Teoría y Práctica de la Lubricación

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Teoría y Práctica de la Lubricación

Teoría y Práctica de la Lubricación
Las funciones básicas de un lubricante son: reducción de la fricción, disipación del calor y dispersión de los contaminantes. El diseño de un lubricante para realizar estas funciones es una tarea compleja, que involucra un cuidadoso balance de propiedades, tanto del aceite de base como de los aditivos.
Reducción de la Fricción
La reducción de la fricción se realiza manteniendo una película de lubricante entre las superficies que se mueven una con respecto de la otra, previniendo que entren en contacto y causen un daño superficial. La fricción es un elemento común en la vida diaria. Una persona puede caminar por una rampa inclinada sin resbalar debido a la alta fricción entre la suela de sus zapatos y la rampa, y puede deslizarse montaña abajo en sus esquíes porque la fricción entre éstos y la nieve es baja. Ambos casos ilustran la fricción entre dos superficies ordinarias.
La cantidad de resistencia al movimiento debido a la fricción se puede expresar en términos del coeficiente de fricción:

Este coeficiente es casi constante para cualquier par de superficies. Para metales limpios, con una terminación superficial ordinaria, expuestos a la atmósfera, el valor es aproximadamente 1. Para el mismo metal, contaminado por el manipuleo, el valor cae a alrededor de 0,3. Para sistemas bien diseñados y lubricados, el coeficiente puede ser tan bajo como 0,005. Bajo condiciones muy especiales, se pueden obtener valores tan bajos como 0,000005. En contraste, los coeficientes para superficies metálicas limpias en el vacío, pueden ser tan altos como 200 o más, y la soldadura en frío debido a la adhesión puede ocurrir. La lubricación es de dos tipos generales basado en el ambiente operacional, esto es, carga y velocidad del equipamiento y viscosidad del lubricante. Las superficies lisas separadas por una capa de lubricante no entran en contacto, y por lo tanto no contribuyen a las fuerzas de fricción. Esta condición se llama lubricación hidrodinámica. Se llega al límite de la lubricación cuando hay un contacto intermitente entre las superficies, resultanto en fuerzas de fricción significativas.
Lubricación hidrodinámica
Mantener una capa de líquido intacta entre superficies que se mueven una respecto de la otra, se logra generalmente mediante el bombeo del aceite. Entre un cigueñal y su asiento existe una capa de aceite que hace que el cigueñal flote. El espesor de esta capa depende de un balance entre la entrada y la salida de aceite.
El espesor de equilibrio de la capa de aceite se puede alterar por:

Incremento de la carga, que expulsa aceite
Incremento de la temperatura, que aumenta la pérdida de aceite
Cambio a un aceite de menor viscosidad, que también aumenta la pérdida de aceite
Reducción de la velocidad de bombeo, que disminuye el espesor de la capa

La lubricación de un cigueñal que rota dentro de su bancada es un ejemplo clásico de la teoría de la fricción hidrodinámica, como fue descripta por Osborne Reynolds en 1886. La teoría asume que bajo estas condiciones, la fricción ocurre solamente dentro de la capa fluída, y que es función de la viscosidad del fluído.
Lubricación Elasto-hidrodinámica
A medida que la presión o la carga se incrementan, la viscosidad del aceite también aumenta. Cuando el lubricante converge hacia la zona de contacto, las dos superficies se deforman elásticamente debido a la presión del lubricante. En la zona de contacto, la presión hidrodinámica desarrollada en el lubricante causa un incremento adicional en la viscosidad que es suficiente para separar las superficies en el borde de ataque del área de contacto. Debido a esta alta viscosidad y al corto tiempo requerido para que el lubricante atraviese la zona de contacto, hacen que el aceite no pueda escapar, y las superficies permanecerán separadas.
La carga tiene un pequeño efecto en el espesor de la capa, debido a que a estas presiones, la capa de aceite es más rígida que las superficies metálicas. Por lo tanto, el efecto principal de un incremento en la carga es deformar las superficies metálicas e incrementar el área de contacto, antes que disminuir el espesor de la capa de lubricante.
Pérdida de lubricación
Las hipótesis simples hechas durante la discusión anterior, no siempre son válidas en la práctica. Bajo ciertas condiciones - tales como carga repentina, alta carga durante largo tiempo, alta temperatura, baja velocidad, o baja viscosidad - el sistema de lubricación no se mantiene en régimen hidrodinámico. Se llega a una situación en la cual existe un contacto intermitente entre las superficies metálicas, resultando en un aumento significativo de la temperatura, y una posterior destrucción de las superficies en contacto. Bajo estas circunstancias, la capa fluída no es capaz de proteger las superficies, y se deben emplear otras técnicas, como ser el agregado de aditivos formantes de capas protectoras sobre las superficies móviles.
Viscosidad del lubricante
La viscosidad es una de las propiedades más importantes de un aceite lubricante. Es uno de los factores responsables de la formación de la capa de lubricación, bajo distintas condiciones de espesor de esta capa. La viscosidad afecta la generación de calor en rodamientos, cilindros y engranajes debido a la fricción interna del aceite. Esto afecta las propiedades sellantes del aceite y la velocidad de su consumo. Determina la facilidad con la que las máquinas se pueden poner en funcionamiento a varias temperaturas, especialmente a las bajas. La operación satisfactoria de una dada pieza de un equipo depende fundamentalmente del uso de un aceite con la viscosidad adecuada a las condiciones de operación esperadas.

El concepto básico de la viscosidad se muestra en la figura, donde una placa se mueve a una velocidad constante V sobre una capa de aceite. El aceite se adhiere a ambas caras de las placas, la móvil y la estacionaria. El aceite en contacto con la cara de la placa móvil viaja a la misma velocidad que ésta, mientras que el aceite en contacto con la placa estacionaria tiene velocidad nula. Entre ambas placas, se puede visualizar al aceite como si estuviera compuesto por muchas capas, cada una de ellas siendo arrastrada por la superior a una fracción de la velocidad V, proporcional a su distancia de la placa estacionaria. Una fuerza F debe ser aplicada a la placa móvil para vencer a la fricción entre las capas fluídas. Dado que esta fricción esta relacionada con la viscosidad, la fuerza necesaria para mover la placa es proporcional a la viscosidad. La viscosidad se puede determinar midiendo la fuerza necesaria para vencer la resistencia a la fricción del fluído en una capa de dimensiones conocidas. La viscosidad determinada de esta manera se llama dinámica o absoluta.
La viscosidad dinámica normalmente se expresa en poise (P) o centipoise (cP, donde 1 cP = 0,01 P), o en unidades del Sistema Internacional como pascales-segundo (Pa-s, donde 1 Pa-s = 10 P). La viscosidad dinámica, la cual es función sólo de la fricción interna del fluído, es la cantidad usada más frecuentemente en el diseño de cojinetes y el cálculo de flujo de aceites. Debido a que es más conveniente medir la viscosidad de manera tal que tenga en cuenta la densidad del aceite, para caracterizar a los lubricantes normalmente se utiliza la viscosidad cinemática.
La viscosidad cinemática de un fluído es su viscosidad dinámica dividida por su densidad, ambos medidos a la misma temperatura, y expresada en unidades consistentes. Las unidades más comunes que se utilizan para expresar la viscosidad cinemática son: stokes (St) o centistokes (cSt, donde 1 cSt = 0,01 St), o en unidades del SI como milímetos cuadrados por segundo (mm2/s, donde 1 mm2/s = 1 cSt).
La viscosidad dinámica en centipoise se puede convertir en viscosidad cinemática en centistokes dividiéndola por la densidad del fluído en gramos por centímetro cúbico (g/cm3) a la misma temperatura. La viscosidad cinemática en milímetros cuadrados por segundo se puede convertir en viscosidad dinámica en pascal-segundos multiplicando por la densidad en gramos por centímetro cúbico y dividiendo el resultado por 1000. Resumiendo:

Se han utilizado otros sistemas de medida, incluyendo Saybolt, Redwood y Engler, debido a su familiaridad para muchas personas, pero son raros los instrumentos desarrollados para realizar las mediciones en estas unidades. La mayoría de las determinaciones de viscosidad se realizan en centistokes y se convierten a valores de otros sistemas. La viscosidad de cualquier fluído cambia con la temperatura, incrementándose a medida que baja la temperatura, y disminuyendo a medida que ésta aumenta. La viscosidad también puede cambiar con un cambio en el esfuerzo o velocidad de corte .
Para comparar los aceites con base de petróleo con respecto a variaciones de viscosidad con la temperatura, el método ASTM D 2270 proporciona una manera de calcular el índice de viscosidad (IV). Este es un número arbitrario utilizado para caracterizar la variación de la viscosidad cinemática de un producto de petróleo con la temperatura. El cálculo se basa en mediciones de la viscosidad cinemática a 40 y 100 ºC. Para aceites de viscosidad cinemática similar, a índices de viscosidad más grandes, más pequeño el efecto de la temperatura.
Los beneficios de un IV más alto son:

Viscosidad más alta a mayor temperatura, lo cual resulta en un menor consumo de aceite y desgaste del motor.
Menor viscosidad a bajas temperaturas, lo cual permite un mejor arranque en frío del motor y menor consumo de combustible durante el calentamiento.

La medición de viscosidades absolutas bajo condiciones reales ha reemplazado al concepto de índice de viscosidad convencional para evaluar lubricantes bajo condiciones de operación.
Otro factor en la medición de viscosidades es el efecto del esfuerzo de corte o velocidad de corte. Para ciertos fluídos, llamados Newtonianos, la viscosidad es independiente del esfuerzo o la velocidad de corte. Cuando esta condición no se cumple, los fluídos son llamados no-newtonianos.
Las mediciones de viscosidad cinemática se realizan a velocidades de corte bajas (100 s-1). Se dispone de otros métodos para medir la viscosidad a velocidades de corte que simulan las condiciones de operación del lubricante. Dentro de los diferentes instrumentos disponibles mara la medición de la viscosidad cinemática, se pueden mencionar:

Viscosímetros capilares: que miden la velocidad de flujo de un volumen fijo de fluído a través de un orificio de diámetro pequeño, a una temperatura constante y controlada. La velocidad de corte puede variar entre casi 0 a 106 s-1 cambiando el diámetro del capilar y la presión aplicada. Los tipos de viscosímetros capilares y sus modos de operación son:

Viscosímetros de capilar de vidrio - el fluído para a través de un orificio de diámetro fijo bajo la influencia de la gravedad. La velocidad de corte es menos de 10 s-1. Todas las viscosidades cinemátidas de lubricantes para automóviles se miden con viscosímetros capilares.
Viscosímetros capilares de alta presión - aplicando un gas a presión, se fuerza a un volumen determinado del fluído a pasar a través de un capilar de vidrio de pequeño diámetro. La velocidad de corte se puede variar hasta 106 s-1 . Esta técnica se utiliza comúnmente para simular la viscosidad de los aceites para motor en las condiciones de operación.
Esta viscosidad se llama alta temperatura-alto corte (HTHS por su sigla en inglés) y se mide a 150 ºC y 106 s-1

Viscosímetros rotatorios, que usan el torque de un eje rotatorio para medir la resistencia al flujo del fluído. El Simulador de Cigueñal Frío (CCS), el mini-viscosímetro rotatorio (MRV), el viscosímetro Brookfield y el Simulador de Cojinete Cónico (TBS) son viscosímetros rotatorios. La velocidad de corse se puede cambiar modificando las dimensiones del rotor, el espacio entre el rotor y la pared del estator, y la velocidad de rotación.

Simulador de Cigueñal frío: El CCS mide la viscosidad aparente en el rango de 500 a 200.000 cP. Los rangos de velocidades de corte van entre 104 y 105 s-1. El rango normal de temperaturas de operación está entre 0 a -40 ºC. El CCS ha demostrado una excelente correlación con los datos de cigueñales de máquinas a bajas temperaturas.La clasificación de viscosidades SAE J300 especifica el comportamiento viscoso de aceites para motor a bajas temperaturas mediante límites del CCS y requisitos del MRV.

Mini-viscosímetro Rotatorio(ASTM D 4684): La prueba con el MRV, que está relacionado con el mecanismo de bombeo, es una medición a baja velocidad de corte. La baja velocidad de enfriamiento es la característica clave del método. Se trata una muestra para que tenga una historia térmica que incluya ciclos de calentamiento, enfriamiento lento y remojado. El MRV mide una aparente tensión admisible, la cual, si es más grande que el valor umbral, indica un posible problema de bombeo por mezcla con aire. Por sobre una cierta viscosidad (normalmente definida como 60.000 cP por la SAE J300), el aceite podría estar sujeto a una falla de bombeo por un mecanismo llamado comportamiento de "flujo límite". Un aceite SAE 10W, por ejemplo, se requiere para tener una viscosidad máxima de 60.000 cP a -30 ºC sin tensión admisible. Este método también mide una viscosidad aparente bajo velocidades de corte de 1 a 50 s-1

Viscosímetro Brookfield: Determina un amplio rango de viscosidades (1 a 105 P) bajo una baja velocidad de corte (hasta 102 s-1). Se usa principalmente para determinar la viscosidad a baja temperatura de aceites para engranajes, transmisiones automáticas, convertidores de torque y aceites hidráulicos para tractores, automóviles e industriales. La temperatura del ensayo se mantiene constante en el rango de -5 a -40 ºC.

La técnica de ensayo Brookfield mide la viscosidad Brookfield de una muestra a medida que es esfriada a velocidad constante de 1 ºC por hora. Como el MRV, este método intenta correlacionar las características de bombeo de un aceite a baja temperatura. El ensayo informa el punto de gelificación, definido como la temperatura a la cual la muestra llega a 30.000 cP. El índice de gelificación se define como la relación entre la mayor velocidad de cambio en el incremento de la viscosidad desde -5 ºC y la temperatura más baja del ensayo. Este método encuentra aplicación en aceites de motores, y es requerido por la ILSAC GF-2.

Simulador de Cojinete Cónico: Esta técnica también mide viscosidades a altas temperaturas y velocidades de corte (ver Viscosímetro capilar de alta presión). Se obtienen altas velocidades de corte usando distancias extremadamente pequeñas entre las paredes del rotor y estator.

Los requerimientos físicos tanto para aceites para cigueñal como para engranajes están definidos por la SAE J300

Intercambio de Calor

Otra importante función de un lubricante es actuar como un enfriador, removiendo el calor generado por la fricción o por otras fuentes tales como la ocmbustión o el contacto con sustancias a alta temperatura. Para realizar esta función, el lubricante debe permanecer relativamente sin cambios. Los cambios en la estabilidad térmica y estabilidad a la oxidación harán disminuir la eficiencia del lubricante. Para resolver estos problemas es que generalmente se agregan los aditivos.

Suspensión de contaminantes

La habilidad de un lubricante para permanecer efectivo en la presencia de contaminantes es bastante importante. Entre estos contaminantes se cuentan agua, productos ácidos de la combustión y materia particulada. Los aditivos son generalmente la respuesta para minimizar los efectos adversos de los contaminantes.

Propiedades necesarias de un lubricante y el rol de los aditivos

Algunas de las propiedades necesarias más importantes para un desempeño satisfactorio de un lubricante son:
1 . Baja volatilidad bajo condiciones de operación. Las características de volatilidad son inherentes a la elección del aceite de base para un tipo particular de servicio, y no pueden ser mejoradas por el uso de aditivos.
2 . Características de flujo satisfactorias en el rango de temperatura a usar. Estas características dependen grandemente de la elección del aceite de base; sin embargo se pueden mejorar mediante el uso de depresores del punto de escurrimiento y modificadores de viscosidad. Los primeros mejoran las características de fluencia a bajas temperaturas, mientras que los últimos lo hacen con la viscosidad a alta temperatura.
3 . Estabilidad superior o habilidad para mantener características deseables por un período razonable de uso. Mientras estas características dependen en un mayor grado del aceite de base, se asocian primordialmente con el agregado de aditivos, que mejoran las propiedades del aceite de base en esta área.
La estabilidad de los lubricantes es afectada por el ambiente en el cual opera. Tales factores como la temperatura, potencial de oxidación y contaminación con agua, combustible no quemado, o ácidos corrosivos, limitan la vida útil del lubricante. Esta es el área donde los aditivos han hecho su mayor contribución en la mejora de las características del comportamiento y en extender la vida útil de los lubricantes.
4 . Compatibilidad con otros materiales del sistema. La compatibilidad de los lubricantes con sellos, rodamientos, embragues, etc., puede ser también parcialmente asociada con el aceite de base. Sin embargo, los aditivos químicos pueden tener una mayor influencia en tales características.
Los aditivos se pueden clasificar como materiales que imparten nuevas propiedades o mejoran las existentes del lubricante o combustible dentro de los cuales se incorporan. No es objeto de esta presentación dar una bibliografía completa de la literatura pertinente a estos materiales. Se hará un intento por presentar una revisión de los aspectos químicos y funcionales.
Los principales tipos de lubricantes para máquinas se han descripto en la literatura por varios autores. Los materiales de interés en este área incluyen:
Tipos de aditivos para lubricantes

Detergentes (Dispersantes Metálicos)	Salicilatos Sulfonatos Fenatos Sulfofenatos
Dispersantes libres de cenizas	Cadenas largas de alquenil succinamidas N-sustituidas Esteres y poliésteres de alto peso molecular Sales de amonio de ácidos orgánicos de alto peso molecular Bases de Mannich derivadas de fenoles alquilados de alto peso molecular. Copolímeros de derivados de ácidos acrílicos o metacrílicos que contienen grupos polares, tales como aminas, amidas, iminas, imidas, hidroxilo, eter, etc. Copolímeros de etileno - propileno que contienen grupos polares como los ya indicados.
Inhibidores de oxidación y corrosión de rodamientos	Fosfitos orgánicos Ditiocarbamatos metálicos Olefinas sulfuradas Ditiofosfatos de Zinc
Antioxidantes	Compuestos fenólicos Compuestos aromáticos nitrogenado Terpenos fosfosulfurados
Modificadores de Viscosidad	Polimetacrilatos Copolímeros de etileno - propileno (OCP) Copolímeros de estireno - dienos Copolímeros de estireno - éster
Aditivos antidesgaste	Fosfitos orgánicos Olefinas sulfuradas Ditiofosfatos de Zinc Compuestos alcalinos como neutralizadores de ácidos
Depresores del punto de escurrimiento	Naftalenos alquilados con ceras Polimetacrilatos Fenoles alquilados con ceras Copolímeros de ésteres de acetato de vinilo/ácido fumárico Copolímeros de acetato de vinilo/éter vinílico Copolímeros de estireno - éster

*También son modificadores de viscosidad

Detergentes

Los materiales de este tipo son generalmente moléculas que tienen una larga "cola" hidrocarbonada y un extremo polar. La sección de la "cola" (un grupo oleofílico), sirve como solubilizante en el fluído de base, mientras que el grupo polar es atraído por los contaminantes en el lubricante.
Aunque estos compuestos se llaman comúnmente detergentes, su función parecen ser la de dispersar la materia particulada, antes que la limpieza de la suciedad. Por lo tanto, es más apropiado categorizarlos como dispersantes. La estructura molecular y una breve reseña de los métodos de preparación para algunos de los dispersantes metálicos más representativos se discuten a continuación.

Sulfonatos

Los sulfonatos son los productos de neutralización de un ácido sulfónico con una base metálica. La reacción se puede ilustrar como:
R-SO3H + MO ó MOH ——> R-SO3M + H2O
donde MO = óxido de metal divalente y MOH = hidróxido de metal divalente. R representa un radical orgánico que actúa como un grupo soluble en el aceite.
El peso molecular de un hidrocarburo debe estar en el orden de 350 o más, y la presencia de un radical orgánico en la molécula se considera necesario para la solubilidad del sulfonato en el aceite. Los sulfonatos comercialmente disponibles son de dos tipos: Sulfonatos de petróleo y sintéticos
Sulfonatos de petróleo (o naturales) son sales metálicas de ácidos sulfónicos que fueron primariamente subproductos del tratamiento de fracciones de petróleo con ácido sulfúrico, en la fabricación de aceites blancos. Actualmente, con la gran demanda de aceites detersivos, los sulfonatos han dejado de ser un subproducto para pasar a ser el producto principal. La estructura de la porción orgánica de los sulfonatos de petróleo no son completamente conocidas. Dependiendo de la fuente del petróleo crudo, la estructura puede tener proporciones variables de grupos alifáticos, nafténicos y aromáticos.
Sulfonatos sintéticos Son sales metálicas de ácidos producidas por la sulfonación de aromáticos alquilados por reacción con trióxido de azufre. En muchos casos, los sulfonatos sintéticos fueron derivados el benceno con sustituyentes alquílicos largos, cuya estructura se muestra más abajo, donde R y R´ son radicales alifáticos con un número de carbonos combinado mayor de 20

La mayoría de los cationes metálicos de los detergentes en base a sulfonatos son calcio, magnesio y sodio. Los sulfonatos alcalino térreos se pueden preparar por reacción directa del ácido sulfónico con el óxido metálico o hidróxido, o haciendo reaccionar el sulfonato de sodio con el cloruro del metal.
Los sulfonatos solubles en aceite que contienen una cantidad de metal en exceso por sobre la estequiométrica se llaman sulfonatos básicos. Entre las ventajas de los sulfonatos básicos esté una gran habilidad para neutralizar sustancias ácidas, además de servir como dispersante de los contaminantes.
Salicilatos
Se preparan generalmente a partir de alquil-fenoles por una reacción química conocida como reacción de Kolbe

El salicilato de potasio puede hacerse reaccionar con cloruro de calcio o de magnesio. La sal resultante sirve para formular detergentes altamente básicos que han probado ser efectivos en aceites para motores diesel.
Fenatos y sales de Fenoles Sulfurados
Una amplia clase de fenatos metálicos incluyen las sales de alquil fenoles, sulfuros de alquil fenoles y aldehídos de alqul fenoles. La solubilidad en aceite se logra mediante alquilación del fenol con olefinas que generalmente contienen siete o más átomos de carbono.

El azufre se incorpora en los fenatos por reacción del alquil fenol con cloruro de azufre o azufre elemental. La introducción del azufre y la presencia de un puente metileno baja la corrosividad de los productos hacia los materiales de los cojinetes y mejora sus características antioxidantes.
Los fenatos de calcio son los más usados normalmente. Se fabrican por reacción de los fenoles sustituídos con los óxidos o hidróxidos de los metales. Los fenatos básicos se pueden producir usando un exceso de la base metálica por sobre la cantidad teórica requerida para formar un fenato neutro. Los fenatos básicos tienen un gran poder neutralizante de los ácidos por unidad de peso. Tales productos tienen de dos a tres veces la cantidad de metal requerido para fenatos neutros.
En las estructuras de los varios fenatos mostrados M = metal divalente y R = grupo alquílico.

Tiofosfonatos
Los productos comerciales de este tipo son generalmente derivados de componentes ácidos producidos por la reacción entre polibuteno (en el rango de peso molecular de 500 a 1000), y pentasulfuro de fósforo. Un estudio de la estructura de estos compuestos indica que las sales orgánicas presentes son principalmente tiopirofosfonatos, acompañados en algunos casos por 10 a 25 moles por ciento de tiofosfonatos y fosfonatos. También pueden ser preparados fosfonatos y tiofosfonatos solubles en aceite que contienen metal en exceso por sobre la cantidad estequiométrica, sin embargo su uso ha ido decayendo.
Dispersantes
Un gran desarrollo en el campo de los aditivos fue el descubrimiento de los dispersantes sin cenizas. Estos materiales se pueden categorizar en dos grandes tipos: dispersantes poliméricos de alto peso molecular usados para formular aceites multigrado y aditivos de bajo peso molecular que se usan cuando no es necesaria una modificación de la viscosidad. Estos aditivos son mucho más efectivos que los tipos metálicos para controlar los depósitos de barros y barnices que resultan de una operación intermitente a baja temperatura de motores de gasolina.
Los compuestos útiles para este propósito se caracterizan por un grupo polar ligado a una cadena hidrocarbonada de un relativo alto peso molecular. El grupo polar generalmente contiene uno o más de los siguientes elementos: nitrógeno, oxígeno y fósforo. Las cadenas solubilizantes son generalmente de un peso molecular mayor que las utilizadas en los detergentes; sin embargo en algunos casos son bastante similares.
No se harán intentos por describir todos los materiales que caen dentro de esta categoría. La discusión se limitará a algunos de los productos comerciales más ampliamente usados.
Alquenil succinimidas de cadena larga N-Sustituidas
La mayoría de los productos usados son de este tipo o relacionados que corresponden a la siguiente fórmula general:

El intermediario ácido alqunilsuccinico se obtiene por condensación de una olefina polimerizada, generalmente un poliisobutileno con un peso molecular en el rango de 800 1200, con anhidrido maleico. La parte básica del aditivo usualmente proviene de N-amino alquilpoliaminas, especialmente las polialquilenaminas tales como trietilentetramina, tetraetilen pentamina, etc.
Esteres de Alto Peso Molecular
Los materiales de interés comercial en esta área incluyen productos formados por la esterificación de olefinas sustituídas de ácidos succínicos con alcoholes alifáticos. La olefina sustituyente en los ácidos tiene al menos 50 átomos de carbono alifáticos y un peso molecular entre 700 y 5000. Un ejemplo de tales materiales e el producto de reacción del etilenglicol con un anhidrido succínico sustituído:

En esta reacción se pueden emplear polialcoholes tales como glicerol, pentaeritritol y sorbitol.
Bases de Mannich a partir de Fenoles Alquilados de Alto Peso Molecular
Se forman por la condensación de un fenol alquil - sustituído de alto peso molecular, una alquilenpoliamina, y un aldehído tal como formaldehído. Una descripción de la reacción de polipropilenfenol, tetraetilenpentamina y formaldehído es:

Dispersantes Poliméricos

Estos dispersantes sin cenizas pueden servir para la función dual de dispersante y modificador de viscosidad. Tienen dos características estructurales diferentes: aquelas que son similares a los materiales empleados como modificadores de viscosidad y aquellas de los compuestos polares (que imparten propiedades dispersivas) Los modificadores de viscosidad se discutirán en una sección separada. La fórmula general para los dispersantes poliméricos podría ser:

donde la porción hidrocarbonada es un grupo oleofílico, A = grupo polar, y R = grupo alquilo C1-6 , grupo alquenilo C4-6 ,o alquilo. Alguna de las muchas posibilidades de grupos polares son:

Inhibidores de Oxidación y Corrosión

La función de un inhibidor de oxidación es prevenir el deterioro del lubricante, asociado con el ataque del oxígeno. Estos inhibidores destruyen los radicales libres (rompedores de cadena) o interactúan con los peróxidos involucrados en el mecanismo de oxidación. Entre los antioxidantes más ampliamente usados están los de tipo fenólico y los ditiofosfatos de zinc. A los primeros se los considera como rompedores de cadena, mientras que los últimos se piensa que son destructores de peróxidos.
La corrosión de los metales de los cojinetes se considera generalmente que se debe principalmente a la reacción de los ácidos con los óxidos de los metales de los cojinetes. Durante la operación del motor, estos ácidos se originan por productos de la combustión incompleta del combustible, o por la oxidación del lubricante. Los inhibidores de oxidación pueden reducir esta tendencia significativamente.
Los detergentes pueden reducir la corrosión de los cojinetes neutralizando los ácidos corrosivos. Otros inhibidores tales como el ditiofosfato de zinc y las olefinas fosfosulfuradas no sólo inhiben la oxidación sino que forman una capa protectora sobre la superficie de los cojinetes, haciéndoles impenetrables al ataque de los ácidos.

Inhibidores Fenólicos (Rompedores de Cadena)

La eficiencia inhibidora del fenol se incrementa marcadamente por la sustitución de grupos alquílicos en las posiciones orto y para, especialmente cuando los sustituyentes orto son grupos voluminosos tales como Terbutil, y el sustituyente para es un grupo alquílico primario. Una gran variedad de estos fenoles se producen comercialmente para se empleados como inhibidores en aceites para transformadores, turbinas y motores.
La estructura metilenbis es más efectiva en aplicaciones para alta temperatura debido a sus características de baja volatilidad comparada con las otras moléculas.

Ditiofosfatos de Zinc (Destructores de Peróxidos)

Estos materiales son de una gran importancia comercial en los lubricantes para motores, en los cuales no sólo actúan como antioxidantes sino que también lo hacen como protectores de corrosión y antidesgaste de los cojinetes. Se fabrican de la siguiente manera:

donde R = alquil o aril. Ambos derivados alquílicos o arílicos se emplean comercialmente. Los derivados alquílicos son generalmente más efectivos como aditivos antidesgaste. Los derivados arílicos tienen un alto grado de estabilidad térmica.
Las características antidesgaste y de estabilidad térmica de los compuestos alquílicos se pueden variar utilizando diferentes alcoholes, esto es: primarios vs. secundarios y de alto vs. bajo peso molecular. Los principales grupos alquilos son propilo, butilo, hexilo, octilo, y mezclas de éstos. Los efectos de un radical alquilo en la temperatura de descomposición térmica de los dialquilditiofosfatos de zinc (ZDP), se muestra en la siguiente tabla:
Efecto del Radical Alquilo sobre la Descomposición Térmica de ZDP

Radical Alquilo	Temperatura de Descomposición (°C)
Isopropilo	196
4-Metilo 2-pentilo	197
N-Amilo	212
N-Octilo	>251

La estabilidad se incrementa con la longitud de la cadena alquilada y baja por los grupos alquílicos secundarios con el mismo número de átomos de carbono. Se debe notar, sin embargo, que las características de comportamiento general de los ZPD no se relacionan con la temperatura de descomposición.

Aditivos Antidesgaste

El desgaste es la pérdida de metal con el subsiguiente cambio en la luz entre las superficies móviles. Si continúa, resultará en un mal funcionamiento del equipo. Entre los principales factores causantes de desgaste son el contacto metal - metal, presencia de abrasivos, y ataque de ácidos corrosivos.
El contacto metal - metal puede ser prevenido adicionando compuestos formadores de capas que protejan la superficie, bien por absorción física o por reacción química. Los ditiofosfatos de zinc se usan ampliamente para este propósito y son particularmente efectivos para reducir el desgaste en los árboles de levas. Otros aditivos contienen fósforo, azufre, o combinaciones de estos elementos.
El desgaste por abrasión se puede prevenir por la remoción de las partículas por filtración del aire que entra al motor, y del aceite.
El desgaste por corrosión resulta principalmente de los compuestos ácidos formados por la combustión. Este tipo de desgaste se puede prevenir usando aditivos alcalinos tales como fenatos básicos y sulfonatos.

Modificadores de Viscosidad

Los modificadores de viscosidad, o mejoradores del índice de viscosidad, como fueron conocidos en principio, comprenden una clase de materiales que mejoran las características de viscosidad/temperatura del lubricante. Esta modificación de las propiedades reológicas resultan en un incremento de la viscosidad a todas las temperaturas. El incremento en la viscosidad es más pronunciado a altas temperaturas, lo cual mejora sensiblemente el índice de viscosidad del lubricante. Esto se manifiesta por un decrecimiento en la pendiente de la curva viscosidad/temperatura graficada en un papel logarítmico ASTM.

Los modificadores de viscosidad son generalmente polímeros orgánicos solubles en aceite con pesos moleculares en el rango de 10.000 a 1.000.000. La molécula del polímero en solución es "hinchada" por el lubricante, y el volumen de la molécula así "hinchada" determina el grado al cual el polímero incrementa la viscosidad. Cuanto más alta la temperatura, más grande es el volumen y más grande el efecto "espesante" del polímero.
Además de la mejora en la viscosidad, del comportamiento de estos polímeros también depende la estabilidad de la resistencia al corte y la estabilidad química y térmica. Con un dado sistema de polímeros, la estabilidad al corte disminuye con el aumento del peso molecular. La pérdida debida al corte se refleja en una pérdida de la viscosidad del lubricante. Por otra parte, el "poder espesante" del modificador de viscosidad se incrementa con un incremento en el peso molecular, para un dado tipo de polímero. Se debe establecer un balance que tenga en cuenta la estabilidad al corte y las necesidades de viscosidad, al igual que la estabilidad térmica y a la oxidación durante las condiciones actuales de operación de la máquina.

Depresores del Punto de Fluencia

Los depresores del punto de fluencia previenen la congelación del aceite a bajas temperaturas. Este fenómeno se asocia con la cristalización de las ceras de parafina que están presentes en las fracciones de aceite mineral. Para lograr bajos puntos de fluencia, las refinerías eliminan los constituyentes que contienen ceras, los cuales solidifican a temperaturas relativamente altas, madiante un proceso conocido como "descerado". El descerado completo podría reducir el rendimiento del aceite a un nivel no económico. Por lo tanto el proceso de descerado se suplementa usando aditivos que bajan el punto de fluencia del aceite

Los depresores del punto de fluencia no previenen que las ceras cristalicen en el aceite. Más bien se absorben en los cristales y reducen así la cantidad de aceite ocluído en el mismo. Al reducir el volumen del cristal permiten el flujo del lubricante.

Aditivos varios

Esta categoría incluye compuestos antioxidantes e inhibidores de espuma. Los productos químicos empleados como antioxidantes incluyen sulfonatos, imidazolinas sustituídas, aminas, etc. Una considerable cantidad de información de estos aditivos se puede obtener de las patentes de los productos. Los agentes antiespumantes incluyen siliconas y varios copolímeros orgánicos.

Introducción

Un cliente cambia la marca del aceite que utiliza normalmente y entonces se queja por una baja presión del aceite. ¿Es realmente la baja presión algo inherentemente malo? ¿Por qué los clientes no se quejan por alta presión del aceite?
En la siguiente discusión trataremos de demostrar que:

La baja presión de aceite no es necesariamente mala... en realidad puede ser muy beneficiosa dentro de límites razonables.
La alta presión de aceite no es necesariamente buena... en realidad puede ser causa de graves problemas.

De vuelta a lo básico

En el esquema simplificado de distribución de aceite que se muestra debajo, el aceite se toma a través de un filtro de malla y un tubo de succión por una bomba. Esta bomba empuja al aceite a través del filtro y luego hacia el motor a través de los conductos apropiados. Un medidor de presión se coloca normalmente después del filtro.

La circulación del aceite se produce por una bomba, y no por un compresor. El criterio más importante para una buena lubricación el el flujo de aceite y no la presión de aceite. La presión de aceite puede variar considerablemente a través del motor, disminuyendo a medida que se aleja de la bomba. La presión de aceite es negativa en el lado de succión de la bomba.

¿Qué causa la presión de aceite?

La presión de aceite es causada por la resistencia del aceite a fluir, debido a su viscosidad, bajo la acción de bombeo. Con conductos grandes para el aceite, y baja viscosidad, el flujo será rápido y la presión de aceite baja - una condición deseable para minimizar el desgaste. Al contrario, bajo las mismas condiciones de bombeo, con conductos estrechos o taponados, y alta viscosidad del aceite, el flujo será bajo, la presión del aceite será alta, resultando en una lubricación deficiente.
Un aceite "bueno" será aquel que tenga una viscosidad suficiente para dar una buena lubricación hidrodinámica de las superficies en rozamiento, y que además permita el flujo del aceite por toda la máquina, asegurando así un flujo permanente de lubricante.
En un caso extremo, un aceite muy viscoso nunca llegará a las partes críticas para cumplir su función. Note que en estos casos, los motores cuentan con válvulas de by-pass para prevenir altas presiones de aceite en caso de taponamientos del filtro.

Interpretación de la lectura de la presión

Arranque en frío

Cuando el motor arranca, todo el aceite está en el carter y la presión de aceite es cero. La bomba no puede comenzar a bombear el aceite hasta que el circuito de aspiración no se llene. Por lo tanto, la lubricación en frío se ve favorecida por tubos de succión cortos y de diámetro grande, con aceites que tengan buenas propiedades de flujo en frío.
Cuando el aceite llega a la bomba es entonces forzado a través del filtro y luego hacia el motor. Sin embargo, como el aceite está aún frío y los canales de aceite del motor son pequeños, el flujo es lento y se desarrolla una presión alta, que es registrada por el manómetro del tablero de instrumentos.
A medida que el aceite circula y se calienta, fluye más rápido porque la viscosidad disminuye, hasta alcanzar un estado de equilibrio. Solamente en este punto se puede decir que el motor está lubricado apropiadamente. Hasta que se establezca una presión estable del aceite, la velocidad de desgaste es alta debido a un flujo inadecuado del aceite a las superficies en rozamiento. Bajo condiciones de arranque en frío, un "buen" aceite es aquél que da presiones de aceite estables lo más rápido posible.

Operación Normal

Bajo circunstancias ideales, la presión del aceite debería ser estable, y cualquier incremento o decrecimiento deberá ser investigado por posibles daños mecánicos.

Causas de la baja presión de aceite
Causas de lecturas de baja presión de aceite	Consecuencias	Acción
Bajo nivel de aceite	Posible falla catastrófica del motor	Agregue aceite hasta el nivel apropiado e investigue las posibles causas de pérdidas
Aceite que no fluye hacia la bomba durante el arranque	Posible falla catastrófica del motor	Apague el motor. Cambie el aceite por otro con mejores características de arranque en frío
La bomba funciona muy lento como para establecer un buen flujo de aceite	Reduce la vida del motor	Ponga un cambio más bajo para incrementar las rpm. Haga revisar la bomba de aceite
Aceite demasiado caliente. Viscosidad muy baja	Deterioro del aceite/problemas con el motor; desgaste, depósitos	Revise los medidores de temperatura y los controladores de temperatura del motor. Verifique que la viscosidad del aceite sea la correcta
Bomba de aceite desgastada	Problemas con el motor	Reemplace la bomba de aceite
Cojinetes desgastados	Problemas con el motor	El aceite fluye más fácilmente cuando los cojinetes están desgastados. Reemplace los cojinetes
Combustible en el aceite que reduce la viscosidad	Alto consumo de aceite. Desgaste del motor	Evite la marcha lenta. Revise inyectores. Cambie el aceite
Cambio del aceite	El aceite viejo tenía una viscosidad más alta debido al hollín y a la oxidación. El aceite nuevo fluye mejor	Ninguna

Causas de la alta presión de aceite
Causas de las lecturas de presión alta	Consecuencia	Acción
La presión permanece alta después del arranque en frío. El aceite fluye adecuadamente hasta la bomba, pero no hacia el motor	Posible falla catastrófica	Apague el motor. Use aceite con mejores propiedades de temperatura (5W-30 ó 0W-30)
El aceite tiene una viscosidad alta debido a que está sucio por el hollín	Posible falla del motor	Cambie el aceite y el filtro. Revise los inyectores. Evite la marcha lenta
El aceite tiene una viscosidad alta debido a la oxidación	Posible falla del motor	Cambie aceite y filtro
La viscosidad del aceite es muy alta. El flujo de aceite es bajo	Posible falla del motor	Consulte el manual del vehículo y cambie el aceite por uno de grado correcto de viscosidad
Filtro tapado. La válvula by-pass permite el flujo de aceite sin filtrar	Reduce la vida del motor	Cambie aceite y filtro. Investigue la causa del taponamiento
Depósitos en los conductos de aceite en el motor, lo que incrementa la presión del aceite	Reduce la vida del motor	Cambie aceite y filtro. Use un aceite de mejor calidad
Aceite demasiado frío	Posible falla del motor	Verifique el termostato del motor. Verifique que esté usando un aceite con un grado correcto de viscosidad

RESUMEN
El cliente/mecánico tendrá razón en preocuparse por una alta presión de aceite, al igual que por una baja. En realidad, cualquier desviación, alta o baja, de la presión normal de aceite debe ser investigada.
Una alta presión de aceite significa que se debe realizar más trabajo para bombear el aceite hacia el motor, y esta pérdida de eficiencia debe ser minimizada. Una alta presión de aceite no significa un buen flujo de aceite, y en muchos casos es indicación de lo opuesto.
Alternativamente, una baja presión de aceite puede significar que el aceite está fluyendo rápidamente por el motor, lo cual es muy deseable para minimizar el desgaste.

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