Tribología verde: efecto de los biolubricantes y su impacto ecológico



Daniel Aguilera, Santos García, Karla Moreno
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Desde la creación de las primeras máquinas el hombre ha tenido que enfrentarse a problemas como la fricción y el desgaste, fenómenos que afectan tanto el consumo de energía como la vida útil de la maquinaria. Actualmente, la industria metalmecánica es una de las principales industrias que cuenta con gran variedad de máquinas y herramientas para proveer de materiales e insumos a las demás industrias (manufacturera, automotriz, agrícola, minera, entre otras). En ese sentido, el rendimiento de las máquinas y la vida útil de elementos mecánicos en dicha industria dependen fuertemente de su desempeño tribológico.

     La tribología es la ciencia (y la tecnología derivada de ella) que estudia los fenómenos de fricción y desgaste que ocurren intrínsecamente entre elementos (superficies) que interactúan en movimiento relativo. La lubricación es también parte sustancial de la tribología, ya que con ella se busca reducir las consecuencias de las interacciones que tienen lugar en el sistema en movimiento (Gschwender y cols., 2001; Menezes y cols., 2013; Torbacke y cols., 2014).

     El estudio de la tribología incluye la caracterización de superficies, fricción, desgaste, lubricación, materiales, lubricantes, el diseño y la selección de sistemas de lubricación (Figura 1). Desde el punto de vista mecánico estos términos son muy importantes dentro del desempeño de los elementos involucrados. Debido a las cargas impuestas en dichos elementos, y muchas veces a la inadecuada lubricación, se generan daños por desgaste, afectando el diseño y comportamiento mecánico en dichas piezas. En este sentido, los elementos dañados deben ser reemplazados afectando la producción por paros de mantenimiento y teniendo considerables costos económicos (Kenneth y Ali, 2017; Menezes y cols., 2013; Torbacke y cols., 2014). Debido a esto se han desarrollado distintas disciplinas dentro de la tribología con el propósito de comprender el movimiento relativo de las superficies mecánicas en contacto y así contribuir a la reducción del desgaste.

 

Figura 1. Tribología y disciplinas involucradas.

 

     Por lo anteriormente expuesto, la tribología requiere de otras disciplinas como la ingeniería mecánica, la ciencia de materiales, la química y la física de superficies, entre otras. La caracterización de superficies, el análisis de la fricción y el desgaste, así como la selección y diseño de sistemas de lubricación, constituyen un factor ingenieril muy importante para esta rama (Stachowiak y Batchelor, 2013; Torbacke y cols., 2014). Sin embargo, desde sus inicios, la tribología dejaba de lado el impacto ecológico que cada proceso genera.

 

TRIBOLOGÍA VERDE

 

En la actualidad, debido a los graves problemas medioambientales a los que se enfrenta el mundo, la tribología se ha venido rediseñando para apoyar las demandas de la sociedad para ser sostenible y amigable con el medio ambiente. La ecotribología o tribología amigable con el medio ambiente, busca nuevas alternativas que ayuden a reducir el consumo de energía mediante la disminución de la fricción, la reducción o eliminación de la contaminación del aire, el agua y la tierra por medio del desarrollo y/o utilización de materiales biodegradables y no tóxicos; el uso de biolubricantes cae perfectamente en este punto. A lo largo de la historia se han venido empleando distintos tipos de lubricantes, desde el agua, grasas y aceites de origen animal o vegetal, hasta aceites minerales y sintéticos. Actualmente, para muchas industrias, los lubricantes verdes o también llamados biolubricantes parecen ser nuevamente la directriz para hacerle frente a problemas como el aumento en la demanda, el creciente interés por reducir el consumo de energía para disminuir costos, así como el apego a las nuevas normativas para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero.

     Alrededor del año 2009 el mundo de la tribología comenzó a poner especial atención al cambio climático, y sus objetivos básicos de controlar la fricción, reducir el desgaste y mejorar la lubricación se han extendido a ahorrar energía y materiales, así como a reducir las emisiones, disminuir la contaminación acústica, desarrollar la bio y ecolubricación para mejorar la calidad de vida.

     Todo ello ha dado lugar a una nueva fase de la tribología a la que se le ha denominado tribología verde (Nosonovsky y Bhushan, 2010; Jost, 2009 y 2010; Zhang, 2013). Según Nosonovsky y Bhushan (2010) este concepto se puede definir como la ciencia y tecnología de los aspectos tribológicos en

equilibrio ecológico y de impacto biológico-ambiental. Esta definición contempla el modo del pensamiento sustentable, considerando el equilibrio ecológico y la protección del medio ambiente. La principal tarea de la tribología verde es estudiar y desarrollar las teorías tribológicas, sus métodos y tecnologías armonizándolos con el nuevo modo de pensamiento sustentable. Para ello Nosonovsky y Bhushan (2010) han planteado 12 principios para entender y llevar a cabo este nuevo concepto, dichos principios se basan en los principios de la química verde propuestos por Anastas y Warner (1998). Nosonovsky y Bhushan (2010) tomaron en cuenta que la tribología es un área interdisciplinaria que involucra, entre otros campos, la ingeniería química y la ciencia de los materiales, por lo tanto, los principios de la química verde serían aplicables también a la tribología verde modificando estos principios con base en otros aspectos fundamentales de la propia tribología. A continuación se describen brevemente algunos de esos principios (Nosonovsky y Bhushan, 2010):

? La contaminación térmica debido al calor generado por la disipación de energía en los procesos donde existe fricción es objetivo fundamental de la tribología verde.

? El desgaste es relevante para la tribología verde ya que es indeseable porque limita la vida útil de los componentes y al mismo tiempo crea residuos y partículas que contaminan el medio ambiente.

? Otra tarea importante de la tribología es reducir o eliminar la lubricación como medio para reducir la fricción y el desgaste. El uso de lubricantes tiene un efecto negativo en el medio ambiente.

? La lubricación natural y la lubricación biodegradable son objetivo de la tribología verde, ya que la primera suele ser sustentable porque es a base de aceites vegetales, y la segunda evita la contaminación ambiental. Ambas deben usarse en la medida de lo posible.

? Manufacturar nuevos revestimientos y lubricantes para aplicaciones tribológicas, siguiendo los principios de la ingeniería verde.

     Es importante observar que estos principios de la tribología verde consideran importante la influencia de los lubricantes en este nuevo concepto sustentable; y es que los lubricantes son y han sido el principal medio utilizado para reducir la fricción y el desgaste de elementos de máquinas que están en contacto directo. Los lubricantes son sustancias que se interponen entre las superficies con la finalidad de reducir la fricción entre ellas, facilitando el trabajo de la máquina y evitando que se desgasten. Como se puede ver en la Figura 2, los primeros lubricantes datan de hace más de 3,500 años, cuando se utilizaban grasas y aceites de origen animal o vegetal principalmente para reducir el ruido que producían las máquinas (Menezes y cols., 2013). Posteriormente, con el crecimiento y desarrollo de la industria del petróleo en el siglo XIX, los lubricantes derivados del petróleo reemplazaron rápidamente a aquellos de origen natural por su bajo costo y accesibilidad. Sin embargo, debido a diversos factores como su pobre biodegradabilidad, así como una creciente escasez del petróleo en todo el planeta, entre otros, recientemente se ha volteado la mirada hacia los biolubricantes, que son sustancias generalmente derivadas de aceites vegetales como el aceite de coco, la canola y el ricino, entre otros.

 

Figura 2. Evolución de los lubricantes.

 

BIOLUBRICANTES (LUBRICANTES VERDES)

 

El término lubricantes verdes o biolubricantes se ha asignado a lubricantes de baja toxicidad y excelente biodegradabilidad, donde el aceite base se deriva de fuentes naturales renovables, no son tóxicos y son fácilmente biodegradables (Garcés y cols., 2011; Zainal y cols., 2018). Por lo general, los aceites naturales tienen excelentes propiedades lubricantes y presentan altos índices de viscosidad y altos puntos de inflamación (Menezes y cols., 2013). Los aceites naturales más empleados para producir lubricantes de base biológica suelen ser los de girasol, canola, soja, palma, coco y el aceite de ricino, por nombrar algunos (Garcés y cols., 2011; Menezes y cols., 2013; Zainal y cols., 2018).

     Las propiedades de los lubricantes se pueden dividir en propiedades de rendimiento, propiedades de larga vida útil y propiedades ambientales (Menezes y cols., 2013). Las propiedades de rendimiento permiten que la sustancia lubrique las superficies que están en contacto; por ejemplo, la viscosidad, propiedades térmicas, propiedades de baja y alta temperatura y la sensibilidad a contaminantes como el aire y el agua. Por otro lado, las propiedades de larga vida útil son las que determinan la duración de la funcionalidad del contacto lubricado, por ejemplo, la estabilidad a la oxidación, la estabilidad hidrolítica y la inhibición de la corrosión. Finalmente, las propiedades ambientales incluyen propiedades como la biodegradabilidad, la capacidad de renovación, la toxicidad y la bioacumulación. Las propiedades de rendimiento son todas las propiedades físicas, mientras que las propiedades de larga duración y ambientales pueden denominarse propiedades químicas (Quinchia y cols., 2014).

     Particularmente, el aceite de ricino se caracteriza por poseer buenas propiedades para ser utilizado como biolubricante; por ejemplo, tiene alta viscosidad, excelentes propiedades de fricción y desgaste, entre otras (Patel y cols., 2016; Quinchia y cols., 2014; Zeng y Dong, 2014). El aceite de ricino (de higuerilla o de castor) es un aceite vegetal no comestible obtenido de la semilla de la planta Ricinus communis L. En la Figura 3 se muestra una imagen de la planta de higuerilla, en la que los frutos secos albergan las semillas que contienen alrededor de 40 a 60 % de aceite rico en triglicéridos; dentro de estos, la molécula de ricinoleína (C57H104O9), que es el triglicérido del ácido ricinoleico, es el principal constituyente del aceite de ricino y le provee las altas viscosidad y densidad que lo distinguen de otros aceites (Patel y cols., 2016).

 

Figura 3. (A) Planta Ricinus comunis L. (B) frutos secos. (C) semillas.
(D) aceite de ricino.

 

     El aceite de ricino se usa ampliamente en diferentes industrias, y el número de sus aplicaciones continúa creciendo; algunas de ellas son la industria cosmética, farmacéutica, de la pintura, el combustible y los biopolímeros. Sin embargo, recientemente ha ganado una mayor atención en aplicaciones como lubricante debido a sus propiedades superiores de lubricación.

 

IMPACTO ECOLÓGICO

 

Entre las ventajas de utilizar los aceites vegetales como lubricantes verdes se encuentra una menor emisión de óxidos de carbono en comparación con el aceite mineral debido al alto punto de inflamación de los ésteres. Además, sus ésteres polares permiten mojar las superficies para reducir la fricción y el desgaste, incrementando la vida útil de los elementos mecánicos; poseen un alto índice de viscosidad que les permite operar en un amplio rango de temperaturas, y son renovables, biodegradables y no tóxicos para el ecosistema. Dichos lubricantes verdes parecen ser buenas opciones para combatir tanto la fricción y el desgaste, así como para disminuir la huella de carbono en los procesos de la industria metalmecánica.

     Por lo anteriormente expuesto, una alternativa interesante sería el uso del aceite de ricino como lubricante verde en la industria metalmecánica mexicana que tanto auge sigue teniendo, además de que desde el año 2015 (Infoagro, 2015), la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (SAGARPA), ha impulsado un proyecto integral de cultivo y producción de higuerilla y su transformación en aceite de ricino, ya que, debido a la amplia biodiversidad y condiciones agroclimáticas del país, México podría convertirse en uno de los principales productores de aceite de ricino a nivel mundial. La aplicación de este aceite en sistemas de la industria metalmecánica sería sin duda una gran aportación a la filosofía de la tribología verde.

 

CONCLUSIONES

 

La tribología verde es una nueva subdisciplina de la tribología, que surge desde la preocupación por el medio ambiente y el impacto que los daños a este tienen sobre la sociedad. La naturaleza de la tribología verde es desarrollar procesos sustentables en los que estén involucrados materiales biodegradables, ahorro de energía y energías limpias, e involucra todo aquel proceso que contemple la protección del medio ambiente en beneficio de la humanidad. El uso de aceites verdes –como el aceite de ricino– como biolubricantes en procesos de la industria metalmecánica en nuestro país, sería un buen aporte al desarrollo de la filosofía de la tribología verde en México pero, sobre todo, tendría un impacto considerable en la protección del medio ambiente.

 

R E F E R E N C I A S

 

Anastas PT y Warner JC (1998). Green chemistry: theory and practice. USA: Oxford University Press.

Garcés R, Martínez-Force E y Salas JJ (2011). Vegetable oil basestocks for lubricants. Grasas y aceites 62(1):21-28.

Gschwender LJ, Kramer DC, Lok BK, Sharma SK, Snyder CE y Sztenderowicz ML (2001). Liquid Lubricants and Lubrication. En Bhushan B (Ed.), Modern Tribology Handbook (pp. 361.382). CRC Press LLC, USA.

Infoagro (2015). México, importante productor de higuerilla y aceite de ricino. Recuperado de: http://www.infoagro.com/noticias/2015/mexico__importante_productor_de_higuerilla_y_aceite_de_ricino.asp.

Jost HP (2009). Green tribology–A footprint where economies and environment meet. 4th World Tribology Congress, Kyoto.

Jost HP (2010). Development of green tribology–An overview. SeminarNew Direction in Tribotechnology, Moscow.

Kenneth H y Ali E (2017). Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction 5(3):263-284.

Menezes PL, Reeves CJ y Lovell MR (2013). Fundamentals of Lubrication. En Menezes PL, Ingole SP, Nosonovsky M, Kailas SV y Lovell MR (Eds.), Tribology for Scientists and Engineers (pp. 295-336). Springer, USA.

Nosonovsky M y Bhushan B (2010). Green tribology: principles, research areas and challenges. Philosophical Transactions of the Royal Society A 368:4677-4694.

Patel VR, Dumancas GG, Kasi Viswanath LC, Maples R y Subong BJJ (2016). Castor Oil: Properties, Uses, and Optimization of Processing Parameters in Commercial Production. Lipid Insights 9: 1-12.

Quinchia LA, Delgado MA, Reddyhoff T, Gallegos C y Spikes HA (2014). Tribological studies of potential vegetable oil-based lubricants containing environmentally friendly viscosity modifiers. Tribology International 69:110-117.

Stachowiak GW y Batchelor AW (2013). Engineering Tribology. USA: Elsevier.

Torbacke M, Rudolphi ÅK y Kassfeldt E (2014). Lubricant Properties. En Torbacke M, Rudolphi ÅK, y Kassfeldt E (Eds.), Lubricants: Introduction to Properties and Performance (pp. 19-44). John Wiley & Sons Ltd,USA.

Zainal NA, Zulkifli NWM, Gulzar M y Masjuki HH (2018). A review on the chemistry, production, and technological potential of biobased lubricants. Renewable and Sustainable Energy Reviews 82:80-102.

Zeng QF y Dong GN (2014). Superlubricity behaviors of Nitinol 60 alloy under oil lubrication. Transactions of Nonferrous Metals Society of China 24:354-359.

Zhang S (2013). Green tribology: Fundamentals and future development. Friction 1(2):186-194.

 

Daniel Aguilera
Santos García
Karla Moreno
Tecnológico Nacional de México en Celaya
daniel.aguilera@itcelaya.edu.mx

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