Gran Química: Aceite Sintético

Mientras conducía, cambié el aceite. Más tiempo que eso, de hecho, incluso antes de obtener mi licencia, realicé gran parte del mantenimiento y reparación del automóvil familiar. Parecía natural hacerlo entonces, y continúa hoy, a pesar de que probablemente sería más barato en general cultivar 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 problemas aparentemente interminables de la cadena de suministro o cualquier otra cosa, pero el corredor, que generalmente tiene una gran cantidad de petróleo, era muy inadecuado. Y lo que había era principalmente aceite sintético que nunca antes había probado.

Me resistí al cambio a aceite de motor sintético porque me parecía un truco para liberarme de más de lo 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 suelo hacer: explorar los detalles de los aceites sintéticos y compartir lo que encontré con todos ustedes.

Cuentos de viejos mecánicos

Justo antes, diré que parece haber mucho "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 simple medio de transporte. Por lo tanto, es fácil encontrar videos y publicaciones de blog que insisten en que los productos sintéticos son un regalo de los dioses de la lubricación, y aquellos que rezan en contra de los productos sintéticos en los términos más enérgicos. Y, por supuesto, cada campo ve al otro como hereje, cuyas lujuriosas preferencias seguramente los conducirán a un pozo de desesperación y sufrimiento automovilístico. Así es nuestro mundo polarizado, supongo.

Aunque realmente no quiero tomar partido en las guerras del aceite de motor, ciertamente no quiero hacer nada que pueda dañar los motores cuidados de mis autos. Al no ocuparme nunca de los sintéticos, sentí que era necesario hacer algo de diligencia: ¿es posible que los sintéticos puedan dañar los motores más antiguos que solo funcionan con aceites tradicionales?

La respuesta corta es: probablemente no. Cuando aparecieron los aceites sintéticos por primera vez, su química no era del todo compatible con la tecnología de motores actual. Específicamente, las primeras síntesis basadas en éster causaron problemas con los sellos de motor que contenían resinas de poliéster. Esos días han pasado a medida que han mejorado tanto la tecnología de los sellos del motor como las formulaciones de aceites sintéticos. Se ha probado que las síntesis modernas son compatibles con todos los tipos 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 los certificados de prueba apropiados no causan una dilatación o contracción excesiva, endurecimiento o reducción de la fuerza en el material sellador cuando se exponen a aceite sintético.

Básicamente, si ha estado fabricando un motor en los últimos 30 años y está usando un aceite sintético que coincide con las recomendaciones del fabricante, debería estar bien.

Todo sobre la base

Pero, ¿qué es exactamente un 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 pensaría entre los dos aceites, pero la forma en que se diferencian es bastante interesante, y las diferencias han revelado el mundo de la ingeniería de lubricantes de una manera que nunca antes había apreciado.

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

Grupos básicos de aceite API. Tenga en cuenta que todos los aceites minerales tienen algún grado de azufre e hidrocarburos insaturados según el aceite del que se obtienen y el método de refinación. Los aceites base PAO carecen de estos compuestos. Fuente: Instituto Americano del Petróleo

CATEGORÍAS BÁSICAS DE API

Los aceites base de los grupos I, II y III se derivan todos del petróleo, 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 insaturados. compuestos de hidrocarburos en él. Los hidrocarburos saturados son aquellos en los que todo el carbono del esqueleto del polímero está totalmente habitado por hidrógeno; en otras palabras, los compuestos saturados no tienen dobles enlaces carbono-carbono. Esto es importante porque los enlaces no saturados son sitios posibles para la oxigenación, lo que puede dañar las propiedades del aceite base.

Sintético, sí, pero...

Entonces, dado que los aceites base para los aceites minerales tradicionales provienen directamente del suelo en forma de petróleo crudo, esto ciertamente debe significar que el aceite sintético evita la mancha de la asociación con los combustibles fósiles. Resulta que ese no es el caso. Si hay algo que hemos aprendido de esta serie de "Gran química", es que casi todo lo que usamos en nuestra vida diaria proviene, en su totalidad o en parte, de productos 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 masivamente largas e intrincadamente cruzadas, los PAO son en su mayoría cadenas laterales cortas y cortas unidas entre sí. Pero los plásticos y PAO tienen mucho en común, en términos de materiales de partida y los procesos necesarios para crearlos.

El punto de partida para 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 un espín de carbono completamente saturado. Pero la mayoría de los depósitos de gas natural también tienen una concentración significativa de alcanos más complejos, como butano de cuatro carbonos, propano de tres carbonos y 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 crudo mediante condensación selectiva.

El etano se destila del gas natural y se convierte en etileno mediante craqueo al vapor.

La etanasa se puede convertir en gas etileno mediante craqueo al 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 denomina etileno. Y el etileno, con su doble enlace químicamente reactivo y ubicado en el centro, es un bloque de construcción extremadamente útil.

El siguiente paso en el camino hacia el aceite sintético es hacer alquenos de etileno de cadena más larga. El proceso químico utilizado para esto, el proceso de Ziegler, es complejo y está más allá del alcance de este artículo y, sinceramente, más allá de mi comprensión. Pero baste decir que utiliza un catalizador orgánico que contiene aluminio para combinar varios compuestos etílicos. El proceso de Ziegler permite un buen control de la reacción de migración del oligómero y puede producir alquenos de longitudes específicas. Cuando el espín del carbono tiene diez carbonos con un solo doble enlace, se llama 1-década.

1-decade es una alfa-olefina de diez carbonos, producida por oligomerización de etileno utilizando el proceso de Ziegler.

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

Se agregan cadenas de 1 década para aumentar la PAO con trifluoruro de boro y agua. Se permite que la migración del oligómero continúe durante aproximadamente cinco ciclos antes de detenerse. El doble enlace restante en la última decencia que se añade se elimina luego por hidrogenación, para eliminar la posible oxigenación.

A diferencia de los plásticos, la reacción de polimerización solo puede durar unas pocas rondas, lo que produce pequeños oligómeros de 1 década. Son típicas cinco o seis rondas, lo que da como resultado un PAO que está completamente libre de compuestos de azufre y enlaces insaturados (el doble enlace restante de la última reacción se satura al hacer reaccionar el PAO con gas hidrógeno bajo presión. Esto elimina el último sitio posible para la oxigenación). , haciéndolo estable.Aceite base PAO.

Casi termino

Los PAO se producen en grandes volúmenes y se envían a instalaciones de mezcla donde los aceites base se combinan 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 equivalentes de aceite mineral. Cuando se fabrica aceite de motor a partir de aceite de base mineral, es casi imposible evitar problemas potencialmente limitantes, especialmente las localidades de oxígeno. Por otro lado, los aceites sintéticos pueden evitar casi por completo la introducción de estos lugares de oxígeno, lo que lleva a un producto final que dura más y funciona mejor durante su vida útil.

No sé si alguna vez podré recorrer 25,000 millas sin cambiar el aceite que los fabricantes sintéticos a menudo anuncian como posible, pero ahora sé qué hay detrás de esa afirmación y cuál es el costo de los sintéticos. menos justificado por la cantidad de ingeniería que se dedica a ellos.