Una explicación simple de los mejoradores de índice de viscosidad

Jul. 15, 2024

Autor: Noria Latín América

Última actualización: 07/15/24

Índice de viscosidad, sustantivo

Una escala arbitraria para los aceites lubricantes que indica la variación en la viscosidad con relación a los cambios de temperatura.

Mejorador, sustantivo

Una persona o cosa que mejora.

A menudo el índice de viscosidad (IV) no es considerado como un parámetro en la selección de lubricantes. La razón, es que es poco conocido y entendido. Algunos piensan que el índice de viscosidad está incluido en el grado de viscosidad ISO de los aceites, pero no es así. Este es por sí mismo un diferenciador independiente del desempeño de un lubricante.

El índice de viscosidad (IV) es un método comúnmente utilizado para medir el cambio de la viscosidad de un fluido en relación con la temperatura. Mientras mayor es el IV, menor es el cambio relativo en la viscosidad con la temperatura. Los mejoradores de IV, también conocidos como modificadores de viscosidad, son aditivos que incrementan la viscosidad de un fluido a través de su rango de temperatura útil.

Todos sabemos que la viscosidad es la propiedad más importante de un lubricante. Es una medida de la constitución molecular desde el punto de vista del tamaño de la cadena de hidrocarburos que conforman un lubricante. La viscosidad se origina por la fricción interna de las moléculas cuando el fluido se pone en movimiento. Mientras más grande sea la fricción intermolecular (moléculas más grandes), mayor será la viscosidad.

Sin embargo, la viscosidad de un lubricante no tiene significado alguno a menos que se indique la temperatura, es decir, la temperatura a la cual fue determinada. Por el contrario, las máquinas no tienen en cuenta la temperatura en lo que a la viscosidad se refiere (en términos generales). Los requisitos de viscosidad mínima, máxima y óptima requerida por las máquinas no toman en cuenta la temperatura. En lugar de esto, los requerimientos de viscosidad de las máquinas están basados en aspectos tales como el diseño del componente (por ejemplo, rodamientos), la carga y la velocidad. Recuerde, por ejemplo, que la conocida curva de Stribeck no considera la temperatura como una variable.

Dicho lo anterior, ya que las máquinas requieren de una cierta viscosidad, y se sabe que la temperatura tiene una dramática influencia sobre la viscosidad, es imperativo que al momento de seleccionar un lubricante se tome en cuenta la temperatura promedio de operación y el rango de temperatura en que opera la máquina. Recuerde, el sistema de clasificación de viscosidad ISO sólo reporta la viscosidad a una temperatura: 40 °C. Más importante aún, para un aceite candidato, usted necesita saber cómo cambia la viscosidad del aceite con respecto al cambio de temperatura.

El índice de viscosidad fue desarrollado para este propósito por E. Dean y G. Davis en 1929 (ASTM D2270). Es un número derivado empíricamente y adimensional. Está basado en la siguiente metodología, un crudo de Pennsylvania (parafínico) se fijó como punto de referencia en un extremo, representando un producto cuya viscosidad varía poco con los cambios de temperatura. El otro extremo fue asignado a un crudo de la costa del golfo de Texas (nafténico). Si un lubricante era similar al crudo de Pennsylvania, a este se le asignaba un índice de viscosidad (IV) de 100. Si era similar al crudo del golfo de Texas, se le asignaba un IV de 0. A uno que estuviese en la mitad, se le asignaba un IV de 50 y así sucesivamente. Mientras mayor el IV, más estable será la viscosidad a través de un rango de temperaturas (más deseable). Las temperaturas utilizadas para determinar el índice de viscosidad son 40 ºC y 100 °C.

Una búsqueda en Internet de “calculadores del índice de viscosidad” lo llevará directamente a varios sitios Web. Estos calculadores se pueden utilizar de diferentes formas. Por ejemplo, si se conoce la viscosidad del aceite a dos diferentes temperaturas, se puede usar el calculador para estimar el IV del aceite. Mejor aún, se puede introducir una sola viscosidad (y la temperatura) y el IV (normalmente se encuentra en las hojas de productos) y calcular la viscosidad del mismo lubricante a cualquier otra temperatura (por ejemplo, a la temperatura de operación del equipo).

Hoy se pueden encontrar lubricantes con IV tan bajos como 60. Otros lubricantes pueden tener IV por encima de los 400. Sin embargo, la mayoría de los lubricantes en el mercado tienen IV que se ubican entre 90 y 160.

Echemos un vistazo a dos tipos de lubricantes que comparten una propiedad común – ambos son ISO VG 150. Sin embargo, uno de estos aceites el (A) tiene un IV de 95 (aceite mineral), mientras que el otro (B) tiene un IV de 150 (sintético). Examinemos ahora la viscosidad de estos aceites a menos 20 °C y a 100 °C. Esto se muestra en la Figura 1.

Comparando el aceite con IV de 95 con el de IV de 150, hay una diferencia de +236% en la viscosidad a una temperatura de -20 °C y una diferencia de -25% en viscosidad a 100 °C. Por supuesto, a 40°C no hay diferencia. Como se mencionó previamente, la máquina determina sus requerimientos de viscosidad basado en el diseño y en las condiciones de operación. Estas condiciones influyen en la temperatura, que a su vez influye en la viscosidad, lo cual influye al final en la protección requerida por la máquina.

Muchas máquinas utilizan un solo tipo de lubricante en diferentes zonas de fricción y operan a diferentes cargas, velocidades y temperaturas. Equipos móviles a la intemperie típicamente trabajan bajo estas condiciones. Para estos equipos, no hay una forma fácil de determinar la viscosidad óptima utilizando un cálculo teórico. En su lugar, la viscosidad ideal se determina haciendo mediciones de campo utilizando evaluaciones de prueba y error (simplemente probando con varios aceites de diferentes viscosidades y midiendo la temperatura y la protección contra el desgaste).

Para máquinas que operan a carga, velocidad y temperatura constante, la viscosidad ideal a menudo resulta en la menor temperatura del aceite una vez estabilizada. Aceites con menor o mayor viscosidad (que la viscosidad óptima) incrementarán la temperatura a la cual el aceite se ha estabilizado, bien sea por excesivas pérdidas por batido (mucha viscosidad) o por fricción mecánica (muy poca viscosidad).

Si las condiciones no son constantes (cargas, velocidad y temperatura variables, etc.), se crea la necesidad no sólo de tener la óptima viscosidad, sino también de un alto índice de viscosidad para estabilizar la óptima viscosidad del aceite. Mientras más variables sean las condiciones de operación, mayor será la necesidad de un aceite con mayor IV.

Además, tenga en cuenta que para una gran cantidad de máquinas no ha habido en el pasado un esfuerzo experimental o teórico para determinar la viscosidad óptima del aceite. La selección de la viscosidad es en algunos casos una adivinanza descabellada. Esto requiere también de un aceite con alto IV. 

La importancia de los modificadores

Los modificadores de viscosidad son moléculas poliméricas que son sensibles a la temperatura. A bajas temperaturas las cadenas se contraen y no impactan a la viscosidad del fluido. A altas temperaturas, las cadenas se relajan y se presenta un incremento en la viscosidad.

Hay dos formas de explicar las características de estas cadenas de polímeros. La primera es comparar a los polímeros con la gente. Cuando una persona tiene frío, su reacción natural es colocar sus brazos lo más cerca posible de su cuerpo para retener el calor. Ahora imagine a una multitud de gente con frío con los brazos recogidos moviéndose uno al lado del otro en un vestíbulo congestionado. Seguro que allí hay una congestión, pero la gente aún puede moverse libremente.

Ahora imagine lo opuesto. Cuando una persona tiene calor, tiende a relajarse. Imagine a una persona extendiendo sus brazos hacia los lados. Sería mucho más difícil transitar en un vestíbulo congestionado, lleno de gente acalorada, con los brazos extendidos. Considere, en este ejemplo, que el flujo de gente está relacionado a la viscosidad de la multitud.

Otra forma de describir esta cadena es comparándola con un “slinky”, un popular juguete en forma de resorte suave 1. Trabajando en forma similar a la gente en la analogía del vestíbulo, el resorte se contrae cuando se enfría y se expande cuando se calienta. Cuando el resorte se contrae, las moléculas fluyen pasando de una a otra fácilmente, pero cuando se expande, quedan atrapadas una a la otra e impiden el flujo del fluido que ocupan.

No olvide que conforme incrementa la temperatura, la viscosidad disminuye. La adición de modificadores sólo reducirá la tasa a la cual desciende la viscosidad.

¿En dónde se utilizan los modificadores de IV?

Los modificadores de índice de viscosidad se utilizan principalmente en aceites multigrados para motor, engranes, fluidos de transmisión automática, fluidos de transmisión de potencia, grasas y varios fluidos hidráulicos. La mayoría de ellos involucra a un automóvil, y esto se debe a que los automóviles están sujetos a tremendos cambios de temperatura.

Por ejemplo, en el motor, se necesita un aceite con una baja viscosidad a baja temperatura para que la bomba de aceite pueda empujarlo hasta la parte superior del motor durante los arranques de esas frías mañanas. El aceite también necesita ser lo suficientemente viscoso para proteger al motor cuando alcance la temperatura de operación. Aquí es cuando es benéfico el uso de modificadores en un aceite multigrado.

La figura 2 muestra cómo un SAE 10W30 retiene las propiedades de baja temperatura de un SAE 10 (proporcionándole la bombeabilidad a baja temperatura), mientras que el aditivo le da las características de un SAE 30 a altas temperaturas (brindándole la protección de una película de aceite gruesa). El SAE 10W30 se produce mezclando un modificador de viscosidad con un aceite base SAE 10, y en realidad no involucra aceite SAE 30.

Desventajas

Desafortunadamente, los mejoradores de índice de viscosidad tienen algunos inconvenientes. La principal desventaja es que son susceptibles al corte mecánico. Cuando nos referimos a la analogía del resorte, es fácil imaginarlo partido por la mitad debido a un esfuerzo mecánico, produciendo dos resortes más cortos.

Como el aditivo se corta repetidamente, pierde su capacidad de actuar como un fluido más viscoso a temperaturas más elevadas. Los polímeros de mayor peso molecular hacen mejores espesadores pero tienden a tener menos resistencia al corte mecánico. Los polímeros de menor peso molecular tienen menor resistencia al corte, pero no mejoran la viscosidad tan efectivamente a temperaturas mayores y, por lo tanto, deben utilizarse en mayor cantidad.

¿Índices de viscosidad altos o bajos?

Un lubricante debe tener un alto índice de viscosidad si una o más de las siguientes condiciones se presentan:

  • No se conoce el valor de óptimo de la viscosidad
  • Existen condiciones de carga y velocidad variables
  • Existen variaciones en la temperatura ambiente
  • Se requiere incrementar la eficiencia energética
  • Para incrementar la vida útil en servicio del aceite (temperaturas promedios más bajas)
  • Para incrementar la vida en servicio de la máquina (menos reparaciones y paros de planta)

Lubricantes más económicos, con bajos índices de viscosidad pueden ser usados si:

  • La velocidad y la carga son constantes
  • La temperatura es constante (temperatura del ambiente constante o si se utiliza un intercambiador de calor para mantener la temperatura constante)
  • Se conoce el valor óptimo de la viscosidad a la temperatura de operación y se mantiene consistentemente en dicho valor

Jeremy Wright, Noria Corporation. Traducción por Noria Latín América

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