La mayoría de las máquinas contienen piezas que deben moverse unas sobre otras en estrecho contacto: cojinetes, engranajes, motores, turbinas, pistones… Los aviones, los barcos, los automóviles o las bicicletas funcionan con máquinas de este tipo. La fricción debida al contacto produce pérdidas de energía que se manifiestan fundamentalmente en forma de calor y de trabajo de desgaste de los materiales, aunque también de otros modos, como energía acústica (el rozamiento hace ruido) o química (se pueden inducir reacciones mecanoquímicas[1]).
Para reducir estas pérdidas normalmente se utilizan líquidos que se dice que son lubricantes (figura 9.33-izqda.). En algunos casos los lubricantes son sólidos (como el grafito, la mica o el disulfuro de molibdeno) e incluso gaseosos (colchones de aire). También los hay semisólidos, como las grasas, que normalmente se combinan con lubricantes sólidos. La conocida grasa de litio es una mezcla de un aceite o grasa con la sal de litio de un ácido graso (ácido carboxílico de cadena larga). Encontramos lubricantes en sitios inesperados, como la banda azul de la maquinilla de afeitar de la figura 9.33-centro. En todos los casos, la función del lubricante es reducir la fricción.
A nivel microscópico, las superficies de las piezas mecánicas no son completamente lisas, sino que tienen protuberancias, como si fuesen diminutos dientes de una rueda dentada de engranaje. Como los sólidos ofrecen una resistencia al cambio de forma, esta propiedad dificulta el deslizamiento de una pieza sobre otra. Además, existen interacciones fisicoquímicas de atracción entre las moléculas de ambas piezas que hacen que el desplazamiento esté aún más impedido.
Pero si se coloca un líquido entre las dos piezas sólidas, por un lado disminuirá el contacto entre ellas y por otro el líquido facilitará el deslizamiento porque sus moléculas, al poder fluir, opondrán poca resistencia. Como se ilustra en la figura 9.33 dcha., las superficies en contacto son irregulares a nivel atómico o molecular, lo que hace que las piezas tiendan a trabarse, y esto acaba arrancando partículas de los materiales y, en consecuencia, desgastando las piezas. El lubricante separa ligeramente las piezas, evitando el contacto entre ellas, y suaviza el roce gracias al flujo relativamente libre de sus moléculas, al ser un líquido. Idealmente, el flujo de las moléculas será en capas, lo que se llama flujo laminar. En la figura 9.33-dcha. se han dibujado las capas de distintos colores para distinguir las que están en contacto con cada superficie y la intermedia, pero las tres corresponden a la misma sustancia lubricante. La capa de lubricante que está cerca de la superficie de la pieza superior tenderá a moverse hacia la izquierda con la pieza, mientras que la capa cerca de la superficie inferior se moverá hacia la derecha. En medio quedará una capa prácticamente estática. Por lo tanto, ahora la fricción es básicamente entre capas de un líquido, que siempre es mucho menor que el roce entre superficies de un sólido.
Este modelo de lubricación se denomina de película fluida. Pero a menudo la película de lubricante entre dos superficies puede ser extremadamente delgada, de solo unas pocas moléculas de espesor, en cuyo caso ya no se puede hablar de la existencia de diferentes capas laminares y además las asperezas pueden seguir trabándose entre sí, aunque, desde luego, en menor medida que si no estuviera presente el lubricante. El fenómeno de la lubricación en estos casos se explica por una interacción química del lubricante con las superficies, interacción que crea una capa tenaz y resistente capaz de soportar la carga y disminuir el desgaste. Este régimen se llama lubricación de película límite. Otro régimen de lubricación es el elastohidrodinámico, que se produce cuando las piezas están sometidas a muy altas presiones, lo que les produce una deformación elástica y además el fluido se hace más viscoso, pudiendo separar mejor a las piezas. También hay regímenes mixtos o híbridos. La ciencia que estudia la fricción, la lubricación y el desgaste de las superficies se llama tribología.
Otras funciones de un lubricante son eliminar los detritos que se van produciendo por el desgaste; en algunas aplicaciones, como los motores de pistón, evitar que escapen gases de combustión por el espacio entre el pistón y la pared del cilindro; proteger a las piezas (cuando son metálicas) de la oxidación; y enfriar las zonas de contacto entre las piezas, ya que el calor excesivo podría hasta soldarlas. El propio lubricante se calentará, por lo que la sustancia que se elija debe permanecer líquida a altas temperaturas (los lubricantes de los coches se mantienen líquidas incluso por encima de 300 oC)[3].
Cuanto más se caliente un lubricante, menos viscoso se vuelve. La viscosidad es la resistencia de un líquido a fluir (así, la miel tiene una viscosidad mucho mayor que la del agua). Dicho de otro modo, es una medida de la resistencia a las deformaciones graduales producidas por tensiones cortantes o tensiones de tracción. En un lubricante, en general, la viscosidad no debe ser ni muy alta ni muy baja; todo dependerá de la máquina y su aplicación. Hay que tener en cuenta que el lubricante no solo se encuentra entre las piezas que debe lubricar, sino que ha de fluir por los conductos que lo llevan a esas piezas. El lubricante también debe funcionar a temperaturas muy bajas, por ejemplo para que el motor de un coche funcione bien al arrancarlo en invierno en lugares muy fríos.
Los lubricantes son necesarios para que funcionen las máquinas, por lo que la industria produce cada año grandes cantidades. La mayoría se obtienen a partir del refinado del petróleo (aceites minerales parafínicos, nafténicos o aromáticos) o bien se sintetizan químicamente para que tengan las propiedades deseadas. Además, se les añaden aditivos para reducir aún más la fricción y el desgaste, aumentar la viscosidad, inhibir la formación de radicales libres para evitar la oxidación, impedir la cristalización de alquilbencenos de cadena larga, servir de antiespumantes, tener una función detergente para evitar depósitos… Todas estas sustancias tienen graves inconvenientes para el medio ambiente. Por ejemplo, se ha dicho que cada año las embarcaciones vierten al océano tanta cantidad de lubricante como petróleo se derrama cuando un superpetrolero se rompe. Por eso, las nuevas tendencias tratan de volver a la estrategia inicial, mantenida literalmente durante miles de años por el ser humano: usar aceites naturales como lubricantes.
Se pueden obtener aceites naturales de tejidos vegetales o animales, por lo que son biodegradables. Químicamente, la mayoría son triglicéridos, es decir, triésteres del 1,2,3-propanotriol (glicerol) con ácidos grasos diversos (ácidos carboxílicos lineales con un número de átomos de carbono entre 6 y 22, aproximadamente). En la figura 9.34.izqda. se muestra un triglicérido de los ácidos palmítico, oleico y a-linolénico (este último es el principal ácido carboxílico de la familia llamada omega-3 (ω-3), nombre que se le da debido a que existe un doble enlace en el carbono número 3 contando desde el átomo de C del extremo de la cadena del ácido, átomo al que se le denomina C-ω).
El aceite de ricino es un aceite natural cuyo triglicérido principal está constituido de propanotriol y del ácido graso ricinoleico, o 12-hidroxi-octadeca-9Z-enoico (figura 9.34-dcha). Hay quien lo denomina aceite de castor por una mala traducción (en inglés, castor oil significa aceite de ricino, mientras que el nombre para el animal castor es beaver). El aceite de ricino contiene también ácidos oleico y linoleico, y en menores proporciones linolénico, esteárico, palmítico y otros.
Esta sustancia se extrae de la semilla del ricino (figura 9.35). La extracción puede realizarse mediante prensado en frío (< 45 oC) para obtener un aceite virgen que luego se filtra[4]. Se ha utilizado desde tiempos inmemoriales como purgante o laxante, es decir, para favorecer la eliminación de heces. Las enzimas intestinales rompen el triglicérido y queda liberado el ácido ricinoleico, que es el principio activo de la acción terapéutica. Esta consiste en acumular agua en el intestino e irritar las mucosidades, todo lo cual acelera el vaciado del órgano. En dosis elevadas puede producir náuseas, vómitos, cólicos y diarrea aguda. También se ha aplicado tradicionalmente para inducir el parto, pero no está probado que sea eficaz en ese sentido[5].
Aparte de sus propiedades medicinales tiene otras muy diferentes debidas a su particular naturaleza química, ya que, como se observa en la figura 9.34-dcha., tiene una importante característica que lo diferencia de otros triglicéridos: sus grupos alcohol (OH). Esto hace que sea un aceite inusualmente polar y que sus moléculas puedan formar enlaces de hidrógeno. Todo ello redunda en valores altos de la densidad, la viscosidad (aunque disminuye bastante al aumentar la temperatura)[7] y el punto de ebullición (313 oC), su excelente solubilidad en alcoholes y su capacidad para plastificar una amplia variedad de resinas naturales y sintéticas, ceras, polímeros y elastómeros[8]. Por eso, se ha usado en la fabricación de plásticos, lacas y pinturas. También es un cosmético para alargar las pestañas e incluso se emplea para sintetizar un tipo de poliuretano (apartado 6.9)[9]. Se ha llegado a usar como combustible agregándoselo a la gasolina.
Modernamente se usa como “superlubricante” porque puede lubricar a altas temperaturas. Entre el pistón y el cilindro de un motor el calor debido a la combustión es muy alto. Eso induce una polimerización del aceite de ricino. El producto, líquido pero muy viscoso, tiene mejores propiedades lubricantes y además sella muy bien la cámara de combustión. Ahora bien, ese producto hay que retirarlo cada cierto tiempo, por lo que el aceite de ricino es más recomendable para ser utilizado en motores de dos tiempos de competición, los cuales son sometidos periódicamente a desarme y limpieza de sus partes.
No es el aceite de ricino el único aceite natural en el que se podría pensar para usarlo como fluido base para lubricantes o materia prima para elaborar lubricantes sintéticos o producir biocombustibles, pero sí es de los mejores. Por ingeniería genética se pueden obtener otros con mejores propiedades. Estas propiedades dependen en gran modo de las siguientes variables:
- Longitud de la cadena. A mayor longitud, más intensas las fuerzas de Van der Waals y más alto será el punto de fusión.
- Grado de insaturación,es decir, número de dobles enlaces, los cuales, si son cis, producen configuraciones geométricas retorcidas que dificultan la unión entre las cadenas y reducen el punto de fusión (ver figura 9.34). En cambio, si son trans o el ácido graso es saturado (sin dobles enlaces) el punto de fusión tiende a aumentar. El valor del punto de fusión es importante para el funcionamiento del lubricante a baja temperatura. Por otro lado, se sabe que la estabilidad frente a la oxidación disminuye al aumentar los niveles de insaturación porque los átomos de H de los grupos CH2 que hacen de puente de los fragmentos de cadena del tipo –CH=CH–CH2–CH=CH–, que son habituales en ácidos grasos poliinsaturados, son particularmente susceptibles al ataque oxidativo. El ácido oleico (monoinsaturado, cis) tiene muy buena estabilidad oxidativa[10].
- Los posibles grupos funcionales (en el caso del aceite de ricino, los grupos OH).
Los aceites naturales más útiles tienen ácidos grasos con cadenas de entre 12 y 22 átomos de carbono. Se suelen denominar mediante la terminología Cn:m, donde n es el número de carbonos y m el de dobles enlaces. La tabla 9.1 recoge las composiciones típicas de ácidos grasos de varios aceites naturales de interés industrial.
Tabla 9.1. Composición aproximada, en porcentaje, de aceites naturales según el número de carbonos e insaturaciones. Todos son de origen vegetal excepto el último[11].
Los lubricantes basados en aceites grasos naturales poseen una lubricidad inherente, mostrando en general coeficientes de fricción menores bajo regímenes de lubricación de película límite o mixta que los aceites minerales de la misma viscosidad. El efecto se debe principalmente a la presencia de ciertos niveles de ácidos grasos libres (que existen de forma natural, aunque también se forman por descomposición térmica del aceite en las superficies de contacto) que son anfifílicos, con grupos de cabezas polares y colas orgánicas apolares. Esto hace que se adhieran a superficies metálicas formando una capa límite monomolecular, con la larga cadena de hidrocarburo orientada hacia afuera de la superficie metálica.
En resumen, muchos aceites naturales, y entre ellos especialmente el de ricino o los que tienen alto contenido en ácido oleico, son buenos lubricantes por su relativamente alto índice de viscosidad, baja volatilidad, baja fricción y buena biodegradabilidad, teniendo como inconvenientes una mala estabilidad oxidativa, formación de depósitos y gomas pegajosas, problemas de fluidez a baja temperatura y un intervalo de viscosidad idónea no muy ancho[12]. Por otro lado, los aceites minerales también se pueden usar como combustibles para motores diésel cuando son transformados químicamente de forma adecuada (transesterificación con un monoalcohol, normalmente metanol, para producir ésteres monoalquílicos que tienen una viscosidad más baja).
[1] J. M. G. V. Mecanoquímica. Triplenlace (2020). https://triplenlace.com/2020/10/19/mecanoquimica/.
[2] C. Woodford. Lubricants. Explain that stuff (2020). https://www.explainthatstuff.com/lubricants.html.
[3] C. Woodford (op. cit.)
[4] A. K. Yusuf et al. Int. J. Sci. Environ. Technol. 4 (2015) 1392-1404.
[5] Aceite de ricino. Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/Aceite_de_ricino.
[6] Imagen: Seeds of Ricinus communis.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Seeds_of_Ricinus_communis.jpg&oldid=515588285.
[7] C. Devlin y S. Boyde. Natural Oils as Lubricants. En Q. J. Wang y Y.-W. Chung (eds.). Encyclopedia of Tribology 2396-2405. Springer (2013). https://doi.org/10.1007/978-0-387-92897-5.
[8] A. K. Yusuf (op. cit.).
[9] Z. S. Petrović et al. J. Appl. Polym. Sci. 108 (2008) 1184-1190. https://doi.org/10.1002/app.27783.
[10] C. Devlin (op. cit.).
[11] C. Devlin (op. cit.).
[12] C. Devlin (op. cit.).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
