Monday, 22 February 2016

Formulación de Lubricantes: Aceites base

El aceite base es el componente fundamental de un lubricante, de su calidad van a depender sus propiedades y su duración. Además su contenido es muy elevado, entre el 80 % y el 90 % del total de un aceite lubricante.
Este aceite base tiene, por su composición, una serie de propiedades que marcan el comportamiento del lubricante con el que se han formulado, las propiedades principales son:
· Estabilidad a la oxidación, esto es, al proceso de degradación a la reacción con el oxígeno inducido por la temperatura.
· Estabilidad térmica, o estabilidad a altas temperaturas sin presencia de oxígeno.
· Formación de residuos carbonosos, o cantidad de formación de residuos sólidos por efecto de las altas temperaturas.
· Solvencia natural, es la capacidad de una base lubricante para disolver otros productos químicos, como son los aditivos o contaminantes.
· Protección de juntas, los aceites base no deberían dañar juntas de elastómeros, pero debido a su capacidad disolvente y su polaridad molecular pueden tener algunos efectos que se corrigen con la utilización de aditivos adecuados.
· Índice de viscosidad, o estabilidad de la viscosidad con la temperatura, que depende de la composición del aceite base.
· Comportamiento a baja temperatura, los aceites base no deben tener contenidos en ceras que solidifiquen a bajas temperaturas, sin embargo, las bases que cumplen con esta característica tienen un índice de viscosidad moderado.
· Volatilidad, es una medida de la tendencia a la evaporación de sus partículas más volátiles, lubricantes con alta volatilidad tienen un punto de evaporación más bajo y son más inflamables.
· Herrumbre y corrosión, los aceites base deben estar libres de agua y ácidos para evitar estos problemas.
· Color, el color de la base depende de su grado de refino, así las bases refinadas tienen un color marrón-miel, mientras que las hidroprocesadas presentan un color amarillo-dorado, las bases sintéticas son transparentes o las bases más pesadas presentan colores negro-verdosos. El color no tiene ninguna influencia en el comportamiento final del lubricante.
· Toxicidad, los aceites base son menos tóxicos según son más refinados, logrando obtener incluso bases no tóxicas para algunas aplicaciones.
· Biodegradabilidad, los aceites base muy refinados y sintéticos pueden llegar a ser prácticamente biodegradables, esta biodegradabilidad se garantiza utilizando ésteres de origen vegetal.
· Demulsibilidad, es la capacidad para separar el agua y depende de su polaridad molecular.
· Formación de espuma, depende de su capacidad para absorber partículas de aire.

1.  Bases Minerales.
Los lubricantes con base mineral, son aquellos que utilizan una base destilada y refinada del petróleo. Los productos válidos para la lubricación se obtienen por destilación al vacío. Dependiendo del tipo de petróleo y del proceso de destilación obtendremos lubricantes de diferentes calidades y propiedades.
En todos los casos se trata de una combinación de parafinas, iso-parafinas, naftas, aromáticos y compuestos de azufre y nitrógeno. En función del contenido en parafinas e iso-parafinas, los aceites base se denominan nafténicos (entre 42 % y 50 % de parafinas), neutros (entre 50 % y 56 %) y parafínicos (entre 56 % y 67 %). Este contenido en parafinas depende de la procedencia geográfica del crudo.
Figura 1 Bases minerales: (a) y (b) - Parafinas, (c) - Nafténicos, (d) - Aromáticos
Estas bases aportan, como principales ventajas, una excelente lubricidad y protección contra la corrosión, son compatibles con recubrimientos y juntas, facilitan la solubilidad de los aditivos, aportan estabilidad hidrolítica y unos costes muy competitivos.
Por otro lado estas bases tienen un punto de inflamación bajo, un punto de congelación elevado y baja estabilidad a la oxidación y a la temperatura, lo que limita su rango de temperaturas de trabajo y su duración.
La asociación API (American Petroleum Institute, USA) clasifica las bases minerales por su contenido en azufre, en saturados y su índice de viscosidad.

De modo general, las bases del Grupo I se producen de forma tradicional mediante procesos de refino y eliminación de ceras, mientras que las bases del Grupo II y Grupo III se obtienen mediante procedimientos de hidroprocesado, acompañados de eliminación de ceras o de isomerización respectivamente. 

 Base
Contenido en saturados
Contenido en azufre
Índice de viscosidad
 Grupo I
<90 %
>0.03 %
80 – 120
 Grupo II
>90 %
<0.03 %
80-120
 Grupo III
>90 %
<0.03 %
>120

Tabla 1 Clasificación API (1ª parte)

2.  Bases Regeneradas.
El lubricante, una vez utilizado, presenta restos de metales de desgaste, restos de oxidación, sustancias procedentes de la combustión, combustible, agua y refrigerantes, lo que hace que debamos sustituir el lubricante; sin embargo la mayoría de las moléculas del aceite base se encuentran en buenas condiciones y pueden utilizarse de nuevo, para ello se puede realizar un proceso de regeneración que elimine estos contaminantes así como su contenido en aditivos.
El proceso de regeneración comienza con un pre-tratamiento químico que aglomera metales de desgaste y lodos para facilitar su eliminación.
Posteriormente, se procede a un proceso de destilación que comienza con una deshidratación de la base, para eliminar todo el contenido en agua calentando la base por encima de 100º C; eliminación de combustible mediante calentamiento de la base a alta temperatura y baja presión; finalizando con un proceso de destilación al vacío.
Por último, se lleva a cabo un proceso de hidroprocesado en el que, mediante hidrogenación catalítica a alta temperatura y alta presión, se eliminan los restos de azufre, nitrógeno, cloro y componentes oxidados.
Con este proceso se producen bases del Grupo I pudiendo alcanzarse, según la calidad del proceso de hidroprocesado, bases del Grupo II.

3.  Bases Gas-to-Liquids (GTL).
Gas-to-Liquids es un proceso que transforma gas natural en combustible y aceite base, consiste en agrupar moléculas de gas natural hasta alcanzar cadenas de hidrocarburos más largas. El resultado es una base de gran pureza, compuesta por iso-parafinas, sin presencia de contaminantes como azufre, aromáticos o metales; que puede considerarse como Grupo III o incluso transformarse para considerarse Grupo IV.
Las iso-parafinas producidas por este proceso presentan una buena viscosidad, resistencia a la oxidación y buen comportamiento a bajas temperaturas.

4.  Bases Sintéticas.
Los lubricantes sintéticos utilizan como bases moléculas sintéticas, es decir obtenidas por síntesis en laboratorio, pudiendo ser o no de origen petrolífero. Este proceso permite obtener productos de muy alta calidad y duración, adecuados para las más duras condiciones de trabajo, incluso en competición.
De modo general, las bases sintéticas tienen una mayor capacidad para soportar temperaturas extremas que las bases minerales, por lo que proporciona una mayor protección a altas y bajas temperaturas.

Base
Tipo de Base
Grupo IV
Polialfaolefina
Grupo V
Resto de bases sintéticas
Tabla 2 Clasificación API (2ª parte)


Las bases sintéticas más habituales son:
a.  Hidrocarburos sintéticos:
Los hidrocarburos sintéticos (SHF) suponen el tipo de base sintética de más rápido crecimiento, tienen la característica común de que son totalmente compatibles con las bases minerales.
Las Polialfaolefinas (PAO) se componen de estructuras de oligómeros hidrogenados de un alfa-olefina, con la fórmula general (-CH2-)n, hidrocarburos libres de azufre, fósforo, metales y ceras. Aportan una excelente estabilidad térmica y fluidez a bajas temperaturas, un alto índice de viscosidad, una baja volatilidad y son compatibles con bases minerales. En su contra tienen baja resistencia a la oxidación y solvencia de aditivos, por lo que a menudo se combinan con otras bases sintéticas para compensar este problema.
Estas propiedades convierten a esta base en muy recomendable para la formulación de lubricantes de motor y para transmisiones en automoción. 
Los Alquilatos Aromáticos se forman por alquilación de un compuesto aromático, normalmente benceno o naftaleno. Aportan un buen comportamiento a bajas temperaturas, buena solvencia de aditivos, buena estabilidad térmica y lubricidad. Aunque su índice de viscosidad es similar al de las bases minerales, su volatilidad es inferior y son más estables a la oxidación, las altas temperaturas y la hidrólisis. Se utilizan en lubricantes de motor y transmisiones.
Los Polibutenos se obtienen por polimerización de butenos e isobutilenos. Comparándolos con otras bases sintéticas, es más volátil, menos resistente a la oxidación y tiene un menor índice de viscosidad; tiene baja tendencia a formar humos y carbonillas por lo que se utilizan en la formulación de lubricantes de 2 tiempos. Se utiliza también como base de lubricantes para cajas de cambios, en combinación con bases minerales o sintéticas.
b.  Polialquilenglicoles (PAG):
Se obtienen por polimerización de óxidos de etileno o de propileno para formar copolímeros. La solubilidad de la base en agua o en hidrocarburos depende del óxido utilizado.
Aportan excelentes características viscosidad/temperatura, bajo punto de congelación, buena estabilidad térmica, alto punto de inflamación, buena lubricidad, buena estabilidad al cizallamiento, no es corrosivo para la mayoría de metales y es respetuoso con cauchos.
Sus principales desventajas son su baja solvencia de aditivos y su incompatibilidad con otros lubricantes y con recubrimientos y juntas.
Se utilizan como base de los líquidos de frenos (tipos DOT3 y DOT 4), por su capacidad para absorber el agua; y en lubricantes para motores de 2 tiempos ya que no produce depósitos a altas temperaturas.
c.  Ésteres sintéticos:
Son el resultado de la reacción química entre un ácido orgánico y un alcohol. Presentan una excelente lubricidad, estabilidad térmica y a la hidrólisis, solvencia de aditivos y presentan una buena compatibilidad con otras bases y con aditivos.
Sin embargo algunos ésteres pueden dañar y envejecer juntas por lo que requiere materiales especiales.
Se utilizan como bases de lubricantes de motor, mezclados con otras bases sintéticas porque mejoran el comportamiento a bajas temperaturas, reducen el consumo de combustible, aumentan la protección al desgaste y la retención de la viscosidad.
Como base de lubricantes de motores de 2 tiempos, reducen la formación de residuos, protegiendo segmentos, pistones y bujías. Además, al proporcionar una mejor lubricidad, permite reducir la proporción de lubricante en el aceite de los 50:1 de una base mineral hasta 100:1 e incluso 150:1.
Los Ésteres Fosfatados se utilizan como aditivos anti-desgaste de otras bases lubricantes debido a su gran lubricidad, y como base para fluidos hidráulicos y lubricantes de compresores debido a su baja inflamabilidad. Sin embargo tienen una baja estabilidad hidrolítica y térmica, bajo índice de viscosidad y comportamiento pobre a bajas temperaturas. Además, es una base muy disolvente por lo que es muy agresivo con pinturas, recubrimientos y juntas.
Los Ésteres de Poliol presentan una alta estabilidad a altas temperaturas, buena estabilidad hidrolítica y buen comportamiento a bajas temperaturas, baja volatilidad y bajo índice de viscosidad; es una base agresiva con pinturas y juntas. Gracias a su buena miscibilidad con gases hidrofluorocarbonados (HFC) se utilizan en compresores de sistemas de refrigeración.
d.  Poliéteres:
En este grupo podemos encontrar Poliéteres Perfluorados, como el PFPE, que presenta una densidad de aproximadamente el doble que otras bases, con las que no es miscible, y no es inflamable. Tiene muy viscosidad muy estable con la temperatura, son muy estables a la oxidación y al agua, y son químicamente inertes a la vez que presentan estabilidad a la radiación. estas propiedades, junto a su estabilidad al cizallamiento, lo hacen adecuado como fluido hidráulico en aplicaciones aeroespaciales.
Los Polifenil Éteres presentan mayor estabilidad pero tienen peor comportamiento viscosidad - temperatura, se utilizan principalmente como fluidos hidráulicos resistentes a las altas temperaturas y a la radiación.
Los Polisiloxanos o Siliconas aportan índices de viscosidad muy elevados, bajo punto de congelación y buena estabilidad térmica y a la oxidación lo que les hace adecuados para operar en un amplio rango de temperaturas; son químicamente inertes y no tóxicos, resistentes al fuego y al agua, tienen baja volatilidad y son compatibles con plásticos y elastómeros. Sin embargo presentan varios inconvenientes, tales como la formación de residuos abrasivos al degradarse, no forman películas lubricantes adherentes debido a su baja tensión superficial, y no presentan una buena solvencia con aditivos. Se utilizan como fluidos en sistemas de frenos hidráulicos y como aditivos antiespuma en lubricantes.
En la tabla se comparan los comportamientos de diferentes bases sintéticas con una base mineral.
Tabla 3 Comparación entre aceites base

5.  Bases Biológicas.
Proceden principalmente de la soja, colza, palma, girasol y cártamo. Los lubricantes de base biológica aportan una gran biodegradabilidad, gran lubricidad, elevados puntos de inflamación e índice de viscosidad; por el contrario su punto de fluidez es muy elevado y tienen baja estabilidad a la oxidación, a esto hay que añadir la dificultad que presenta su reciclado.Sus aplicaciones principales son sistemas hidráulicos, transmisiones y reductores, compresores y grasas. Principalmente en aplicaciones a pérdida, en interior o en condiciones que no sufran bajas temperaturas, aplicaciones de industria alimentaria o donde se exija un especial cuidado del medio-ambiente.

No comments:

Post a comment