Tipos de lubricantes
Lubricantes a base de minerales
Los lubricantes de base mineral se derivan del petróleo crudo mediante una serie de procesos de refinación que transforman las fracciones del petróleo en materias primas adecuadas para aplicaciones de lubricación. Estos aceites, también conocidos como lubricantes convencionales o a base de petróleo, constituyen la mayoría de los lubricantes utilizados en la industria debido a su infraestructura de producción establecida.[22][23]
La producción de aceites de base mineral comienza con la destilación del petróleo crudo en refinerías, donde el crudo se calienta y se separa en varias fracciones en función de sus puntos de ebullición; las fracciones más pesadas, conocidas como fracciones de aceite lubricante, se recogen para su posterior procesamiento. Estos cortes se someten a extracción con solventes, generalmente usando solventes como furfural o fenol, para eliminar compuestos aromáticos y otras impurezas que podrían degradar el rendimiento, lo que da como resultado bases parafínicas o nafténicas más estables. Los aceites parafínicos, ricos en hidrocarburos de cadena lineal, ofrecen una buena estabilidad de la viscosidad pero pueden solidificarse a bajas temperaturas, mientras que los aceites nafténicos, que contienen más estructuras cíclicas, proporcionan un mejor flujo a baja temperatura pero índices de viscosidad más bajos. Finalmente, la desparafinación elimina los cristales de cera mediante un tratamiento con disolventes a bajas temperaturas, lo que mejora los puntos de fluidez y garantiza la fluidez en condiciones de frío.[24][25][26]
Los aceites de base mineral están clasificados por el Instituto Americano del Petróleo (API) en los Grupos I a III según su grado de refinamiento, niveles de saturación y contenido de azufre. Los aceites del grupo I, producidos mediante extracción con solventes y desparafinado, tienen menos del 90% de saturados y un contenido de azufre superior al 0,03%, con índices de viscosidad (VI) que van de 80 a 120, lo que los convierte en la opción menos refinada y más económica. Los aceites del grupo II alcanzan más del 90% de saturados y azufre por debajo del 0,03% mediante hidrocraqueo, también con un VI de 80-120, lo que ofrece una resistencia a la oxidación mejorada. Los aceites del Grupo III, las reservas minerales más refinadas, presentan más del 90% de saturados, azufre por debajo del 0,03% y VI superior a 120 mediante hidrocraqueo severo, acercándose al rendimiento sintético sin dejar de ser derivados del petróleo.
Estos lubricantes destacan por su rentabilidad y amplia disponibilidad, ya que aprovechan abundantes recursos de petróleo crudo y tecnologías de refinación maduras, lo que permite una amplia adopción en las aplicaciones cotidianas. Sin embargo, exhiben una estabilidad térmica y resistencia a la oxidación limitadas en comparación con las alternativas sintéticas, lo que lleva a una vida útil más corta bajo temperaturas extremas o uso prolongado.[28][22][27]
Las aplicaciones comunes incluyen aceites de motor para automóviles y motores pequeños, así como fluidos hidráulicos en maquinaria industrial, donde sus propiedades equilibradas respaldan un funcionamiento confiable. Un ejemplo representativo es el aceite de motor SAE 30, que normalmente comprende entre un 95% y un 99% de aceite base mineral parafínico refinado con solvente del Grupo I o II, mezclado con un mínimo de aditivos para detergencia y antidesgaste, adecuado para motores de cuatro tiempos más antiguos o de baja carga.[29][22][23]
Lubricantes sintéticos
Los lubricantes sintéticos son aceites base diseñados artificialmente y producidos mediante síntesis química para ofrecer un rendimiento superior en entornos exigentes, como temperaturas extremas y altas presiones, donde los aceites minerales convencionales pueden degradarse. Estos fluidos están diseñados para estructuras moleculares específicas, lo que permite una mayor estabilidad térmica, una fricción reducida y una vida útil prolongada en comparación con las alternativas de origen natural.[30]
Los principales tipos de lubricantes sintéticos incluyen polialfaolefinas (PAO), ésteres y polialquilenglicoles (PAG). Los PAO, clasificados en el Grupo IV de API, son productos sintéticos a base de hidrocarburos creados mediante la polimerización de alfa-olefinas lineales, como 1-deceno o 1-dodeceno, seguida de oligomerización, destilación e hidrogenación para formar estructuras ramificadas estables.[31] Los ésteres, que forman parte del Grupo V de API, se sintetizan mediante reacciones de esterificación entre alcoholes y ácidos carboxílicos o sus derivados, a menudo utilizando catalizadores para acelerar el proceso y producir compuestos como ésteres o diésteres de poliol con características polares que promueven la lubricidad. Los PAG, también en el Grupo V de API, resultan de la polimerización de óxidos de alquileno, como el óxido de etileno o de propileno, produciendo variantes solubles en agua o en aceite ideales para aplicaciones higroscópicas.[30] Los Grupos IV y V de API distinguen estos productos sintéticos de los grupos inferiores por su naturaleza totalmente sintética; el Grupo IV se limita a los PAO y el Grupo V abarca todos los demás productos sintéticos no PAO, como los ésteres y los PAG.[33]
Las propiedades clave de los lubricantes sintéticos incluyen un alto índice de viscosidad (VI), que generalmente excede 120 para los PAO y, a menudo, más de 140 para los ésteres y PAG, lo que indica un cambio mínimo de viscosidad en todos los rangos de temperatura; baja volatilidad para evitar la evaporación bajo el calor; y una excelente estabilidad oxidativa para resistir la degradación por exposición al oxígeno, lo que prolonga la vida útil del fluido en condiciones difíciles.[34] Estos atributos los hacen particularmente adecuados para entornos de alta temperatura, como la aviación, donde los fluidos a base de ésteres de poliol operan en motores a reacción a hasta 204 °C sin coquización ni degradación.[35]
Históricamente, los lubricantes sintéticos ganaron importancia a mediados del siglo XX para las necesidades militares y aeroespaciales, y Mobil 1 se introdujo en 1974 como el primer aceite de motor totalmente sintético disponible comercialmente que utilizaba tecnología PAO, revolucionando la protección automotriz durante la crisis energética.[36]
El índice de viscosidad (VI) cuantifica la estabilidad temperatura-viscosidad de un lubricante y se calcula utilizando la norma ASTM D2270. Para aceites con VI entre 0 y 100, la fórmula es:
Lubricantes de base biológica y vegetal.
Los lubricantes vegetales y de base biológica se derivan de fuentes vegetales renovables, principalmente aceites vegetales como los de colza, soja y girasol, que sirven como alternativas sostenibles a las opciones derivadas del petróleo.[38] Estos aceites son triglicéridos compuestos de ácidos grasos que ofrecen lubricidad inherente debido a su estructura molecular polar que promueve una fuerte adhesión a las superficies metálicas, reduciendo la fricción de manera efectiva en aplicaciones como sistemas hidráulicos.[39] Sin embargo, su insaturación natural conduce a una menor estabilidad oxidativa en comparación con los lubricantes minerales o sintéticos, lo que los hace propensos a degradarse bajo altas temperaturas o exposición prolongada al aire y la humedad.[40]
Para mejorar el rendimiento, los aceites vegetales se someten a modificaciones químicas como la epoxidación, que convierte los dobles enlaces en grupos epóxido para mejorar la estabilidad térmica y oxidativa, o la transesterificación, que reemplaza las cadenas principales de glicerol con cadenas alquílicas más estables manteniendo la biodegradabilidad.[41] Las formas epoxidadas, por ejemplo, exhiben una resistencia superior a la oxidación al reducir la presencia de hidrógenos alílicos reactivos.[40] Estas modificaciones permiten que los lubricantes de base biológica cumplan con los requisitos industriales sin comprometer su perfil ambiental. Los aditivos, como los antioxidantes, pueden reforzar aún más la estabilidad cuando se incorporan a las formulaciones.[42]
Una ventaja clave de estos lubricantes es su alta biodegradabilidad, que a menudo supera el 90 % en 28 días según las pruebas 301 de la OCDE, lo que permite una rápida descomposición por parte de los microorganismos en subproductos no tóxicos como dióxido de carbono y agua, lo que minimiza la persistencia ambiental en caso de derrames.[38] Esto contrasta marcadamente con los aceites minerales, que normalmente se biodegradan a tasas inferiores al 35% en condiciones similares.[43] Su baja toxicidad respalda aún más su uso en ecosistemas sensibles, aunque la compensación en la estabilidad oxidativa requiere una selección cuidadosa de la aplicación para evitar fallas prematuras.
Estándares como la certificación BioPreferred del USDA verifican el contenido de origen biológico (que requiere al menos un 25 % de materiales renovables para productos no designados) y promueven su adopción en las adquisiciones federales, garantizando una sostenibilidad verificada.[44] Las aplicaciones comunes incluyen fluidos hidráulicos para maquinaria agrícola, cuya biodegradabilidad protege el suelo y el agua, y aceites para barras de motosierras, que reducen el impacto ecológico en las operaciones forestales al prevenir la contaminación de los cursos de agua.[45]
El crecimiento del mercado de lubricantes de base biológica se ha acelerado, y el tamaño del mercado mundial alcanzará aproximadamente 3000 millones de dólares en 2025, lo que representa alrededor del 2 % del mercado mundial total de lubricantes impulsado por estrictas regulaciones de la UE, como los criterios de etiqueta ecológica y REACH, que exigen un impacto ambiental reducido y favorecen alternativas biodegradables en sectores como aplicaciones marinas e industriales.[46][47] Estas políticas, combinadas con la creciente demanda de productos e innovaciones sostenibles, como materias primas genéticamente modificadas para mejorar el rendimiento y la estabilidad, continúan impulsando la adopción.[39]
Lubricantes sólidos
Los lubricantes sólidos son materiales no fluidos que se emplean en entornos donde los lubricantes líquidos no son prácticos, como alto vacío, temperaturas extremas o condiciones secas, y proporcionan reducción de la fricción a través del contacto directo con la superficie o películas delgadas.[48] Estos materiales operan principalmente en el régimen de lubricación límite, donde interactúan las asperezas de las superficies de contacto, y su efectividad surge de propiedades inherentes de bajo cizallamiento más que de la viscosidad.
Los tipos comunes incluyen grafito, disulfuro de molibdeno (MoS₂) y politetrafluoroetileno (PTFE). El grafito y el MoS₂ presentan estructuras cristalinas en capas, que consisten en planos hexagonales de átomos unidos covalentemente dentro de las capas pero mantenidos unidos por fuerzas débiles de van der Waals entre las capas, lo que facilita el deslizamiento fácil y la baja resistencia al corte. Para MoS₂, los planos basales (pilas paralelas de sándwiches de azufre-molibdeno-azufre) se alinean durante el deslizamiento, lo que permite un corte interplanar con coeficientes de fricción tan bajos como 0,001 en el vacío debido a un contacto inconmensurable que reduce la adhesión.[51] Por el contrario, el PTFE carece de una estructura en capas, pero logra una baja fricción a través de sus moléculas de polímero de cadena larga que se deslizan fácilmente unas sobre otras, produciendo un coeficiente de fricción de alrededor de 0,05-0,1.[52]
Estos lubricantes se aplican mediante métodos como bruñido en polvo, recubrimientos aglutinados con resina, pulverización catódica o incorporación en compuestos, lo que permite su deposición en forma de películas delgadas (normalmente de 1 a 10 μm de espesor) o polvos sueltos.[49] En sistemas de vacío y rodamientos de alta carga, como los de mecanismos aeroespaciales, los lubricantes de película seca, como los recubrimientos de MoS₂, previenen la irritación y el desgaste bajo cargas superiores a 1 GPa, y funcionan de manera confiable desde temperaturas criogénicas (por ejemplo, 30 K) hasta 350 °C en atmósferas inertes.[51] El grafito se utiliza en escenarios similares de alta carga, pero es menos eficaz en el vacío debido a la sensibilidad a la oxidación por encima de 400 °C.[50] Los compuestos de PTFE destacan en aplicaciones de carga moderada que requieren inercia química, como sellos y cojinetes expuestos a corrosivos.[52]
A diferencia de los lubricantes fluidos, los lubricantes sólidos no exhiben viscosidad, sino que dependen de la resistencia al corte del material para minimizar la fricción en condiciones límite, donde domina el contacto directo con la aspereza.[53] Un ejemplo de esto son los lubricantes de película seca en componentes aeroespaciales, que mantienen bajas tasas de desgaste (por ejemplo, <10^{-6} mm³/Nm para películas de MoS₂) mediante la formación de películas de transferencia que se cortan conforme a las superficies.[51] En el régimen límite, el coeficiente de fricción μ viene dado por la relación entre la resistencia al corte del lubricante τ y la presión aplicada P:
Grasas y semisólidos
Las grasas y los semisólidos son lubricantes semisólidos diseñados para permanecer en su lugar bajo tensión mecánica, proporcionando una lubricación sostenida en aplicaciones donde los aceites líquidos pueden migrar o tener fugas. Consisten principalmente en un aceite base, que normalmente comprende entre el 70 % y el 90 % de la formulación, que se espesa con un agente gelificante conocido como espesante para lograr la consistencia deseada.[54] Los espesantes comunes incluyen jabones metálicos como complejos de litio, calcio o sodio, que forman una red fibrosa que retiene el aceite base; alternativamente, se utilizan espesantes no jabonosos como arcillas o poliurea para propiedades especializadas.[55] Los aditivos, que constituyen entre el 1 y el 10 % de la grasa, mejoran el rendimiento al proporcionar protección antidesgaste, antioxidante o de presión extrema.[54] La consistencia de las grasas se clasifica utilizando los grados del Instituto Nacional de Grasas Lubricantes (NLGI), que van desde 000 (semifluido) a 6 (en forma de bloque), según sus valores de penetración trabajados medidos a 25 °C (77 °F).[56]
La producción de grasas generalmente implica el proceso de saponificación para las variantes espesadas con jabón, donde los ácidos grasos o triglicéridos reaccionan con un hidróxido metálico (como el hidróxido de litio) en presencia de un aceite base para formar el espesante del jabón, seguido de una deshidratación para eliminar el agua y una homogeneización para mezclar los componentes de manera uniforme. Para las grasas sin jabón, un proceso de fusión calienta el espesante con aceite base para dispersarlo de manera efectiva sin reacción química.[57] Estos métodos de fabricación por lotes o continuos se producen en calderas o molinos, lo que garantiza que las fibras espesantes atrapen el aceite para mayor estabilidad. La resistencia al calor de la grasa resultante se evalúa mediante la prueba del punto de goteo (ASTM D566), que determina la temperatura a la que la grasa pierde su estructura y el aceite comienza a gotear de una copa de muestra, lo que generalmente indica el límite operativo superior para el espesante.[58] Las grasas también se clasifican según normas como DIN 51502 (y la DIN 51825 relacionada para ciertos tipos, como las grasas para rodamientos), donde las letras indican la temperatura máxima de funcionamiento; por ejemplo, la letra "R" indica idoneidad para temperaturas de funcionamiento superiores de hasta 180°C.[59]
Una ventaja clave de las grasas sobre los lubricantes líquidos es su capacidad para permanecer en su lugar, resistiendo las fuerzas centrífugas y la gravedad en aplicaciones giratorias o verticales, lo que minimiza las necesidades de relubricación y reduce los riesgos de contaminación.[60] También proporcionan un sellado eficaz contra el polvo, el agua y otros contaminantes, lo que prolonga la vida útil de los componentes en entornos hostiles. Las aplicaciones comunes incluyen cojinetes de ruedas en automóviles y equipos pesados, donde las grasas como las de complejo de litio mantienen la lubricación bajo carga y vibración, y cojinetes de motores eléctricos, donde previenen el desgaste y la corrosión mientras actúan como aislantes contra descargas eléctricas.[61] La consistencia se cuantifica mediante la prueba de penetración trabajada (ASTM D217), donde un cono estándar penetra la grasa después de 60 golpes de trabajo mecánico; por ejemplo, la grasa NLGI grado 2, ampliamente utilizada en maquinaria general, presenta una penetración de 265-295 × 0,1 mm, lo que equilibra la capacidad de bombeo y la retención.[62]
Lubricantes acuosos y especiales.
Los lubricantes acuosos, también conocidos como lubricantes a base de agua, consisten principalmente en emulsiones y soluciones diseñadas para aplicaciones que requieren un enfriamiento eficaz junto con la lubricación. Estos fluidos normalmente incorporan entre un 5% y un 95% de agua por volumen, según la formulación, con concentrados diluidos en agua para su uso; por ejemplo, los fluidos para trabajar metales semisintéticos contienen entre un 5% y un 30% de aceite mineral emulsionado en agua, mientras que las variantes sintéticas no utilizan aceite mineral y dependen de productos químicos solubles en agua para hasta un 95% de contenido de agua.[63] Las emulsiones, que forman mezclas de aceite en agua utilizando tensioactivos y agentes emulsionantes, combinan las propiedades refrescantes del agua con la lubricidad del aceite y constituyen aproximadamente el 50% de los fluidos para trabajar metales.[63] Las soluciones, por el contrario, son totalmente miscibles en agua sin separación de aceite y, a menudo, emplean compuestos químicos para la lubricación. En estas formulaciones se incluyen comúnmente aditivos límite, como ácidos grasos, para adsorberse en superficies metálicas, formando películas protectoras que reducen la fricción en condiciones de alta presión como el mecanizado.[64]
Las propiedades clave de los lubricantes acuosos incluyen una eficiencia de enfriamiento superior debido a la alta capacidad calorífica específica y la conductividad térmica del agua, que disipa eficazmente el calor en procesos como el corte y conformado de metales, superando a las alternativas basadas en aceite en la eliminación de calor. Sin embargo, su contenido de agua introduce riesgos de corrosión para los metales, particularmente los componentes ferrosos, lo que requiere inhibidores de la corrosión como el benzotriazol o líquidos iónicos de aminoácidos para mitigar la degradación. Para prevenir el crecimiento bacteriano, que puede degradar la estabilidad del fluido y causar olores o problemas de salud, el pH se controla en el rango de 7 a 9 usando aditivos como alcanolaminas, manteniendo la alcalinidad de reserva contra contaminantes ácidos. Los fluidos acuosos sintéticos para trabajar metales mejoran aún más la seguridad al incorporar agentes antivaho, como polímeros de poliisobutileno, para aumentar el tamaño de las gotas y reducir la formación de aerosoles, lo que ayuda a cumplir con el límite de exposición permisible de OSHA de 5 mg/m³ para nieblas de aceite mineral durante un promedio ponderado de tiempo de 8 horas.[65][66]
In applications, aqueous lubricants serve as cutting fluids in metalworking operations, where they lubricate tools, flush chips, and cool workpieces during machining, grinding, and forming. Las variantes de calidad alimentaria, certificadas según los estándares NSF H1, están formuladas para contacto incidental en equipos de procesamiento de alimentos, lo que garantiza que los lubricantes como los utilizados en mezcladores o transportadores cumplan con los requisitos de higiene sin aditivos nocivos y con un potencial de migración limitado de hasta 10 ppm. Los ejemplos especiales incluyen mezclas de agua y glicol, que comprenden entre 38 y 45 % de agua, etilen o dietilenglicol y poliglicoles de alto peso molecular con aditivos, que brindan resistencia al fuego a través de la vaporización del agua y la asfixia del vapor en entornos de alto riesgo, como máquinas de fundición a presión y sistemas hidráulicos de hornos, al mismo tiempo que ofrecen una excelente transferencia térmica pero requieren protección contra la corrosión para metales sensibles como el aluminio.[67]