desgaste. Esto se combina con la investigación sobre la interacción de diferentes superficies y las formas en que los lubricantes pueden reducir eficazmente el coeficiente de fricción, lo que conduce a una mayor eficiencia energética y de combustible en algunos casos.

Los aditivos lubricantes existirán por algún tiempo, ya que todo lo que se mueve debe lubricarse y los aceites base no tienen todas las propiedades requeridas para soportar las variaciones de temperatura y otras condiciones que enfrenta la máquina.

Si bien su estructura cambiará para adaptarse y proporcionar un impacto más respetuoso con el medio ambiente, sus funciones también evolucionarán en función de sus necesidades futuras.

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