¿Qué es la reología y cómo se relaciona con los lubricantes industriales?

Interlub. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América Los lubricantes industriales funcionan bajo condiciones de operación extremas y bajo estrés que puede afectar severamente su estructura, comportamiento y desempeño; anticipar esto es fundamental para la selección adecuada del lubricante. En este artículo, Interlub ofrece una breve introducción al campo de la reología, la ciencia que estudia cómo se mueven los fluidos en diferentes circunstancias. La reología es un área de especialidad dentro de la física que analiza las relaciones tensión-deformación de materiales fluidos. Estos comportamientos de fluidez y deformación dependen, principalmente, de tres factores:

La estructura interna de un material
La tensión externa que actúa sobre los materiales
Temperatura

En reología, hay materiales que no son líquidos ni sólidos, sino viscoelásticos. Cuando un material viscoelástico tiene una mayor proporción de líquido, se considera un fluido viscoelástico (tiene un comportamiento viscoso). Por otro lado, cuando un material viscoelástico tiene una mayor proporción de sólidos, se considera un sólido viscoelástico (tiene un comportamiento elástico).

Imagen 1: Los materiales viscoelásticos tienen un comportamiento entre líquido y sólido.

Cuando los materiales con comportamiento viscoso se deforman, pierden energía y no vuelven a su forma original (ver la forma amarilla a continuación). Cuando los materiales con comportamiento elástico se deforman, almacenan energía y la utilizan para volver a su forma original (ver la forma roja a continuación).

Imagen 2. Experimento de energía en materiales con comportamiento viscoso y elástico.

La reología ayuda a predecir el comportamiento de los lubricantes industriales que se someten a estrés externo. Esto ayuda a afrontar el hecho de que las grasas suelen tener propiedades de sólidos viscoelásticos con comportamiento elástico, mientras que los aceites industriales pueden comportarse como fluidos newtonianos o como fluidos viscoelásticos, según su formulación.

Reometría y reómetro: medición de la fluidez y deformación del material

La reometría es la ciencia que toma medidas reológicas. Es decir, la ciencia que mide la fluidez y deformación de todos los materiales. Un reómetro es un instrumento que mide tanto el estrés de un material como su historial de deformaciones. Un reómetro es útil para determinar la función de un material.

Imagen 3: Reómetro

Un reómetro ayuda a evaluar la viscosidad y elasticidad de los materiales mediante la medición del estrés y la deformación. Un reómetro toma sus medidas utilizando el modelo de placas paralelas. Con él, el instrumento puede relacionar las variables de esfuerzo de corte y tasa de corte para tomar las medidas necesarias.

Video 1: Prueba del reómetro en aceites y grasas

Este equipo tiene dos placas paralelas que trabajan juntas, separadas por una altura determinada. La placa superior tiene un movimiento oscilante o giratorio, mientras que la placa inferior es estática. Entre estas dos placas está el lubricante a analizar.

Medición de la resistencia a la deformación de los aceites industriales.

La viscosidad de un fluido es la medida de su resistencia a la deformación. Cuando un líquido se deforma, las moléculas del material chocan contra sí mismas, generando una fricción interna que provoca resistencia al flujo. Cuanta más resistencia ofrece un fluido, más viscoso es. Un reómetro ayuda a medir la viscosidad de un fluido, donde la viscosidad (η) es una relación entre el esfuerzo cortante (t) y la velocidad de corte (γ). Al analizar las medidas de viscosidad frente a la velocidad de rotación, surge una curva de viscosidad que identifica tres tipos de comportamiento viscoelástico que pueden presentar los fluidos: newtoniano, adelgazamiento por cizallamiento (pseudoplástico) o espesamiento por cizallamiento.

Imagen 4. Comportamiento viscoelástico del fluido

El comportamiento newtoniano de un fluido es cuando su viscosidad es independiente de la velocidad de corte, por lo que permanece constante. El comportamiento de espesamiento por cizallamiento de un fluido es cuando ofrece más resistencia al flujo a medida que aumenta la velocidad. La viscosidad aumenta a medida que aumenta la velocidad. El comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento (pseudoplástico) de un fluido es cuando pierde viscosidad a medida que aumenta la velocidad. Esto es relevante para los aceites industriales, ya que el parámetro más importante para seleccionar un aceite para una aplicación específica es su viscosidad operativa. Cuando un aceite pierde su viscosidad por su uso, puede causar problemas en el equipo que lo usa. Lo mismo puede suceder cuando no se considera el aumento de viscosidad de un aceite como parte de su selección. Un reómetro también puede probar una curva de viscosidad frente a la temperatura, lo que permite observar el comportamiento de la viscosidad de los materiales cuando se calientan o enfrían. Para crear una curva de viscosidad, la velocidad (tasa de corte) permanece constante y la temperatura es variable. La viscosidad de los materiales cambia a medida que cambia la temperatura.

Medición de la deformación del material de grasas industriales.

La deformación de un material elástico es directamente proporcional al estrés que sufre. Cuando el estrés deforma un material elástico ideal, vuelve a su forma original cuando cesa el estrés. Los materiales viscoelásticos sólidos, como las grasas, no vuelven a su forma original por completo. Un reómetro puede medir la deformación que sufre un sólido viscoelástico bajo esfuerzo cortante. La deformación es la relación entre la distancia de desplazamiento del material (s) bajo tensión y la altura (h) de separación entre las placas del reómetro. Una vez que se dispone de un porcentaje de deformación, el esfuerzo cortante aplicado se relaciona con la deformación resultante, lo que genera un módulo complejo (G*). Este módulo complejo consta de dos elementos: un módulo de elasticidad (G’) (la proporción del material que se comporta como un sólido) y un módulo viscoso (G») (la proporción del material que se comporta como un líquido). La relación entre los dos módulos define en qué parte del espectro sólido-líquido se encuentra un material. Las grasas tienen una mayor proporción elástica, lo que explica por qué no fluyen libremente sino que permanecen en su lugar. Esto, sin embargo, depende de la consistencia de la grasa: cuanto más consistente es, mayor es su proporción elástica.

Rango de amplitud de medición de la deformación del material

Una prueba de barrido de amplitud describe cómo se deforma un material y qué sucede cuando su estructura se rompe. La estructura de un material se rompe cuando pasa de tener un módulo elástico mayor a un módulo viscoso mayor. Durante esta prueba, la amplitud de deformación de un material varía a una frecuencia y temperatura constantes. Un gráfico resultante compara los módulos elásticos y viscosos con el porcentaje de deformación o la tensión aplicada. Como resultado surgen tres cosas:

El rango de viscoelástico lineal. Este rango está presente cuando comienza la aplicación del esfuerzo cortante. Dentro de este rango, la proporción de los módulos elástico y viscoso no cambia, no importa cuánto se deforme el material o cuánta tensión aplicada haya.
Límite elástico. Después de cruzar este punto, la proporción del módulo elástico comienza a caer. Cuanto mayor es el módulo de elasticidad, más rígido es el material.
Punto de flujo. A medida que un material se deforma, alcanza su punto de flujo, donde su proporción elástica es menor que su proporción viscosa. En este punto, el material ha perdido su estructura y no almacena energía. En el caso de las grasas, aquí es donde pierden su forma y comienzan a fluir.

Imagen 5. Impacto de la deformación y esfuerzo de corte en la estructura de la grasa

Este es un ejemplo del comportamiento reológico de diferentes grasas como resultado de una prueba de barrido de amplitud, donde cada grasa tiene una consistencia diferente:

Imagen 6. Prueba de barrido de amplitud para grasas con diferente consistencia

Evaluación de la deformación de la estructura del material a diferentes temperaturas

Un reómetro también puede realizar una prueba de barrido de temperatura, que ayuda a observar el comportamiento de la estructura de un material a diferentes temperaturas. Para esta prueba, la temperatura de un material varía a una frecuencia y amplitud constantes.

Imagen 6. Prueba de barrido de temperatura para grasas con diferente consistencia

En esta prueba, es importante identificar cualquier cruce entre los módulos elástico y viscoso. Los cruces significan que la temperatura hace que la grasa pierda su estructura. Además, cuanto más lineal es el comportamiento de la grasa, menos afecta la temperatura a su estructura y consistencia. El uso de reómetros proporciona a los consultores de Interlub una comprensión más precisa del desempeño de sus productos en diferentes circunstancias. Esto, a su vez, les ha ayudado a hacer recomendaciones de productos más efectivas que han llevado a reducciones significativas de los costos totales de mantenimiento. Si desea explorar oportunidades de mejora, los expertos de Interlub pueden realizar un diagnóstico de 360 ° de sus condiciones operativas para recomendar el lubricante ideal.