Cómo se agotan los aditivos en los lubricantes

Los lubricantes son esenciales para el funcionamiento eficiente de toda la maquinaria, para reducir la fricción, el desgaste y la corrosión, a la vez que se garantiza un desempeño uniforme. Estos lubricantes están compuestos por un aceite base y un paquete de aditivos. El aceite base cumple la función más básica de un lubricante a través de la viscosidad para formar una película lubricante que separe las superficies en movimiento relativo. Según la aplicación, se seleccionan cuidadosamente diferentes aditivos para mejorar el desempeño del lubricante. Los aditivos se agregan para: 

Mejorar una propiedad deseable del aceite base 
Suprimir una propiedad indeseable del aceite base o 
Añadir una nueva propiedad que ese aceite base no aporta

Estos aditivos incluyen inhibidores de oxidación, inhibidores de corrosión, mejoradores del índice de viscosidad, inhibidores de espuma, aditivos antidesgaste, detergentes y más. Cada uno cumple una función principal, que normalmente se indica por su nombre. Sin embargo, si bien cada aditivo implica una capacidad para «inhibir» la oxidación o «mejorar» el índice de viscosidad, esta capacidad no es ilimitada y se pierde si no se tiene precaución. Con el tiempo, los aditivos se exponen a condiciones que hacen que disminuyan su capacidad o, simplemente, que se agoten. A menudo, es el propósito principal del aditivo lo que puede hacer que desaparezcan.  

El rol de los aditivos en los lubricantes 

Los aditivos son cruciales para prolongar la vida útil y el desempeño de los lubricantes. Sus funciones se clasifican en tres grupos: 

Mejorar propiedades: Por ejemplo, los mejoradores del índice de viscosidad mejoran la estabilidad de la viscosidad del lubricante en un rango de temperaturas. 
Suprimir propiedades indeseables: Cada aceite tiene un punto de fluidez, que es la temperatura a la que el lubricante comienza a solidificarse y deja de fluir. Esta propiedad indeseable se suprime con depresores del punto de fluidez, que ayudan a mantener la fluidez del aceite a una temperatura más baja.  
Agregar nuevas propiedades: Los aditivos antidesgaste brindan protección adicional contra el desgaste de las superficies, una propiedad que no es inherente al aceite base a una relativamente baja velocidad superficial o demasiada carga.

A pesar de su eficacia, los aditivos tienen limitaciones; están sujetos a diversos factores de estrés dentro de la maquinaria, lo que conduce a su agotamiento. Comprender los mecanismos que se esconden detrás de este agotamiento es fundamental para una gestión eficaz de los lubricantes. 

Tomemos como ejemplo… los inhibidores de oxidación 

Los inhibidores de oxidación, también conocidos como antioxidantes, están diseñados para retrasar el inicio de la oxidación y las consecuencias negativas resultantes, incluida la formación de ácidos, barniz y acumulación de lodos. La oxidación se produce cuando el lubricante reacciona químicamente con el oxígeno, como cuando se expone al agua y al aire, como se ve en la Figura 1. Esto descompone al aceite y lo convierte en una molécula altamente reactiva, como un hidroperóxido. La razón por la que el inhibidor de oxidación retrasa la oxidación en lugar de evitarla es porque es sacrificial y pierde su funcionalidad a medida que realiza su trabajo. El inhibidor de oxidación evita que el hidroperóxido reaccione más con otras moléculas del aceite (Figura 2), deteniendo la reacción química oxidativa en cadena. Pero en el proceso, el inhibidor de oxidación se sacrifica y el aditivo se agota gradualmente.  

Figura 1. Inicio de la oxidación

Figura 2. Inhibidor de oxidación en acción

De manera similar a la oxidación, la mayoría de los aditivos pueden agotarse con el tiempo debido a su exposición a diversas condiciones. Esto es algo bueno y malo a la vez. Algo bueno, porque a corto plazo cumple su función al retrasar la oxidación del lubricante. Es malo porque con el tiempo habrá perdido un porcentaje de su concentración de aditivo. En el caso del antioxidante, ha perdido «vida oxidativa», lo que da como resultado la acumulación de lodos, laca, barniz y la generación de ácidos.  

Mecanismos de agotamiento de aditivos 

Cubramos los tres mecanismos principales: descomposición, eliminación física y adsorción. 

#1 - Descomposición: 

Oxidación: Los inhibidores de oxidación, como el dialquilditiofosfato de zinc (ZDDP, por sus siglas en inglés) y los fenoles inhibidos, están diseñados para retrasar el inicio de la oxidación (véase el ejemplo del inhibidor de oxidación en la Figura 2). 

Hidrólisis: El agua y el calor provocan la descomposición química de ciertos aditivos. Por ejemplo, el ZDDP puede hidrolizarse, lo que lleva a la formación de ácido sulfúrico y sulfuro de hidrógeno, que pueden degradar aún más el lubricante. 

Degradación térmica: A medida que aumentan las temperaturas de funcionamiento, puede producirse una degradación térmica de los aditivos. Esto es especialmente cierto en el caso de los aditivos sensibles al calor, como ciertos antioxidantes y mejoradores del índice de viscosidad. 

Neutralización: Ciertos aditivos, como los detergentes alcalinos, están diseñados para neutralizar los ácidos que entran en el aceite como contaminantes. En este proceso, se sacrifican y se agotan con el tiempo debido a esta exposición. Si no se controla correctamente, el aceite puede volverse corrosivo para la máquina si continúa en servicio después de que se hayan agotado la mayoría de los detergentes alcalinos. 

Ruptura: Cuanto más grande sea la molécula, más susceptible será a la rotura de las cadenas moleculares por efecto del cizallamiento. Esto es particularmente cierto en el caso de los mejoradores del índice de viscosidad.  

Figura 3. Ruptura de la molécula

#2 - Eliminación física (transferencia de masa): 

Sedimentación por condensación: Si los aditivos se vuelven insolubles debido a la contaminación, la temperatura u otras condiciones de funcionamiento, serán más propensos a sedimentarse por gravedad en el fondo de un reservorio.   

Filtración: Los aditivos sólidos o condensados se pueden eliminar físicamente del lubricante mediante filtración. Los aditivos sólidos que pueden experimentar esto incluyen antiespumantes de silicona y los aditivos EP sólidos (Molly, grafito y borato). En otros casos, los aditivos que se adhieren a los contaminantes también pueden quedar atrapados por el filtro cuando se filtran las partículas a las que están adheridos.  

Centrifugación: Las fuerzas centrífugas elevadas pueden provocar que los aditivos organometálicos se separen del lubricante. La filtración centrífuga utilizada en algunas aplicaciones para eliminar contaminantes puede tener esta consecuencia adicional. 

Evaporación: Aunque no es común, ciertos aditivos pueden evaporarse, especialmente cuando se utilizan deshidratadores por vacío para eliminar el agua del lubricante.  

Figura 4. Agotamiento de aditivos por separación física

#3 - Adsorción: 

Adsorción en la superficie: Los aditivos polares, como los aditivos EP (extrema presión) y AW (antidesgaste), pueden adherirse a las superficies de las máquinas y formar películas protectoras similares al jabón para protegerlas contra la fricción y el desgaste. Si bien esto proporciona protección inmediata, agota la concentración de aditivos en el lubricante mientras se preparan para realizar su trabajo. 

Adherencia a partículas: Los aditivos pueden ser atraídos por las partículas debido a su polaridad*, por lo que quedan atrapados y son arrastrados hacia el fondo de los reservorios o los filtros. Este proceso, conocido como adherencia a partículas, elimina los aditivos de la circulación dentro del lubricante. 

Lavado por agua: Como el agua es un material polar, puede lavar los aditivos y arrastrarlos hasta el fondo del reservorio, especialmente en entornos donde la contaminación con agua es alta. 

Figura 5. Agotamiento de aditivos por adsorción

Monitoreo y gestión de los niveles de aditivos 

Para garantizar que el lubricante continúe brindando larga vida y eficacia durante el intervalo de servicio previsto, es esencial monitorear regularmente los niveles de aditivos a través del análisis de aceite y tomar medidas proactivas si están cerca de agotarse. 

Mejores prácticas para monitorear o mantener los niveles de aditivos: 

Análisis de lubricantes regular: Los instrumentos de prueba como la espectroscopia infrarroja por transformadas de Fourier (FTIR, por sus siglas en inglés), el análisis espectrométrico de elementos y la voltametría de barrido lineal (LSV, por sus siglas en inglés) pueden monitorear las condiciones de ciertos aditivos según la estructura de elementos atómicos o molecular. FTIR, por ejemplo, puede monitorear múltiples parámetros del aceite, incluidas las moléculas de aditivos (como antioxidantes y dispersantes) y las consecuencias del agotamiento de los aditivos (como las moléculas de aceite oxidadas). 
Uso de lubricantes de alta calidad: Optar por lubricantes con paquetes de aditivos más robustos puede mejorar la resistencia al agotamiento y extender la vida útil del aceite para que coincida con el intervalo de servicio previsto.  
Almacenamiento y manipulación adecuados: Mantener condiciones óptimas de almacenamiento y utilizar procedimientos adecuados de manipulación minimiza el riesgo de contaminación y condiciones desfavorables que podrían provocar el agotamiento o la degradación de los aditivos.

El control del desempeño de los aditivos también se puede medir mediante pruebas diseñadas para calcular la robustez general del lubricante. Por ejemplo, la prueba de oxidación en recipiente rotatorio a presión (RPVOT, por sus siglas en inglés) puede medir la vida oxidativa restante del lubricante (RUL, por sus siglas en inglés) evaluando su resistencia a la oxidación en situaciones controladas. Esto suele estar muy relacionado con el agotamiento de todos los tipos de antioxidantes en el aceite. 

Medidas proactivas

Quizás la forma más eficaz de mitigar los efectos negativos de la pérdida de aditivos es minimizar la causa raíz que lleva a la pérdida de los aditivos. Notará que esto a menudo se relaciona con la influencia de los contaminantes durante el almacenamiento, la manipulación y el entorno operacional de la maquinaria. Mantener los parámetros recomendados reduce el estrés sobre el lubricante y sus aditivos.   

Reducir la entrada de agua y la contaminación por partículas ayuda a preservar la presencia y la eficacia de los aditivos cuando más se necesitan. La temperatura también tiene un efecto drástico en la disminución de los aditivos, en particular los relacionados con la degradación. Esto se debe a que la descomposición es una reacción química y se sabe, a través de la regla de la tasa de Arrhenius, que estas reacciones se producirán el doble de rápido por cada aumento de temperatura de 10 °C.  

Casos de estudio y datos 

Caso de estudio 1: Tendencia de la vida útil del RPVOT del aceite 

Escenario: Monitoreo de la vida útil del aceite para rodamientos de un motor eléctrico de baja velocidad y alta potencia utilizando RPVOT. 

Resultados: El aceite nuevo tenía un valor de RPVOT de 600 minutos, mientras que el usado mostró una disminución gradual; la medición después de unos meses bajó a 200 minutos. Esta tendencia indicó un agotamiento progresivo de antioxidantes e indicó un 33% de RUL del aceite, lo que requirió una intervención oportuna para reponer o reemplazar el lubricante. 

Estudio de caso 2: Riesgos de mezclar lubricantes 

Escenario: Mezcla de lubricantes de diferentes marcas y formulaciones. 

Resultados: La mezcla de dos aceites en una caja de engranajes se consideró como intrascendente al inicio, ya que los dos estaban destinados a la misma aplicación. Sin embargo, cuando se mezclan, algunos aditivos se vuelven antagónicos entre sí. Esto conduce a una precipitación constante de aditivos, pérdida de desempeño antidesgaste y reducción de la estabilidad de oxidación. La naturaleza gradual de este agotamiento dio como resultado que la vida útil del aceite se redujera en un 75%, pero dado que los efectos no fueron inmediatos, no se reconoció el modo de falla y, lamentablemente, la situación se repitió en otras máquinas similares en la planta. Esto no se observó hasta que se examinaron las tendencias de análisis de aceite y se comprendieron los efectos de mezclar aceites. Para evitar estos problemas, es fundamental analizar la compatibilidad de las mezclas planificadas y volver a realizar pruebas con frecuencia. 

Qué nos podemos llevar 

Comprender cómo se produce la pérdida de los aditivos en los lubricantes es fundamental para mantener la confiabilidad y el desempeño de la maquinaria. Al reconocer los mecanismos que se esconden detrás del consumo de los aditivos e implementar las mejores prácticas para controlar y gestionar sus niveles, las industrias pueden prolongar la vida útil de sus lubricantes y garantizar el funcionamiento óptimo de la maquinaria.

Aprenda las habilidades y los beneficios de realizar correctamente los análisis de aceite de forma regular e implemente medidas proactivas que aborden la causa raíz. La prevención de los efectos adversos de la pérdida de aditivos conduce, en última instancia, a una mayor eficiencia y a una reducción de los costos de mantenimiento.

Bennett Fitch, Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.