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

Los lubricantes industriales trabajan bajo condiciones extremas de operación y esfuerzo que pueden afectar severamente su estructura, comportamiento y desempeño—anticipar esto es crítico para la selección apropiada de lubricantes. En este artículo, te damos una breve introducción al campo de la reología, la ciencia que estudia cómo los fluidos se mueven en distintas circunstancias.

La Reología es un área especializada dentro de la Física que analiza la relación esfuerzo-deformación de materiales fluidos. Estos comportamientos de fluidez y deformación dependen, principalmente, de tres factores:

1- Estructura interna de los materiales.
2- Fuerzas externas que actúan sobre los materiales.
3- Temperatura.

En la Reología hay materiales que no son líquidos ni sólidos, sino viscoelásticos. Cuando un material viscoelástico tiene una mayor proporción líquida, lo consideramos un fluido viscoelástico (tiene un comportamiento viscoso). Por otro lado, cuando un material viscoelástico tiene una mayor proporción sólida, lo consideramos un sólido viscoelástico (tiene un comportamiento elástico).

Los materiales viscoelásticos tienen un comportamiento que se encuentra entre líquido y sólido.

Cuando deformamos los materiales con comportamiento viscoso, pierden energía y no regresan a su forma original (vea la figura amarilla de abajo).

Cuando deformamos los materiales con comportamiento elástico, almacenan energía y la usan para regresar a su forma original (vea la figura roja de abajo).

Experimento de energía sobre materiales con comportamiento viscoso y elástico.

La Reología nos ayuda a predecir el comportamiento de los lubricantes industriales que sometemos a fuerzas externas. Esto nos ayuda con que las grasas, usualmente, tienen las propiedades de sólidos viscoelásticos con comportamiento elástico, mientras que los aceites industriales se pueden comportar como fluidos newtonianos o como fluidos viscoelásticos, dependiendo de su formulación.

La reometría y el reómetro: Midiendo la fluidez y la deformación de los materiales

La reometría es la ciencia que toma medidas reológicas. Es decir, es la ciencia que mide la fluidez y la deformación de los materiales. El reómetro es un instrumento que mide tanto las fuerzas que actúan sobre un material como su historial de deformación. Un reómetro es útil para determinar la función de un material.

Reómetro

Un reómetro nos ayuda a evaluar la viscosidad y la elasticidad de los materiales, basándose en medidas de fuerza y deformación.

Un reómetro toma sus medidas usando el modelo de las Placas Paralelas. Con ello, el instrumento puede relacionar las variables de Esfuerzo Cortante y Razón de Corte para tomar las medidas necesarias.

Video 1: Preparación de prueba de reómetro

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

Midiendo 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 entre sí, generando fricción interna que provoca resistencia al flujo. Entre más resistencia opone un fluido, más viscoso es.

Un reómetro ayuda a medir la viscosidad de un fluido, donde la Viscosidad (η) es la relación entre el Esfuerzo Cortante (τ) y la Razón de Corte (γ).

Cuando analizamos medidas de viscosidad contra la velocidad de rotación, surge una curva de viscosidad con la que podemos identificar tres tipos de comportamiento viscoelástico en los fluidos: newtoniano, adelgazante (pseudoplástico) o dilatante.

Imagen 4: Comportamiento viscoelástico de fluidos

El comportamiento de un fluido es newtoniano cuando su viscosidad es independiente de la velocidad de deformación al corte, permaneciendo constante.

El comportamiento de un fluido es dilatante cuando opone más resistencia al flujo conforme incrementa la velocidad. La viscosidad aumenta conforme la velocidad aumenta.

El comportamiento adelgazante (pseudoplástico) de un fluido es cuando pierde viscosidad conforme incrementa la velocidad.

Esto es relevante para los aceites industriales, pues el parámetro más importante para elegir un aceite para una aplicación específica es su viscosidad operativa. Cuando un aceite pierde su viscosidad por el uso, puede causar problemas en el equipo que lo usa. Lo mismo puede pasar cuando no consideramos una mayor viscosidad.

Un reómetro también puede probar una curva de viscosidad contra temperatura, lo cual nos permite observar el comportamiento de viscosidad de los materiales cuando se calientan o enfrían. Para crear una curva de viscosidad, la velocidad de deformación al corte permanece constante y la temperatura es variable. La viscosidad del material cambia conforme cambia la temperatura.

Midiendo la deformación de grasas industriales

La deformación de un material elástico es directamente proporcional a la fuerza que actúa sobre él. Cuando una fuerza deforma un material elástico ideal, vuelve a su forma original cuando la fuerza desaparece. Materiales viscoelásticos sólidos, como las grasas, no vuelven completamente a su forma original.

Un reómetro puede medir la deformación que sufre un sólido viscoelástico bajo esfuerzo cortante. Esta deformación siendo la relación entre la distancia de desplazamiento (s) del material bajo esfuerzo, y la altura (h) de separación entre las placas del reómetro.

Una vez disponible un porcentaje de deformación, el esfuerzo cortante aplicado se relaciona a la deformación resultante, lo cual entrega un Módulo Complejo de Corte (G*). Este Módulo Complejo consiste en dos elementos: un Módulo Elástico (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 dónde se encuentra un material en el espectro sólido-líquido.

Las grasas tienen una proporción elástica mayor, lo cual explica por qué no fluyen libremente, quedándose en su lugar. Esto, sin embargo, depende de la consistencia de la grasa: entre más consistente, mayor su proporción elástica.

Midiendo el rango de amplitud de la deformación de materiales

Una prueba de barrido de amplitud describe cómo un material se deforma y qué pasa cuando su estructura se rompe. La estructura de un material se rompe cuando va 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 constante. Resulta una gráfica que enfrenta a los módulos elásticos y viscosos contra el porcentaje de deformación o el esfuerzo aplicado. Tres cosas emergen:

1. El rango viscoelástico lineal. Este rango está presente cuando se comienza a aplicar el esfuerzo cortante. Dentro de este rango la proporción de los módulos elástico y viscoso no cambia, no importa que tanto se deforme el material o que tanta fuerza se le aplique.
2. El punto de cedencia. Al cruzar este punto, la proporción del módulo elástico comienza a caer. Entre mayor sea el módulo elástico, más rígido es el material.
3. El punto de flujo. Conforme se deforma un material, 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 el esfuerzo cortante en la estructura de las grasas

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

Evaluando la deformación estructural de materiales bajo distintas temperaturas

Un reómetro también puede realizar una prueba de barrido de temperatura, lo cual nos ayuda a observar el comportamiento de la estructura de un material en distintas temperaturas.

Para esta prueba, la temperatura de un material varía a una frecuencia y amplitud constante.

En esta prueba, es importante identificar cualquier cruce entre el módulo elástico y viscoso. Los cruces significan que la temperatura hace que la grasa pierda su estructura. También, entre más lineal sea el comportamiento de la grasa, menor es el efecto de la temperatura sobre su estructura y consistencia.

El uso de reómetros permite a los consultores de Interlub tener un entendimiento agudo del desempeño de sus productos bajo distintas circunstancias. Esto, en cambio, los hace más efectivos para recomendar productos que lleven a reducciones significativas en costos totales de mantenimiento.

Si deseas explorar tus oportunidades de mejora, nuestros expertos pueden realizar un diagnóstico 360° de tus condiciones operativas para poderte recomendar el lubricante ideal.

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