Durante la operación del lubricante, la temperatura, presión y la carga son los principales factores que influyen en su degradación. Para monitorear este proceso de degradación de los lubricantes, la industria ha definido métodos de ensayo específicos que implican una correcta toma de muestras y ensayos analíticos que brindan información eficiente sobre el correcto intervalo de cambio de aceite. Aplicar estas prácticas de monitoreo de condición a equipos lubricados con grasa es mucho más complejo, especialmente cuando están lubricados con grasas biodegradables a base de ésteres. Esto explica el porqué la industria confía en los procedimientos de mantenimiento basados en intervalos de tiempo (mantenimiento preventivo) para los sistemas lubricados con grasa.

Proceso de oxidación

Para evaluar técnicas diferentes, una grasa mineral y otra biodegradable fueron oxidadas en el laboratorio usando un nuevo método de oxidación. Un kilogramo de cada grasa fueron oxidados en un reactor de baño a 140°C con flujo de aire y agitación constantes. Se tomaron diez muestras de cada grasa a diferentes intervalos de tiempo durante la oxidación.

Controlando la degradacion de grasas

Figura 1. Para oxidar las muestras de grasa fue utilizado un reactor de baño.

Métodos para detectar la degradación

Entre los ensayos utilizados para detectar la degradación temprana de las grasas estuvieron el número ácido (AN), espectrometría infrarroja por transformadas de Fourier (FTIR), calorimetría diferencial por barrido (DSC), RULER (vida útil remanente) y reología (esfuerzo de corte). Algunas fueron aplicadas directamente a las grasas, mientras que otras fueron aplicadas al aceite extraído de la grasa.

Número ácido

En aceites nuevos y en servicio, los constituyentes ácidos aparecerán en forma de aditivos o como resultado de la oxidación del lubricante. El ensayo de número ácido es una medida de la cantidad de constituyentes ácidos en el lubricante. Para este caso de estudio, el ensayo fue realizado siguiendo la metodología ASTM D-974-04 (una titulación que estima la cantidad de hidróxido de potasio necesaria para neutralizar los compuestos ácidos en el aceite) aplicada directamente tanto a las grasas como al aceite extraído de las grasas.

Grasa mineral grasa biodegradable

Tabla 1. Resultados de las mediciones del número ácido AN.

La figura 2 muestra la tendencia para la grasa mineral con su tiempo de oxidación correspondiente. La tendencia tanto para la grasa como para el aceite extraído es muy similar. Hay una zona plana donde la acidez permanece casi constante y luego comienza a incrementarse (a partir de las 264 horas).

tiempo de oxidacion grasas

Figura 2. Tendencia del número ácido de la grasa mineral.

En la figura 3 se puede observar la tendencia del número ácido de la grasa biodegradable con su tiempo de oxidación correspondiente. Hay también una zona plana donde la acidez permanece constante y luego se incrementa (a partir de las 392 horas).

Tiempo de oxidacion aceite

Figura 3. Tendencia del número ácido de la grasa biodegradable

RULER

El ensayo RULER (Voltametría) fue realizado para evaluar el consumo de los aditivos antioxidantes. Este método está basado en el análisis voltamétrico parecido a un método electro-analítico en el cual la muestra es mezclada con un electrolito y un solvente, y luego colocada en una celda electrolítica. A medida que se incrementa el voltaje sobre la muestra en la celda, los antioxidantes disueltos se oxidan electroquímicamente, dando como resultado una reacción de oxidación que puede ser utilizada para predecir la vida útil remanente de las grasas y los aceites.

Las dos grasas fueron formuladas utilizando como antioxidante aminas aromáticas, las cuales son consideradas como antioxidantes primarios. Trabajan cediendo átomos de hidrógeno al radical peróxido. El agotamiento del antioxidante amínico de las grasas biodegradable y mineral, a medida en que el intervalo de oxidación se incrementa, se muestra en las figuras 4 y 5.

degradacion de grasas

Figura 4. Este gráfico muestra los resultados del RULER para la grasa mineral

degradacion de grasas bio

Figura 5. Este gráfico muestra los resultados del RULER para la grasa biodegradable.

degradacion grasa mineral grasa biodegradable

Tabla 2. Comparación de la vida útil remanente (%) de la grasa mineral vs. la biodegradable.

tiempo de oxidacion grasa mineral grasa biodegradable

Figura 6. Esta gráfica de tendencia del RULER muestra cómo los antioxidantes de las grasas mineral y biodegradable se agotan de la misma manera.

FTIR

FTIR es una técnica bien conocida para el análisis químico de las propiedades de los lubricantes, incluyendo productos de la oxidación y aditivos. En este estudio, se aplicó FTIR a las grasas y al aceite extraído, pero sólo se discuten los resultados del aceite, ya que los espectros de las grasas no suministran mucha información.

espectro grasas biodegradables

Figura 7. Este espectro infrarrojo muestra los aceites extraídos de la grasa mineral a diferentes intervalos de oxidación.

En primera región (3,500 a 3,350 cm-1) de la grasa mineral se estudió el espectro para determinar la conveniencia de esta banda para cuantificar los antioxidantes amínicos. Los resultados obtenidos en esta región se muestran en la Tabla 3.

tiempo de oxidacion region evaluada

Tabla 3. Resultados en la región evaluada en función de los tiempos de oxidación.

En la segunda región (1,615 a 1,592 cm-1) de la grasa mineral se estudió el espectro para determinar la conveniencia de esta banda para cuantificar los antioxidantes amínicos. Los resultados obtenidos en esta región se muestran en la Tabla 4.

tiempo de oxidacion region

Tabla 4. Resultados en la región evaluada en función de los tiempos de oxidación.

Una de las regiones más típicas para controlar la degradación de los aceites es el pico en la longitud de onda 1,700 cm-1. En este caso, esta banda no se cuantificó debido a que había un aditivo que aparecía en la misma longitud de onda, lo cual hacía difícil extraer alguna conclusión.

espectro grasas

Figura 8. Este espectro infrarrojo muestra los aceites extraídos de la grasa biodegradable a diferentes intervalos de oxidación.

En el espectro de la grasa biodegradable, se consideró una región (3,660 a 3,100 cm-1) para determinar la conveniencia de esta para controlar su degradación. Los resultados obtenidos en esta región se muestran en la Tabla 5.

tiempo de oxidacion grasas biodegradables

Tabla 5. Resultados en la región evaluada en función de los tiempos de oxidación.

Reología (Esfuerzo de cedencia)

El valor del esfuerzo de cedencia es el esfuerzo correspondiente a la transición de una deformación elástica a una plástica. Para este valor crítico, la estructura interna de la grasa lubricante se vuelve inestable, y el proceso de deformación dentro del material la transforma rápidamente en un fluido.

En este caso de estudio, se utilizó un reómetro para medir el esfuerzo de cedencia a lo largo de platos paralelos de 25 mm con 2 mm de separación. Para la grasa biodegradable, el método utilizado para medir el esfuerzo de cedencia fue el ensayo de esfuerzo de barrido. Actualmente se está midiendo el esfuerzo de cedencia a grasas minerales.

esfuerzo de cedencia

Tabla 6. El esfuerzo de cedencia tiende a disminuir al comienzo de la oxidación pero luego comienza a incrementarse (la grasa tiende a endurecerse).

Variación en DSC

DSC es una técnica de análisis térmico que mide el flujo de calor asociado con ciertos cambios en las propiedades físico-químicas del lubricante. Lo interesante de esta técnica es la estabilidad a la oxidación, la cual se manifiesta como el retardo en el inicio de la reacción exotérmica de oxidación. La muestra es colocada en un horno y calentada a una temperatura fija, pasando oxígeno a través de las dos celdas. Cuando el antioxidante de la muestra se agota y no puede protegerla, comienza la oxidación del lubricante y se detecta por un aumento de la temperatura en la celda que contiene la muestra.

espectro biodegradables

Figura 9. Termograma obtenido de grasas minerales a diferentes grados de oxidación.

 

El ensayo DSC sólo fue aplicado a la grasa mineral y está siendo aplicado actualmente a la grasa biodegradable. Se observó que la grasa mineral se degrada más temprano a medida que el tiempo de oxidación incrementa.

Para grasas biodegradables, la evaluación del número ácido, FTIR y el esfuerzo de cedencia parecen ser buenas técnicas para detectar etapas de oxidación temprana.

Tiempo de oxidacion an coo

Figura 10. Cuando los grupos COO y OH comienzan a incrementarse, la región plana de la curva de la acidez de la grasa biodegradable termina, iniciando su incremento.

tiempo de oxidacion cedencia

Figura 11. El número ácido y el esfuerzo de cedencia comienzan a incrementar al mismo tiempo.

CONCLUSIONES

El mecanismo de oxidación de los lubricantes biodegradables es diferente al de los lubricantes minerales. De ahí que los intervalos de cambio y los parámetros que serán establecidos son diferentes para los lubricantes minerales y los biodegradables.

Se determinó que el ensayo RULER es una técnica adecuada para monitorear grasas biodegradables cuando están formuladas con aditivos antioxidantes que esta metodología puede detectar. La espectrometría infrarroja es más adecuada para aceites con el fin de identificar la degradación de la grasa biodegradable. Midiendo en las regiones de los grupos COO y OH, se puede detectar de forma temprana la oxidación.

El número ácido puede ser aplicado directamente a las grasas biodegradables y es una buena técnica para controlar su degradación. Cuando el número ácido incrementa aceleradamente, la grasa debe ser cambiada.

Se requiere más trabajo de investigación para determinar si la técnica de DSC es adecuada para controlar las grasas biodegradables durante su uso.