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May 19, 2023

La gran química: el aceite sintético

Desde que conduzco, he estado cambiando el aceite. En realidad, más tiempo que eso: incluso antes de obtener mi licencia, hice muchos trabajos de mantenimiento y reparación en el automóvil familiar. parecía natural

Desde que conduzco, he estado cambiando el aceite. En realidad, más tiempo que eso: incluso antes de obtener mi licencia, hice muchos trabajos de mantenimiento y reparación en el automóvil familiar. Parecía natural hacerlo en aquel entonces, y continúa hoy, a pesar de que probablemente sería más barato en general encargar el trabajo. Sigo haciéndolo principalmente porque me gusta estar en contacto con lo que sucede con mis autos.

Los cambios de aceite requieren suministros, pero las últimas veces que hice el viaje a BigBoxMart regresé con las manos vacías. No sé si es uno de los aparentemente interminables problemas de la cadena de suministro o algo más, pero el pasillo que normalmente tiene una gran cantidad de petróleo estaba muy desabastecido. Y lo que había era principalmente aceite sintético, que nunca antes había probado.

Me he resistido a cambiar al aceite de motor sintético porque simplemente parecía un truco para liberarme de más dinero del necesario del dinero que tanto me costó ganar. Pero ahora que parece que no tengo más remedio que usar aceite sintético, pensé en hacer lo que normalmente hago: investigar los detalles de los aceites sintéticos y compartir lo que encontré con todos ustedes.

Desde el principio, diré que parece haber mucha “folclore” sobre los aceites de motor en general y los sintéticos en particular, y muchos sentimientos fuertes entre las personas para quienes los automóviles son más que un mero transporte. Por lo tanto, es fácil encontrar videos y publicaciones de blogs que insisten en que los productos sintéticos son un regalo de los dioses de la lubricación, y otros que declaman contra los productos sintéticos en los términos más enérgicos posibles. Y, por supuesto, cada bando mira al otro como herejes, cuyas predilecciones por la lubricación seguramente los llevarán a un pozo de desesperación y sufrimiento automovilístico. Supongo que así es nuestro mundo polarizado.

Si bien realmente no quiero elegir bando en las guerras del aceite de motor, definitivamente no quiero hacer nada que pueda dañar los motores cuidadosamente cuidados de mis autos. Como nunca había usado aceites sintéticos, sentí que era necesario un poco de diligencia debida: ¿es posible que los sintéticos causen daños a motores más antiguos que solo han usado aceites tradicionales?

La respuesta corta es: probablemente no. Cuando aparecieron por primera vez los aceites sintéticos, su química no era del todo compatible con la tecnología de motores actual. Específicamente, los primeros sintéticos a base de ésteres causaron problemas con los sellos de los motores que contenían resinas de poliéster. Esos días quedaron atrás, ya que tanto la tecnología de los sellos del motor como las formulaciones de aceites sintéticos han mejorado. Se ha probado que los sintéticos modernos son compatibles con todo tipo de materiales comúnmente utilizados en los sellos de los motores, como nitrilo, silicona, poliacrilatos y fluoroelastómeros como Viton. Se ha demostrado que los aceites que cuentan con las certificaciones de prueba adecuadas no causan hinchazón o contracción excesiva, endurecimiento o reducción de la resistencia del material del sello cuando se exponen al aceite sintético.

Básicamente, si tienes un motor fabricado en algún momento de los últimos 30 años y usas un aceite sintético que coincide con las recomendaciones del fabricante, deberías estar bien.

Pero, ¿qué tiene exactamente el aceite de motor sintético que lo hace sintético? ¿Y en qué se diferencia del aceite de motor tradicional? Resulta que hay menos diferencia de lo que se podría pensar entre los dos aceites, pero la forma en que se diferencian es bastante interesante, y las diferencias revelaron el mundo de la ingeniería de lubricación de una manera que nunca antes había apreciado.

Todos los aceites de motor, tradicionales o sintéticos, son productos de alta ingeniería que contienen una asombrosa variedad de aditivos, cada uno con una función específica. Sin embargo, todos los aceites de motor comienzan con un aceite base, que se divide en uno de cinco grandes grupos, según propiedades como el contenido de azufre, la viscosidad y la cantidad de hidrocarburos saturados que contiene (más sobre esto más adelante):

Los aceites base de los grupos I, II y III se derivan todos del petróleo crudo, y los métodos utilizados para refinar la materia prima cruda en fracciones más ligeras adecuadas para el aceite de motor determinan en gran medida la cantidad de azufre en el aceite base, así como la concentración de compuestos insaturados. compuestos de hidrocarburos en él. Los hidrocarburos saturados son aquellos en los que cada carbono de la columna vertebral del polímero está completamente poblado de hidrógenos; en otras palabras, los compuestos saturados no tienen dobles enlaces carbono-carbono. Esto es importante porque los enlaces insaturados son sitios potenciales de oxidación, que pueden dañar las propiedades del aceite base.

Entonces, dado que los aceites base de los aceites minerales tradicionales provienen directamente de la tierra en forma de petróleo crudo, seguramente eso debe significar que el aceite sintético evita la mancha de la asociación con combustibles fósiles. Resulta que ese no es el caso. Si algo hemos aprendido de esta serie “La Gran Química” es que casi todo lo que utilizamos en la vida diaria proviene, total o parcialmente, de petroquímicos. Y lo mismo ocurre con el aceite sintético.

Los aceites base del grupo IV son casi exclusivamente poli-α-olefinas o PAO. Al igual que los plásticos, los PAO son polímeros sintéticos, pero en lugar de tener cadenas laterales enormemente largas e intrincadamente cruzadas, los PAO son en su mayoría un pequeño número de cadenas laterales cortas unidas entre sí. Pero los plásticos y los PAO tienen mucho en común, en términos de materiales de partida y los procesos necesarios para crearlos.

El punto de partida de la mayoría de los polímeros es el gas natural. El compuesto principal del gas natural es el metano (CH4), el hidrocarburo más simple posible y miembro de la familia de los alcanos, que tiene una columna vertebral de carbonos completamente saturados. Pero la mayoría de los depósitos de gas natural también tienen una concentración significativa de alcanos más complicados, como el butano de cuatro carbonos, el propano de tres carbonos y el etano de dos carbonos. El etano es el punto de partida de gran parte de la química de los polímeros y puede aislarse del gas natural bruto mediante condensación selectiva.

El gas etano se puede convertir en gas etileno mediante craqueo con vapor, que utiliza altas temperaturas y presiones para descomponer los hidrocarburos saturados e introducir dobles enlaces carbono-carbono. Los hidrocarburos con al menos un doble enlace se denominan alquenos y la versión alqueno del etano se llama etileno. Y el etileno, con su doble enlace químicamente reactivo y ubicado en el centro, es un componente extremadamente útil.

El siguiente paso en el camino hacia el aceite sintético es producir alquenos de cadena más larga a partir de etileno. El proceso químico utilizado para esto, el proceso Ziegler, es complejo y está más allá del alcance de este artículo y, sinceramente, más allá de mi comprensión. Pero basta decir que utiliza un catalizador orgánico que contiene aluminio para unir múltiples compuestos de etileno. El proceso Ziegler permite un control preciso sobre la reacción de oligomerización y puede producir alquenos de longitudes específicas. Cuando la columna vertebral de carbono tiene diez carbonos con un doble enlace simple, se llama 1-deceno.

Los alquenos, también conocidos como olefinas, se caracterizan por el lugar a lo largo de la cadena principal de carbono donde se encuentra su doble enlace. Cuando el doble enlace se encuentra junto al primer carbono, o alfa, la molécula resultante se llama alfa-olefina o α-olefina. El 1-deceno es la α-olefina más común utilizada en la producción de poli-α-olefina, que se logra haciendo reaccionar 1-deceno con un catalizador de trifluoruro de boro (BF3) y agua o un alcohol. Esta reacción se dirige al doble enlace vulnerable del carbono α del 1-deceno, uniéndolo al carbono α de otra molécula de 1-deceno.

A diferencia de los plásticos, a la reacción de polimerización solo se le permite durar unas pocas rondas, lo que produce pequeños oligómeros de 1-deceno. Son típicas cinco o seis rondas, lo que da como resultado un PAO que está completamente desprovisto de compuestos de azufre y enlaces insaturados; el doble enlace restante de la última reacción se satura haciendo reaccionar el PAO con gas hidrógeno bajo presión. Esto elimina el último sitio posible de oxidación, lo que genera un aceite base PAO estable.

Los PAO se fabrican en grandes volúmenes y se envían a instalaciones de mezcla donde los aceites base se mezclan para lograr la viscosidad adecuada. Se agregan aditivos como detergentes, dispersantes, agentes antiespumantes y agentes antidesgaste para cumplir con las especificaciones del producto final.

Si bien el nombre puede ser engañoso, en muchos casos los aceites de motor sintéticos tienen ventaja sobre sus homólogos de aceite mineral. Al fabricar un aceite de motor a partir de un aceite de base mineral, es casi imposible evitar problemas que puedan limitar el rendimiento, especialmente los sitios de oxidación. Por otro lado, los aceites sintéticos pueden evitar casi por completo la introducción de esos sitios de oxidación, lo que da como resultado un producto final que dura más y funciona mejor durante toda su vida. Rafe de Lubrication Expert tiene un excelente vídeo sobre el tema:

No sé si algún día seré capaz de recorrer 25.000 millas sin cambiar el aceite, algo que los fabricantes sintéticos suelen anunciar como posible, pero ahora sé lo que hay detrás de esa afirmación y que el coste de los sintéticos es de menos justificados por la cantidad de ingeniería que se dedica a ellos.