La mayoría de los laboratorios de análisis de lubricantes usados miden y reportan la viscosidad cinemática. Por el contrario, la mayoría de los viscosímetros de campo miden viscosidad absoluta, pero están programados para estimar y reportar la viscosidad cinemática, de manera tal que las mediciones de viscosidad reportadas reflejan los números de viscosidad reportados por la mayoría de los laboratorios y los proveedores de lubricantes. Dada la importancia del análisis de la viscosidad aunado al incremento en la popularidad de los instrumentos de campo usados para analizar y complementar en sitio los análisis de laboratorio, es esencial que los analistas entiendan claramente las diferencias entre viscosidad absoluta y la cinemática
En términos generales, la viscosidad de un fluido es su Resistencia a fluir (por el esfuerzo de corte) a una temperatura dada. Algunas veces, se hace referencia a la viscosidad como espesor (o peso). La viscosidad no es una medida dimensional, así que llamar un aceite viscoso como espeso y a uno poco viscoso como delgado es un error. De igual manera, reportar la tendencia en la viscosidad sin una temperatura de referencia, tampoco tiene sentido. La viscosidad debe ser reportada a una temperatura definida. Típicamente, la viscosidad se reporta a 40° o 100°C, o ambas, si se requiere indicar el índice de viscosidad.
Determinación de la viscosidad
Para expresar la viscosidad se utilizan varias unidades, siendo las más comunes el centistoke (cSt) para la viscosidad cinemática y el centipoise (cP) para la viscosidad dinámica (absoluta). La viscosidad cinemática en cSt a 40°C es la base del estándar internacional ISO 3448 para la clasificación de los lubricantes por grados de viscosidad. Otros sistemas comunes para reportar viscosidad son los Segundos Saybolt Universales (SUS) y los grados SAE para aceites de motor y engranajes automotrices, que están relacionados con la medición de la viscosidad en cSt, ya sea a 40° o 100°C.
La viscosidad cinemática tradicionalmente se mide por el tiempo que tarda una muestra de aceite en pasar a través del orificio de un capilar bajo la fuerza de la gravedad (Figura 1). El capilar del viscosímetro cinemático produce una resistencia a fluir fija. Existen capilares de diferentes tamaños dependiendo de la viscosidad del fluido a evaluar. El tiempo que tarda el fluido en pasar a través del capilar se convierte directamente en viscosidad cinemática al multiplicarlo por la constante de calibración de cada viscosímetro. El procedimiento más utilizado para medir la viscosidad es el estándar ASTM D445, a menudo modificado por los laboratorios de análisis de aceites usados para ahorrar tiempo y hacer la medición de la prueba más eficiente.
Figura 1. Viscosímetro capilar – Tubo en forma de U
La viscosidad absoluta es la medida de la resistencia de un fluido a fluir cuando una fuerza externa o controlada (bomba, aire comprimido, etc.) lo hace fluir a través de un capilar (ASTM D5841) o un cuerpo es forzado a girar dentro de un fluido por una fuerza externa o controlada como por ejemplo un rotor accionado por un motor. En cualquiera de los casos, se mide la resistencia a fluir (o al corte) como una función de la fuerza aplicada, lo que refleja la resistencia interna del fluido a la fuerza aplicada, o lo que es lo mismo, su viscosidad dinámica.
Hay varias formas y tipos de viscosímetros absolutos. El método rotatorio Brookfield (Figura 2) es el más común. La viscosidad absoluta ha sido utilizada históricamente en tareas de investigación, control de calidad y en el análisis de grasas, en el campo de la lubricación de maquinarias.
Figura 2. Viscosímetro Rotatorio – ASTM D2983
Los procedimientos para determinar la viscosidad absoluta en laboratorio por el método Brookfield tradicional están definidos en los estándares ASTM D2983, D6080 y otros. Sin embargo, en el área de aceite usado el análisis de la viscosidad absoluta se ha venido incrementando dado que la mayoría de los equipos de campo de hoy día miden viscosidad absoluta en lugar de la cinemática. Los proveedores de estos tipos de equipos son Cambridge, Kittiwake, CSI, Spectro y Entek.
En términos generales, la viscosidad cinemática (cSt) está relacionada con la viscosidad absoluta (cP) como una función de la densidad específica (DE) del fluido, de acuerdo con las ecuaciones de la
Figura 3.
Figura 3. Ecuaciones de viscosidad
Estas ecuaciones se ven simples, sin embargo sólo son válidas para los fluidos Newtonianos. Además, la densidad específica de los fluidos debe permanecer constante durante la evaluación de la tendencia. Ninguna de estas condiciones se puede suponer en el análisis de aceites usados, por lo que el analista debe tener en cuenta las condiciones bajo las cuales pueden ocurrir estas variaciones.
Fluidos Newtonianos vs. No-Newtonianos
Un fluido Newtoniano se describe como un fluido que mantiene constante su viscosidad a lo largo de toda tasa de corte (el esfuerzo de corte varía linealmente con la tasa de corte). Se llaman Newtonianos porque siguen la fórmula original establecida por Sir Isaac Newton en su Ley de Mecánica de Fluidos. Sin embargo, algunos fluidos, no se comportan de la misma manera. En general, se llaman fluidos No-Newtonianos. Un grupo de fluidos no-Newtonianos conocidos como tixotrópicos son de especial interés en el análisis de aceites usados ya que la viscosidad de un fluido tixotrópico disminuye cuando la tasa de corte se incrementa. La viscosidad de un fluido tixotrópico se incrementa cuando la tasa de corte disminuye. Con fluidos tixotrópicos, un almacenamiento prolongado, puede incrementar la viscosidad aparente, como en el caso de las grasas.
Un ejemplo práctico
Imagínese que tiene ante usted dos recipientes – uno lleno con mayonesa y el otro lleno con miel. Suponiendo que los dos recipientes están fijos sobre la superficie de una mesa. Ahora imagínese introduciendo un cuchillo para mantequilla en cada fluido en el mismo ángulo y a la misma profundidad. Imagínese agitando los dos fluidos moviendo el cuchillo a la mismas rpm manteniendo el mismo ángulo de ataque. ¿Cuál de los dos fluidos será más difícil de agitar? Su respuesta debiera ser la miel, la cual es mucho más difícil de agitar que la mayonesa. Ahora imagínese despegando los dos recipientes de la mesa y voltéelos sobre sus costados. ¿Cuál de los dos fluirá más rápido del recipiente, la miel o la mayonesa? Su respuesta debe ser la miel; la mayonesa probablemente no fluya por el simple hecho de voltear el recipiente sobre su costado.
¿Cuál de los dos fluidos es más viscoso, la miel o la mayonesa? Si usted indica la mayonesa, está en lo correcto…al menos parcialmente. Del mismo modo, si usted indica la miel, también está parcialmente correcto. La razón de esta aparente anormalidad es que cuando se rota el cuchillo en ambas sustancias, la tasa de corte varía, mientras que cuando se voltean los recipientes sobre su costado, el resultado es una simple medida de la resistencia estática a fluir. Dado que la miel es un fluido Newtoniano y la mayonesa un fluido No-Newtoniano, la viscosidad de la mayonesa disminuye a medida en que la tasa de corte se incrementa, o lo que es igual a medida que el cuchillo es girado. La agitación somete a la mayonesa a un elevado esfuerzo de corte, causando que fluya bajo la acción de dicha fuerza. Por el contrario, simplemente colocando el recipiente sobre su costado somete a la mayonesa a un bajo esfuerzo de corte, dando como resultado poco o ningún cambio en la viscosidad, por lo que tiende a permanecer dentro del recipiente.
No se puede medir de forma convencional la viscosidad de un fluido No-Newtoniano. En su lugar, hay que medir la viscosidad aparente, que toma en cuenta la tasa de corte a la cual la determinación de la viscosidad fue hecha. Figura 4.
Figura 4. Cambio de viscosidad por efecto de la tasa de corte
Al igual que las medidas de viscosidad no tienen sentido a menos que se indique la temperatura a la cual fue medida, las medidas de viscosidad aparente tampoco tienen sentido si no se especifica la temperatura y la tasa de corte a la cual fue medida. Por ejemplo, la viscosidad de una grasa jamás ha sido reportada, en su lugar se ha reportado la viscosidad aparente en centipoises (cP). (Nota: la viscosidad reportada puede ser del aceite básico con que se elaboró la grasa, más no la del producto terminado).
En términos generales, un fluido No-Newtoniano está compuesto de una sustancia suspendida (no químicamente disuelta) en un fluido receptor. Para que esto ocurra, hay dos categorías básicas, las emulsiones y las suspensiones coloidales. Una emulsión es la coexistencia física estable de dos fluidos inmiscibles. La mayonesa es un fluido No-Newtoniano común, compuesta de huevos emulsionados en aceite, el fluido receptor. Dado que la mayonesa es un fluido No-Newtoniano, su viscosidad cede cuando se aplica una fuerza, haciéndola más fácil de untar.
Una suspensión coloidal está compuesta de partículas sólidas suspendidas en forma estable en un fluido receptor. Muchas de las pinturas son suspensiones coloidales. Si la pintura fuese Newtoniana sería fácilmente aplicable, siempre y cuando la viscosidad fuese baja, o aplicada con gran dificultad, dejando marcas de brocha, si la viscosidad fuese alta. Dado que la pintura es un fluido No-Newtoniano, su viscosidad cede bajo el esfuerzo de la brocha, pero regresa a su valor original cuando la fuerza de la brocha desaparece. Como resultado, la pintura se aplica con relativa facilidad, sin dejar marcas de brocha o corrimiento de la pintura.
Haciendo la conexión
La viscosidad absoluta determina el espesor de película proporcionada por el lubricante. La viscosidad cinemática es meramente un intento conveniente para estimar el espesor de película que un lubricante puede proporcionar, pero tiene poco significado cuando el fluido es No-Newtoniano.
Numerosas formulaciones de lubricantes encontradas en el mercado y algunas condiciones de operación, producirán fluidos No-Newtonianos, incluyendo:
- Aditivos mejoradores del índice de viscosidad (MIV) – Los aceites minerales multigrado de motor (excepto aquellos con alto IV natural) son formulados con un aditivo elástico que se compacta a bajas temperaturas y se expande a altas temperaturas en respuesta al incremento en la solvencia del fluido. Debido a que esta molécula del aditivo es diferente a la molécula del aceite receptor, su comportamiento es de manera No-Newtoniano.
- Contaminación con agua – El aceite y el agua libre no se mezclan. Pero bajo ciertas circunstancias, se combinan para formar emulsiones, parecidas a la mayonesa. Cualquiera que haya visto un aceite con aspecto de café con crema puede verificar este hecho. Si bien esto puede ser contrario a lo que uno piensa, una contaminación con agua, cuando se emulsiona con el aceite, realmente incrementa la viscosidad cinemática.
- Subproductos de degradación térmica y oxidativa – Muchos productos de la degradación térmica y oxidativa del aceite son insolubles, pero se mantienen suspendidas en forma estable en el aceite. Estas suspensiones crean un comportamiento No-Newtoniano.
- Hollín – Comúnmente encontrado en motores diésel, el hollín es una partícula que resulta de una suspensión coloidal en el aceite. El aditivo dispersante, diseñado para evitar que las partículas de hollín se aglomeren y crezcan, sirve para facilitar la formación de una suspensión coloidal.
Si se fuese a medir la viscosidad absoluta de una de las emulsiones o coloides descritas anteriormente con un viscosímetro absoluto con tasa de corte variable (por ejemplo el ASTM D4741), la viscosidad disminuiría a medida que la tasa de corte se incrementa, hasta un punto donde se estabiliza. Si uno fuese a dividir esta viscosidad absoluta estabilizada por la densidad específica del fluido para determinar la viscosidad cinemática, el valor calculado sería diferente a la viscosidad cinemática medida en un viscosímetro cinemático. Una vez más, las ecuaciones de la Figura 3, aplican solamente a fluidos Newtonianos, no a los No-Newtonianos descritos anteriormente. Esta es la causa que produce esta discrepancia en los resultados.
Efectos de la densidad específica
Revise nuevamente las ecuaciones de la Figura 3. Las viscosidades absolutas y cinemáticas de un fluido Newtoniano están relacionadas como una función de la densidad específica del fluido. Considere el aparato de la Figura 1, el bulbo que contiene la muestra de aceite, el cual se libera cuando se elimina el vacío en la parte superior, produce un cabezal de presión que conduce al aceite a través del capilar. ¿Puede uno suponer que todos los fluidos producirán el mismo cabezal de presión? No, la presión es una función de la densidad específica del fluido, o lo que es lo mismo, el peso del aceite con respecto al peso de un volumen idéntico de agua. La mayoría de los aceites derivados de hidrocarburos tienen densidades específicas en el orden de 0.85 a 0.90. Sin embargo, esto puede cambiar en el tiempo a medida que el aceite se degrada o contamina (por ejemplo con glicol, agua, metales de desgaste), lo cual produce un diferencial entre la viscosidad absoluta y la cinemática.
Tenga en cuenta los datos presentados en la Tabla 2.
Tabla 2. Un pequeño cambio en la densidad específica puede influenciar el diferencial entre las medidas de viscosidad absoluta y viscosidad cinemática
Cada uno de los escenarios de los aceites nuevos es idéntico, en ambos casos la viscosidad absoluta se incrementa en un 10 por ciento. Este normalmente es el límite condenatorio para un cambio en viscosidad. En el escenario A, un pequeño cambio en la densidad específica arroja una ligera diferencia entre la viscosidad absoluta y la viscosidad cinemática. Este diferencial podría retrasar ligeramente el sonido de la alarma para un cambio de aceite, pero no sería motivo de un error mucho mayor. Sin embargo, en el escenario B, el diferencial es mucho más grande. Aquí, la densidad específica se incrementa significativamente, lo que resulta en un incremento del 1.5 por ciento en la viscosidad cinemática, en comparación con el 10 por ciento obtenido con un viscosímetro absoluto. Esta es una diferencia importante que podría llevar al analista a identificar una situación como normal, no reportable. El error que se ha cometido ha sido el de suponer que los fluidos se mantienen como Newtonianos.
Debido a las muchas posibilidades de que se formen fluidos No-Newtonianos, el verdadero parámetro de interés para el analista y técnico de lubricación debe ser la viscosidad absoluta. Es lo que determina el espesor de la película lubricante y el grado en que las superficies de los componentes están protegidas. En aras de la economía, la simplicidad y el hecho de que las pruebas para analizar lubricantes nuevos son comúnmente utilizadas para analizar aceites usados, la viscosidad cinemática del aceite es típicamente el parámetro de medición de tendencia y toma de decisiones en la gestión del proceso de lubricación. Sin embargo, en ciertos casos esto puede introducir errores innecesarios en la determinación de la viscosidad de un aceite.
El problema se puede reducir con matemáticas simples. Como las ecuaciones de la Figura 3 sugieren, la viscosidad absoluta y la cinemática están relacionadas como una función de la densidad relativa. Si la viscosidad y la densidad específica son dinámicas, pero sólo una es medida, se producirá un error, y la viscosidad cinemática no proporcionara una valoración precisa del cambio de la viscosidad absoluta del fluido, que es el parámetro de interés. El tamaño del error es una función del tamaño del cambio en el parámetro que no se mide, la densidad específica.
Conclusiones
Uno puede llegar a las siguientes conclusiones a partir de esta discusión relacionada con la viscosidad:
- Suponiendo que el laboratorio mide viscosidad cinemática, añadiendo la densidad específica como una prueba de rutina en el programa de análisis de aceite ayudaría a eliminar esta como una variable en la estimación de la viscosidad absoluta a partir de la viscosidad cinemática medida.
- Cuando se utilicen viscosímetros en sitio, no hay que buscar una correlación entre la viscosidad cinemática medida en el laboratorio y la medida con instrumentos de campo. La mayoría de estos equipos miden viscosidad absoluta (cP) y utilizan un algoritmo para estimar la viscosidad cinemática (cSt), e menudo mantienen la densidad específica constante. Para establecer tendencias, considere usar los resultados del viscosímetro de campo en cP. Este es el parámetro que se está midiendo, y ayuda a diferenciar las tendencias de campo con las tendencias obtenidas de los datos generados por el laboratorio con un viscosímetro cinemático. No trate de lograr un acuerdo perfecto entre las medidas de viscosidad en sitio y en el laboratorio. Es inútil y genera poco valor. Lo mejor, busque una correlación más fácil. Siempre determine la viscosidad del aceite nuevo, que le servirá como línea de base, con el mismo viscosímetro con que medirá la viscosidad del aceite en uso.
- Reconozca que un fluido No-Newtoniano no proporcionará la misma película protectora para una viscosidad cinemática dada que la que proporciona un fluido Newtoniano con la misma viscosidad cinemática. Debido a que la viscosidad de un fluido No-Newtoniano varía con la tasa de corte, la resistencia de película es más débil bajo condiciones de carga y velocidad. Esta es una de las razones por las cuales una emulsión con agua incrementa la tasa de desgaste de los componentes de las máquinas como por ejemplo los rodamientos, donde la resistencia de película del fluido es crítica (por supuesto, el agua también causa otros mecanismos de desgaste como cavitación vaporosa, herrumbre, fragilización por hidrógeno y ampollas).
