Desarrollo y evaluación de grasas lubricantes a partir de aceite de palma

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(1)IM-2006-I-11. DESARROLLO Y EVALUACIÓN DE GRASAS LUBRICANTES A PARTIR DE ACEITE DE PALMA.. ANDREA DEL PILAR FRANCO DÍAZ. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2006.

(2) IM-2006-I-11. DESARROLLO Y EVALUACIÓN DE GRASAS LUBRICANTES A PARTIR DE ACEITE DE PALMA.. ANDREA DEL PILAR FRANCO DÍAZ. PROYECTO DE GRADO. ASESORES: RAFAEL G. BELTRÁN Ing. Mecánico, MSc. Ing. Mecánica RIGOBERTO GÓMEZ Químico. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2006. ii.

(3) IM-2006-I-11. Nota de aceptación: __________________________ __________________________ __________________________ __________________________ __________________________ __________________________ __________________________. ___________________________ RAFAEL BELTRÁN. ___________________________ RIGOBERTO GÓMEZ. ___________________________ JUAN CARLOS BRICEÑO. iii.

(4) IM-2006-I-11. A mi papá, mi mamá y mi hermano por su apoyo incondicional y todo el amor que me han brindado.. iv.

(5) IM-2006-I-11. Agradecimientos. Agradezco el apoyo ofrecido por el Ing. Rafael Beltrán, asesor del proyecto, y su colaboración a lo largo del desarrollo de este.. Rigoberto Gómez, co-asesor del proyecto, por su grandiosa colaboración, por compartir su conocimiento y experiencia durante el proyecto y por proporcionarme los medios para el desarrollo del mismo.. A todas las personas vinculadas directa o indirectamente en el desarrollo de este proyecto y que permitieron que este fuera posible.. v.

(6) IM-2006-I-11. Carta de Presentación. Bogotá, Junio 1 de 2006. Doctor LUIS MARIO MATEUS Director Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes. Estimado doctor Mateus. Por medio de la presente me permito poner en consideración el proyecto de grado titulado: “DESARROLLO Y EVALUACIÓN DE GRASAS LUBRICANTES A PARTIR DE ACEITE DE PALMA.” como requisito parcial de grado del programa de. Pregrado en ingeniería Mecánica.. Agradezco su amable atención y me suscribo de Ud.. Atentamente,. ANDREA DEL PILAR FRANCO Cod. 200110942. vi.

(7) IM-2006-I-11. CONTENIDO RESUMEN. xi. 1.. 1. INTRODUCCIÓN. 2. OBJETIVOS. 2. 2.1 Objetivo General:....................................................................................... 2 2.2 Objetivos específicos ................................................................................ 2 1.. MARCO TEÓRICO. 3. 3.1 ACEITES VEGETALES............................................................................. 3 3.2 ACEITE DE PALMA .................................................................................. 5 3.3 USOS DEL ACEITE DE PALMA ................................................................ 7 3.3.1 Ruta directa......................................................................................... 9 3.3.2 Ruta oleoquímica .............................................................................. 10 3.4 JABONES ................................................................................................. 11 3.4.1 FABRICACIÓN DE JABÓN ............................................................... 12 3.5 GRASAS LUBRICANTES ........................................................................ 14 3.5.1 FABRICACIÓN DE LAS GRASAS .................................................... 15 3.5.1.1 Espesantes. 16. 3.5.2 PROPIEDADES DE LAS GRASAS ................................................... 19 3.5.2.1 Consistencia de las grasas. 19. 3.5.2.3 Determinación del punto de goteo. 21. 3.5.2.4 Resistencia al lavado con agua. 21. 3.5.3 ANÁLISIS QUÍMICO .......................................................................... 22. 2.. 3.5.3.1 Índice de acidez libre. 22. 3.5.3.2 Índice de Saponificación.. 22. METODOLOGÍA. 23. 4.1 MATERIALES ........................................................................................... 23 4.1.1 ACEITE DE PALMA AFRICANA ....................................................... 23 4.1.2 DETERMINACIÓN DE LA ACIDEZ LIBRE ....................................... 24 4.1.3 DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE SAPONIFICACIÓN ................. 24 4.2 SAPONIFICACIÓN DEL ACEITE CRUDO DE PALMA.......................... 25 4.2.1 JABÓN DE SODIO ............................................................................ 25 4.2.2 JABÓN DE CALCIO........................................................................... 26 4.3 OBTENCIÓN DE LAS GRASAS BIODEGRADABLES........................... 27 4.3.1 GRASA DE SODIO............................................................................ 28 vii.

(8) IM-2006-I-11. 4.3.2 GRASA DE CALCIO .......................................................................... 28 4.4 EVALUACIÓN PROPIEDADES MECÁNICAS......................................... 29 4.4.1 PENETRACIÓN DE LA GRASA........................................................ 29 4.4.2 RESISTENCIA AL LAVADO CON AGUA ......................................... 30 4.4.3 PUNTO DE GOTEO .......................................................................... 30 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS. 31. 5.1 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA DEL ACEITE CRUDO DE PALMA....... 31 5.1.1 INDICE DE ACIDEZ........................................................................... 31 5.1.2 INDICE DE SAPONIFICACION......................................................... 32 5.2 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS GRASAS OBTENIDAS ............. 32 5.2.1 PRUEBA DE PENETRACIÓN CON CONO ...................................... 32 5.2.2 PRUEBA DE LAVADO CON AGUA .................................................. 34 5.2.3 PUNTO DE GOTEO .......................................................................... 35 5.3 DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS...................................................... 35 6. CONCLUSIONES. 38. 7. RECOMENDACIONES. 39. BIBLIOGRAFÍA. 40. ANEXOS. 42. ANEXO 1. PRUEBAS DE CARACTERIZACIÓN QUÍMICA........................... 42 ANEXO 2. JABONES OBTENIDOS ............................................................... 45 ANEXO 3. GRASAS OBTENIDAS ................................................................. 45 ANEXO 4. PRUEBA LAVADO CON AGUA ................................................... 46. viii.

(9) IM-2006-I-11. LISTA DE TABLAS. Tabla 1 Propiedades de algunos aceites vegetales. 4. Tabla 2. Propiedades físicas de algunos aceites vegetales. 5. Tabla 3. Porcentaje de ácidos grasos en el aceite de palma. 6. Tabla 4. Propiedades del aceite crudo de palma. 6. Tabla 5. Usos del aceite de palma. 8. Tabla 6. Características de las grasas lubricantes por tipo de espesante 13 Tabla 7. Penetración trabajada - Grado NLGI. 20. Tabla 8. Propiedades químicas y físicas del aceite de palma africana. 23. Tabla 9. Porcentaje acidez libre. 31. Tabla 10. Índice de saponificación. 32. Tabla 11. Prueba de penetración, grasa de sodio. 33. Tabla 12. Prueba de penetración, grasa de calcio. 33. Tabla 13. Prueba lavado con agua. 34. Tabla 14. Punto de goteo. 35. ix.

(10) IM-2006-I-11. LISTA DE FIGURAS Y GRÁFICAS. Figura 1. Estructura del triacilglicérido. 3. Figura 2. Productos obtenidos por la ruta directa. 9. Figura 3. Productos epoxidiados. 9. Figura 4. Productos obtenidos por la ruta oleoquímica. 10. Figura 5. Reacción de saponificación. 12. Figura 6. Composición de una grasa lubricante. 14. Figura 7. Proceso de fabricación de una grasa lubricante. 15. x.

(11) IM-2006-I-11. RESUMEN. En este proyecto de grado se llevó a cabo la creación y evaluación de grasas lubricantes a partir de aceite de palma.. Se obtuvieron dos grasas lubricantes, una de sodio con una concentración en peso del 25% de jabón de sodio el cual fue obtenido de la saponificación del aceite crudo de palma con hidróxido de sodio bajo condiciones controladas y el 75% restante fue el aceite lubricante para motor 20W – 50, un aceite mineral de alto rendimiento.. La siguiente grasa fue una de calcio obtenida a partir de la mezcla de un espesante a base de calcio obtenido igualmente de la saponificación del aceite crudo de palma con el hidróxido de calcio, las concentraciones para esta grasa fueron menores, el 20% fue jabón de calcio y el 80% fue el aceite lubricante 20W – 50.. A estas grasas obtenidas se les sometió a una serie de pruebas mecánicas para determinar su consistencia, resistencia a la humedad y punto de goteo. De los resultados de estas pruebas se concluyó que las bases grasas biodegradables a partir de aceite de palma pueden tener una amplia aplicación como lubricantes ya que sus propiedades son muy similares a las encontradas para otras grasas comerciales en la literatura.. xi.

(12) IM-2006-I-11. 1. INTRODUCCIÓN. Los aceites vegetales son recursos renovables y fluidos no tóxicos amigables con el ambiente. que tienen variedad de aplicaciones que van desde el campo. alimenticio hasta la industria oleoquímica.. La palma de aceite es, desde hace varios años, la segunda fuente de aceites y grasas después de la soya. La producción mundial de aceite de palma, en 2002, fue de 25,1 millones de toneladas. Mientras los demás aceites y grasas aumentaron su producción en 15% en los últimos cinco años, el aceite de palma lo hizo en 42%. Malasia e Indonesia, que participan respectivamente con el 48% y el 36% de la oferta de este producto, de lejos son también los países que siguen liderando esta expansión. Los países de América, por su parte, participan tan solo con el 5,6% de la producción mundial de aceite de palma y su producción creció más lentamente que la de los países líderes en este sector.. A pesar de esta poca participación de los países americanos, en Colombia la producción de Palma de Aceite incrementó su importancia en la economía del país, para el año 2000 la importancia de los cultivos permanentes aumentó hasta el 7%, aportando el 2,2% de la producción agropecuaria y el 3,6% de la producción agrícola.[1]. Gracias a la creciente producción de Palma Aceitera a nivel nacional y a su gran versatilidad en la industria, el Aceite de Palma se posesiona como una buena opción para una nueva industria de desarrollo sostenible donde la materia prima no solo cuenta con un alto contenido alimenticio sino que también posee propiedades mecánicas y químicas que la hacen apta para el desarrollo de productos oleoquímicos..

(13) IM-2006-I-11. 2. OBJETIVOS. 2.1 Objetivo General: Desarrollar y evaluar una grasa lubricante obtenida a partir del aceite de palma.. 2.2 Objetivos específicos: •. Planear un protocolo para la obtención de la grasa. •. Realizar la caracterización química del aceite de palma según normas: NTC 218 y NTC 335. •. Evaluar las propiedades mecánicas de la grasa obtenida, según normas: ASTM D217, ASTM D1264 y ASTM D566.. •. Comparar los resultados obtenidos por estas pr esJ11.74 0 TD0.1866 Tw[(obtenidos po. 2.

(14) IM-2006-I-11. 1. MARCO TEÓRICO. 3.1 ACEITES VEGETALES La estructura de triacilglicéridos de cadena larga de los aceites vegetales los hacen unos excelentes candidatos para ser usados como bases para lubricantes y fluidos funcionales.. Figura 1. Estructura del triacilglicérido. Al ser recursos renovables y amigables con el ambiente son muy atractivos para aplicaciones industriales que puedan tener mucho contacto ambiental por accidente o por la generación de excesivas cantidades de material de desecho. Los aceites vegetales en su estado natural tienen usos limitados como fluidos industriales debido a su baja estabilidad térmica y a la oxidación, sumado a su mal desempeño a bajas temperaturas, esfuerzos cortantes, y cuando se encuentran en contacto con metales y ciertos ambientes corrosivos.. La cadena larga de ácidos grasos y la presencia de grupos polares en la estructura de los aceites vegetales los hace anfifílicos en naturaleza, esta propiedad les permite ser usados como lubricantes de borde e hidrodinámicos. Durante las operaciones de lubricación, las moléculas de triacilglicéridos se orientan con sus terminaciones polares hacia la superficie del metal creando una delgada capa de estructura monomolecular o multimolecular que inhibe el contacto. 3.

(15) IM-2006-I-11. metal-metal. El coeficiente de fricción y la tasa de desgaste son dependientes de la energía de adsorción del lubricante; la resistencia de la capa de fluido y la duración de absorción en la superficie del metal determinan la eficiencia del lubricante. [2]. La mayoría de los aceites vegetales disponibles no son adecuados para la lubricación debido a su alto contenido de ácidos grasos saturados o poli-insaturados. Los aceites mono-insaturados presentan una estabilidad oxidativa optima y buenas propiedades a baja temperatura. Como consecuencia, los aceites vegetales que tengan alta estabilidad y bajos puntos de goteo pueden ser producidos convirtiendo todos los ácidos grasos a. mono-insaturados.. En la siguiente tabla se observan algunas de las características de los aceites vegetales más comunes en comparación con aceite mineral [3]. Tabla 1 Propiedades de algunos aceites vegetales. A diferencia de muchos aceites minerales los aceites vegetales presentan altos índices de viscosidad (VI), también ofrecen altos puntos de flash en comparación con los minerales, respecto al punto de vertido las cifras son similares pero existe una ventaja presente en los aceites minerales ya que estos responden mejor a los aditivos dando puntos de vertido de -30°C hasta. -50°C, esto se presenta ya que. estos aditivos depresores son desarrollados para las ceras parafínicas presentes en los aceites minerales más no para las ceras tradicionales encontradas en la mayoría de los aceites vegetales.. 4.

(16) IM-2006-I-11. La siguiente tabla muestra el efecto cualitativo del perfil de ácidos grasos sobre las propiedades de fluidos base para lubricantes. Tabla 2. Propiedades físicas de algunos aceites vegetales. Como los aceites vegetales son insaturados, estos tienden a tener menos estabilidad a la oxidación que los aceites minerales; pero en el caso del aceite de palma esta propiedad es buena y este aceite tiene baja reactividad a fenómenos de oxidación.. 3.2 ACEITE DE PALMA La palma aceitera es una cosecha de árbol perenne, que es cultivada en un clima tropical-húmedo. El ciclo de vida de la plantación es de aproximadamente 25 años de producción efectiva. Cada palma produce 150 Kg. de racimos frescos al año, por lo tanto el promedio de producción anual por palma es de 3,45 ton. [4]. El aceite crudo de palma se extrae del fruto de la palma Elaeis guineensis; esta palma posee un tallo robusto que en condiciones naturales puede alcanzar 20m de altura, cada racimo tiene entre 600 y 1500 frutos, los cuales son drupas de 4cm de longitud de color pardo o negrusco, entre la cáscara y la semilla se encuentra el mesocarpio con un contenido de aceite de 50-70% la semilla es mantecosa y de esta también se extrae un aceite con diferentes características llamado aceite de palmiste. [5]. 5.

(17) IM-2006-I-11. De las especies vegetales de las cuales se extrae aceite, la palma aceitera es la más productiva por unidad de superficie, aproximadamente 7 toneladas por hectárea, sumado a esto se encuentra que su coste de producción es bastante bajo. Existen varios tipos de palma africana, pero la variedad más importante es la Tenera, un híbrido obtenido del cruce de los tipos Pisifera y Dura, con un contenido de aceite mayor debido a una proporción de pulpa mayor. [6]. Tabla 3. Porcentaje de ácidos grasos en el aceite de palma Ácidos grasos. Aceite de palma. Láurico (C12:0). 0,1 – 0,4. Palmítico (C16:0). 40,9 – 47,5. Esteárico (C18:0). 3,8 – 4,8. Oleico (C18:1). 36,4 – 41,2. Linoléico (C18:2). 9,2 – 11,6. Los ácidos grasos saturados están compuestos por moléculas de 4 a 24 átomos de carbono, su punto de fusión aumenta con el tamaño de la molécula por lo tanto lo que tengan más de 10 carbonos son sólidos. Los ácidos grasos saturados son más estables a la oxidación, sin embargo a altas temperaturas (>200°C) pueden sufrir reacciones de oxidación, siendo este el caso del aceite de palma.. Tabla 4. Propiedades del aceite crudo de palma Propiedades del aceite de palma. Niveles. %FFA (como ácido palmítico). 5% máx.. Índice de Yodo. 55. Índice de saponificación. 197 – 220. Humedad. 0,05% máx.. Punto de Fusión. 36,5°C. 6.

(18) IM-2006-I-11. 3.3 USOS DEL ACEITE DE PALMA El aceite de palma tiene gran versatilidad para ser utilizado en la alimentación y en la industria en la tabla 3.5 se muestran algunos ejemplos de su utilización.. Tiene un alto contenido de glicéridos sólidos, lo que le confiere una gran resistencia sin necesidad de hidrogenación. Gracias a su buena estabilidad oxidativa, tiene una vida útil muy larga; esta estabilidad depende de su alto contenido en vitamina E (antioxidante) y su importante proporción de ácidos grasos saturados, especialmente palmítico y esteárico que le confieren un alto punto de fusión. [6,7]. El contenido de sólidos grasos del aceite de palma le da a algunos productos como margarinas y shortenings una consistencia sólida/semisólida sin necesidad de hidrogenación. En un proceso de hidrogenación parcial se forman ácidos grasos trans, que tienen un efecto negativo en la salud.. 7.

(19) IM-2006-I-11. Tabla 5. Usos del aceite de palma USOS ALIMENTICIOS. USOS NO ALIMENTICIOS Jabones y detergentes no contaminantes. Freír y cocinar.. del medio ambiente por ser biodegradables. Elaboración de margarina, manteca y vanaspati (vegetal casero popular en India y. Surfactantes. Pakistán). Grasas para panadería.. Oleoquímicos. Grasas para galletería.. Ácidos grasos. Confitería.. Alcoholes grasos. Pastelería (tortas, pasteles, hojaldres donuts,. Glicerol y derivados. buñuelos, rosquillas). Alimentos prefritos y precocidos.. Cosméticos. Snaks (papas fritas, chitos, nueces fritas, etc.).. Fármacos. Pasta.. Pinturas. Chocolates y coberturas.. Velas. Sustitutos de manteca de cacao.. Industria de plásticos. Revestimientos y grasas batidas.. Caucho y gomas. Helados.. Lubricantes textiles. Cremas y sopas en polvo.. Emulsionantes Láminas de conglomerado de mediana. Cremas no lácteas.. densidad. Mayonesa y aderezos para ensaladas.. Papel. Imitaciones de queso.. Pasta de papel. Mantequilla de maní.. Tejas. Leche en polvo.. Muebles Alimentos para animales. El aceite de palma es una materia prima que se utiliza ampliamente en jabones y detergentes, en la elaboración de grasas lubricantes y secadores metálicos, destinados a la producción de pintura, barnices y tintas.. 8.

(20) IM-2006-I-11. Según la forma de utilización del aceite de palma los productos pueden ser obtenidos por ruta directa (se utiliza el aceite crudo de palma) y por la ruta oleoquímica (transformación del aceite para obtener materias primas intermedias como ésteres, ácidos grasos, sales, etc.).. 3.3.1 Ruta directa. El aceite crudo de palma es de color rojo anaranjado gracias a su alto contenido de caroteno; almacenado, se hidroliza fácilmente y se convierte en un aceite oscuro por su alto contenido de ácidos grasos libres. En la utilización del aceite crudo de palma se pueden obtener los siguientes productos.. Figura 2. Productos obtenidos por la ruta directa [7] Aceite crudo de Palma. Sustitutos de Diesel. Emisiones limpias sin óxidos de S y N. Punto de Inflamación alto 240°C. Jabones. Mejor solubilidad Buen poder espumante. Productos Epoxidiados. Lodos de Perforación. Usos: Plastificantes Estabilizadores Espumas Síntesis Orgánica. Mejores propiedades emulsificantes y reológicas que los tradicionales. En los jabones se da una buena reacción de saponificación ya que el aceite crudo de palma tiene buenas aplicaciones en esta campo, además de su buen poder espumante, tiene buena retención de perfume lo que lo hace apto para aplicaciones cosméticas. En los productos epoxidiados se producen. 9.

(21) IM-2006-I-11. Figura 3 Productos epoxidiados Polioles ACP + Superácidos. Poliuretanos Poliacrilatos. En los lodos de perforación el aceite de palma es utilizado porque no contiene compuestos aromáticos ni tóxicos que puedan poner en peligro al medio ambiente 3.3.2 Ruta oleoquímica. La oleoquímica es la rama de la química que se ocupa de todas las transformaciones de los aceites vegetales para la producción de sustancias como ésteres, alcoholes, sales grasas, aminas grasas etc., las cuales se emplean en la elaboración de bienes finales como jabones, grasas, champúes, detergentes cosméticos etc.. Figura 4. Productos obtenidos por la ruta oleoquímica [7] Aceite de Palma. Ácidos Grasos. Velas Lápices de Colores Cosméticos Procesamiento de Caucho Jabón de Tocador Jabón líquido Detergentes. Esteres Grasos. Jabones Surfactantes Conservación de alimentos frescos Sustitutos Diesel Textiles Cosméticos Plásticos. Alcoholes Grasos. Glicerol. Compuestos Grasos de Nitrógeno. Detergentes Surfactantes Champúes Agentes Espumantes. Cosméticos Farmacéuticos Pasta de Dientes Emulsificante Anticongelante. Agentes suavizantes para textiles Agentes Antiquebradizos Surfactantes Anticorrosivos. Colombia es el 4° productor mundial de aceite de palma, uno de los aceites con mejores propiedades para uso oleoquímico; del aceite producido, el 25% se 10.

(22) IM-2006-I-11. exporta como aceite crudo y del 75% que se consume en el país, el 90% se utiliza en la industria alimenticia.. La industria oleoquímica en Colombia es pequeña, tan solo se cuenta con alrededor de seis empresas a nivel nacional para la transformación de aceites y grasas, con una producción anual de 32.027 Toneladas de las cuales los principales productos oleoquímicos son los surfactantes con un 75% de producción, el restante 25% se distribuye entre la glicerina con el 17%, los ácidos grasos con el 5%, las sales y ésteres grasos con el 2%, los alcoholes grasos con el 0,4% y las aminas y amidas grasas con el porcentaje restante. No obstante, es una alternativa para la explotación de recursos renovables de una manera sostenible. [7]. Por esta razón es indispensable fomentar el desarrollo de la oleoquímica en el país, ésta puede ser una alternativa para la disminución del desempleo y. el. aumento de ingresos económicos para la industria, junto con el desarrollo de una industria amigable con el ambiente.. 3.4 JABONES Los jabones cumplen la función de agentes espesantes en la fabricación de grasas por lo tanto es necesario escoger el tipo de espesante que cumpla con las características deseadas en el producto final, ya que son estos los que le confieren a la grasa propiedades como la consistencia, la resistencia al agua y a la temperatura, etc. Dentro de los usos no alimenticios del aceite de palma se encuentra la producción de jabones y gracias a la alta concentración de ácido palmítico se facilita la saponificación. [8]. 11.

(23) IM-2006-I-11. La reacción química que se verifica en la fabricación de jabones de grasas y aceites neutros (triglicéridos) se expresa en la siguiente forma:. Figura 5 Reacción de saponificación. H2CCOO-R H2CCOO-R +. H2COH 3NaOH. 3NaCOO-R +. H2CCOO-R. HCOH. H2COH. 3.4.1 FABRICACIÓN DE JABÓN. La fabricación de jabones con grasas, aceites o ácidos grasos puede hacerse por método intermitente (de tareas) o continuo. La mayor parte de las fábricas operan por el método de calderas de plena cocción ya que se puede recuperar en gran medida la glicerina resultante. En los métodos continuos no existe flexibilidad de operación y se requiere de operarios especializados para una producción más intensiva.. La saponificación llevada a cabo mediante un método intermitente debe tener en cuenta factores como la presión, la temperatura y la cantidad de álcali presente, de estas depende la rapidez con que ocurre la reacción. La temperatura ideal para la reacción se encuentra entre 80°C - 100°C y la cantidad de álcali es siempre mayor que la necesaria para la saponificación ya que. 12.

(24) IM-2006-I-11. la velocidad de reacción es mayor al principio y va disminuyendo a medida que reacciona el álcali con los ácidos grasos hasta llegar al equilibrio. [8]. Existen otro tipo de jabones con una amplia gama de aplicación como lubricantes, los jabones metálicos; estos se forman al reaccionar directamente los ácidos grasos con la base correspondiente. En la Tabla 6 se muestran algunas características que brindan los espesantes a las grasas lubricantes. Tabla 6. Características de las grasas lubricantes por tipo de espesante [8] Características Textura Resistencia a la Oxidación Protección antidesgaste Efectos del agua. Jabón de Calcio Suave. Jabón de Sodio. Jabón de Litio. Fibrosa. Suave. Regular. Jabón de Aluminio Suave. Regular. Buena. Buena. Buena. Buena. Buena. No Buena. Buena. Buena. 71°C. 121°C. 121°C. 77°C. 93-121°C. 149-177°C. Máxima temperatura de operación Limitaciones de. 71°C (se. temperatura del. deshidrata. espesante. el jabón). (Cambio de fase) (Cambio de fase) Universales,. Usos principales. Chasis,. cojinetes de las. bombas de. ruedas y otros. agua, copa. antifricción, alta T°. 13. Multipropósito,. Multipropósito,. aviones especial. alta temperatura.

(25) IM-2006-I-11. Dentro de las aplicaciones de este tipo de jabones se encuentra se encuentra la lubricación y la impermeabilización, también se utilizan como modificadores de viscosidad y como emulsificantes y estabilizadores en la fabricación del caucho.. 3.5 GRASAS LUBRICANTES Una grasa es un producto que va desde sólido hasta semifluido y se obtiene por la dispersión de un agente espesante (jabón metálico) en un líquido lubricante (aceite base). La composición de la grasa se puede definir como:. Figura 6. Composición de una grasa lubricante [10]. ACEITE BASE. +. AGENTE ESPESANTE. +. ADITIVOS Adhesividad Antioxidante. Mineral Sintético. Jabón (Calcio, Sodio, Litio, etc.) Anticorrosivo Sin Jabón (Arcilla, Gel). Vegetal. Antidesgaste Extrema presión Antiespumante Colorantes. En la fabricación de grasas lubricantes los principales espesantes son los jabones metálicos; las primeras grasas se fabricaron con jabones de calcio, después fueron introducidas las grasas hechas de jabones de sodio y posteriormente se usaron materiales como aluminio, litio y bario.. 14.

(26) IM-2006-I-11. Las bases metálicas son las que dan las características que se quieren lograr en la grasa, Así: las de calcio, aluminio y litio imparten buena resistencia a la acción del agua y a la humedad, mientras que las de sodio permiten soportar altas temperaturas.. La propiedad más importante que debe tener la grasa es la de ser capaz de formar una película lubricante lo suficientemente resistente como para separar las superficies metálicas y evitar el contacto. El espesor o consistencia de una grasa depende del contenido del espesante que posea, puede fluctuar entre un 5% y un 35% por peso según el caso.. Algunos espesantes no jabonosos se usan para aplicaciones especiales. Las arcillas de bentonita modificadas y el aerogel de silicio, se usan para fabricar grasas no fundentes en aplicaciones de alta temperatura. [9]. 3.5.1 FABRICACIÓN DE LAS GRASAS. La fabricación de una grasa, generalmente es un proceso en serie que incluye la dispersión del espesante en el fluido y la incorporación de aditivos y modificadores.. Este proceso involucra todos o algunos de los siguientes pasos:. Figura 7. Proceso de fabricación de una grasa lubricante Saponificación. Cocción. Desaireación y alisado. Enfriamiento. 15.

(27) IM-2006-I-11. Saponificación: Preparación del jabón en un saponificador o autoclave, a una presión entre 2 a 6 bares y a una temperatura entre 80°C y 250°C.. Cocción: Proceso de calentamiento progresivo y controlado, en el cual se le añade el aceite al espesante, según la grasa que se este fabricando. En este proceso se le extraen los vapores a la mezcla de aceite y espesante y se le ajusta la alcalinidad.. Enfriamiento: Adición de más aceite hasta lograr la penetración deseada, se agita la mezcla y se agregan los colorantes y aditivos.. Desaireación y alisado: Homogenización de la grasa al vacío en un molino coloidal y se lamina.. 3.5.1.1 Espesantes. Los espesantes de las grasas se fabrican a partir de una base metálica que puede ser calcio, sodio, litio, aluminio, bario, etc., que es sometida a un proceso de calentamiento durante el cual se le añaden ácidos grasos. El espesante se mezcla con el aceite en un agitador y la mezcla resultante se calienta de nuevo, luego se enfría y el espesante pasa estado de cristalización, en la forma deseada.. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento y del medio en el cual se lleve a cabo, se obtiene la estructura de la grasa, la cual puede ser de fibra corta, media o larga. Esta estructura permite utilizarla para cada caso en particular. El tipo de fibra se puede determinar por medio del microscopio. Las propiedades de los espesantes dependen de las bases metálicas utilizadas.. 16.

(28) IM-2006-I-11. A continuación se muestran los espesantes más utilizados y sus características.. Jabones de Sodio: Presentan una contextura fibrosa, un buen rendimiento a temperatura moderadamente alta, soportan mayor batimiento, vibración y agitación sin sufrir ninguna alteración o separación. Poseen buena resistencia a la oxidación. La temperatura de goteo es aproximadamente 195°C, para un contenido de jabón metálico entre un 14% y 18%. Se recomiendan para una temperatura máxima de operación continua comprendida entre 0 y 80°C. Se descomponen fácilmente con el agua. Las grasas de baja consistencia se utilizan en la lubricación de máquinas textiles, debido a que se pueden remover fácilmente del producto terminado, durante el lavado.. Jabones de Calcio: Contienen agua de hidratación, la cual utilizan para su estabilidad. Son resistentes al efecto del lavado por agua, sin embargo no la absorben y esto hace que sus propiedades anticorrosivos sean deficientes y sea indispensable recubrir totalmente los mecanismos lubricados. Se recomiendan donde las condiciones de batido, vibración y agitación no sean críticas. Se emplean entre -10°C y 55°C para un contenido de calcio entre 21 y 25%, las frecuencias de relubricación son cortas.. Hidroxiestearato de Calcio: No utilizan agua de hidratación y se recomiendan para aquellas aplicaciones donde la grasa puede estar accidentalmente en contacto con alimentos. Se utiliza hasta temperaturas máximas de operación de 121°C.. Complejos de Calcio: Le confieren a la grasa propiedades de extrema presión, el estearato acetato de calcio y las sales de ácido acético se emplean como modificadores de estos jabones. El punto de goteo esta sobre los 250°C; sin embargo este tipo de grasas se endurecen a bajas temperaturas.. 17.

(29) IM-2006-I-11. Litio o Multipropósito: Tiene un rango de trabajo comprendido entre -20°C y 80°C, para un contenido máximo de litio entre 9-11%. Poseen buena resistencia al lavado con agua, pero no ofrecen una protección adecuada contra la corrosión. Las que contienen estearato de hidróxido de litio son especialmente útiles para condiciones de alta temperatura y ambientes húmedos. Se conocen también como grasas de uso múltiple y sustituyen a las de calcio y sodio.. Complejas de Litio: Presentan puntos de goteo hasta de 250°C, excelente estabilidad mecánica y muy buena resistencia al lavado por agua.. Aluminio: Poseen buena resistencia al lavado con agua, buenas características antiherrumbre y excelente adhesividad. Se emplean hasta 77°C, su alto costo limita su uso.. Complejas de aluminio: Poseen elevados puntos de goteo y alta resistencia al lavado con agua, muy buena bombeabilidad debido a su estructura fibrosa corta y buena estabilidad mecánica. Bario: Fueron las primeras grasas multipropósito utilizadas debido a su buena estabilidad a las altas temperaturas y a su resistencia al lavado con agua. La temperatura máxima de trabajo es de 100°C. Debido a su alto contenido de jabón, no se recomienda su utilización en sistemas centralizados de grasa ya que los puede obstruir.. Sintéticas: Están construidas por aceites sintéticos de elevado índice de viscosidad, bajo punto de fluidez y prácticamente saturados, con los que se obtienen grasas con temperaturas muy amplias de servicio entre -65°C y 165°C y una excelente estabilidad térmica.. 18.

(30) IM-2006-I-11. 3.5.2 PROPIEDADES DE LAS GRASAS. 3.5.2.1 Consistencia de las grasas. Esta propiedad depende de la viscosidad del aceite y del contenido de espesante que posea, el cual puede fluctuar entre 5-30% por peso, o más, dependiendo del tipo de grasa. La consistencia es un factor importante de la grasa porque ella determina su capacidad de lubricación y sellamiento, de permanencia en su sitio, de bombeabilidad y capacidad de soportar temperatura. Dos grasas con igual consistencia o dureza, no tienen necesariamente el mismo desempeño.. 3.5.2.1.1 Determinación de la consistencia de una grasa. La consistencia de una grasa se determina según el método ASTM D217, conocido como “Penetración por cono en grasas lubricantes” y establecido por la NLGI (Instituto Nacional de Grasas Lubricantes). Este método permite hallar la consistencia de una grasa en términos de penetración, sin agitación (durante el almacenamiento). Penetración trabajada, penetración no trabajada y penetración durante periodos prolongados de tiempo. La consistencia normalmente se reporta en términos de penetración trabajada, porque el factor más representativo de las condiciones bajos las cuales opera una grasa, principalmente si se utiliza en la lubricación de rodamientos.. Para determinar la penetración trabajada de una grasa, se llena una vasija especial con suficiente cantidad de ésta (1libra aproximadamente) y se somete inicialmente a 60 carreras dobles (ciclos) de un pistón, a 25°C en un dispositivo llamado trabajador de grasa patrón, el cual consiste en un disco perforado (pistón) el cual al subir y bajar dentro de un cilindro, hace que la grasa pase repetidamente de un lado a otro, hasta completar 60 carreras dobles. Una vez que se completan. 19.

(31) IM-2006-I-11. los 60 ciclos se coloca la muestra de grasa trabajada debajo de un cono de peso y dimensiones normalizadas llamado penetrómetro. La punta de éste se coloca tocando ligeramente la superficie de la grasa, se deja caer el cono por su propio peso dentro de la grasa y después de 5 segundos se lee en un dial la profundidad (cuya aguja es accionada por el cono al caer) en décimas de milímetro, que el cono haya penetrado dentro de la grasa. Esta profundidad representa la consistencia de la grasa.. Las características más importantes del cono son: •. Ángulo del cono de 90°. •. Ángulo de la punta de 30°. •. Diámetro del cono de 6,61cm.. •. Peso del cono: 102,5g.. Para determinar la penetración no trabajada se somete la muestra de grasa (1 libra aproximadamente) al mismo procedimiento utilizado para la penetración trabajada, excepto que en este caso, la grasa no se somete al batido en el trabajador de grasa patrón. [10]. La penetración de las grasas según el método ASTM D217 tiene su correlación con una escala numérica estandarizada por la NLGI, para clasificar la consistencia de las grasas. Este número es el que aparece al final del nombre de las grasas. [11]. Tabla 7. Penetración trabajada - Grado NLGI Penetración trabajada. Consistencia. Grado de. 25°C ASTM. NLGI. dureza. 445 – 475. 000. Muy fluida. Engranajes. 400 – 430. 00. Fluida. Engranajes. 355 – 385. 0. Semifluida. 20. Aplicación. Rodamientos, sistema centralizado.

(32) IM-2006-I-11. 310 – 340. 1. Muy blanda. Rodamientos, sistema centralizado. 265 – 295. 2. Blanda. Rodamientos. 220 – 250. 3. Media. Rodamientos. 175 – 205. 4. Dura. 130 – 160. 5. Muy dura. 85 – 115. 6. Durísima. Cojinetes lisos. Grasa en bloque Cojinetes lisos. Grasa en bloque Cojinetes lisos. Grasa en bloque. 3.5.2.3 Determinación del punto de goteo. Esta propiedad se determina según el método ASTM D566, conocido como “Punto de goteo de grasas lubricantes”. La definición del punto de goteo es la temperatura a la cual la grasa pasa de un estado semisólido a un estado líquido, fluyendo a través de un orificio bajo condiciones estándar. Este cambio en estado es típico de las grasas que contienen jabones convencionales como espesantes. Las grasas que contienen otros tipos de espesantes diferentes a los jabones convencionales pueden separarse del aceite, sin cambiar de estado. Es incorrecto recomendar la temperatura del punto de goteo como la máxima temperatura de uso. El desempeño a altas temperaturas también depende de otros factores tales como la duración de la exposición, resistencia a la evaporación y diseño del mecanismo lubricado. [12] 3.5.2.4 Resistencia al lavado con agua. Las características de resistencia al lavado con agua de las grasas lubricantes son determinadas según el método ASTM D1264, conocido como “Características de lavado con agua de grasas lubricantes”. Este método cubre la evaluación de la. 21.

(33) IM-2006-I-11. resistencia al lavado con agua de una grasa lubricante de un rodamiento, cuando es probado a 38°C y 79°C bajo condiciones estándar. El método consiste en la inserción de la grasa en un rodamiento de bolas, luego, el rodamiento es insertado en una carcasa con las dimensiones especificadas por la norma, y es rotado a una velocidad de 600 +/- 30rpm. El agua, controlada a la temperatura especificada, choca en la carcasa del rodamiento a una rata de 5 +/0,5 mL/s. La cantidad de grasa lavada en una hora es la medida de la resistencia de la grasa al lavado con agua. [13]. 3.5.3 ANÁLISIS QUÍMICO. 3.5.3.1 Índice de acidez libre. La determinación de los ácidos libres o acidez es una prueba que evalúa la calidad, tanto para los aceites crudos como para los refinados.. La acidez es determinada por el contenido de ácidos grasos libres de un aceite o grasa, expresado en gramos del ácido indicado correspondiente a cada producto, por 100 gramos de muestra. [14]. Esta medida determina el grado en que la grasa o el aceite crudo ha sufrido hidrólisis de sus triglicéridos por acción enzimática o por las condiciones de almacenamiento (presencia de humedad, metales, luz, oxigeno). Por tal razón es un buen indicador del manejo que se le ha dado a la materia prima y el grado de esterificación que esta posea.. 3.5.3.2 Índice de Saponificación.. 22.

(34) IM-2006-I-11. Este índice determina la cantidad de hidróxilos necesarios para hidrolizar toda la cantidad de aceite en una muestra y de esta manera conocer la cantidad exacta de ácidos grasos en la solución. El índice de saponificación es “el número de miligramos de Hidróxido de potasio KOH, requeridos para saponificar un gramo de muestra” [15]. 2. METODOLOGÍA. 4.1 MATERIALES El aceite de palma africana fue suministrado por la empresa Oleaginosas San Marcos Ltda. ; El etanol grado industrial (96%), hidróxido de sodio, hidróxido de calcio, hidróxido de potasio y cloruro de calcio fueron suministrados por el laboratorio de química de la Universidad de los Andes.. 4.1.1 ACEITE DE PALMA AFRICANA. En la Tabla 8 se muestran todas las características químicas y físicas de la materia prima suministrada por Oleaginosas San Marcos Ltda.. Tabla 8. Propiedades químicas y físicas del aceite de palma africana PROPIEDAD. RANGO. Densidad 60/25°C. 0,868 – 0,876. Índice de refracción. 1,4495 – 1,4590. Color Lovibond Modelo E, (Celda 5 1/4) 195 – 205 Índice de Yodo. 50 – 58. Índice de Saponificación. 201,15. 23.

(35) IM-2006-I-11. Punto de fusión °C. 48,5. Humedad e Impurezas. Máx. 1. % Acidez. 90 – 97. 4.1.2 DETERMINACIÓN DE LA ACIDEZ LIBRE. El aceite crudo de palma se valoró con un álcali KOH al 0,1mol/l normalizado siguiendo el método de la norma ICONTEC 218, donde la acidez es determinada por el contenido de ácidos grasos libres de un aceite o grasa, expresado en gramos de ácido correspondiente a cada producto.. Los ácidos grasos se expresan como ácido palmítico.. F . F . Apalmitic% =. ml . Alkali * N * 25.6 Weight.Sample. ml. Álcali = ml. de KOH gastado N = Concentración de KOH Weight. Sample = Peso (gr.) de aceite de palma.. 4.1.3 DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE SAPONIFICACIÓN. El índice de saponificación se valoró en el aceite crudo de palma siguiendo el método de la norma ICONTEC 335, el índice de saponificación es determinado por la cantidad en miligramos de KOH necesarios para hidrolizar una cantidad igual a un gramo de muestra de aceite, para así conocer la cantidad exacta de ácidos grasos en la solución.. 24.

(36) IM-2006-I-11. indice.Saponificacion =. 56.1 * N * (V − V ' ) P. V = volumen en ml. de ácido clorhídrico 0.5 N utilizado en el blanco V’= volumen en ml de Ácido clorhídrico 0.5 N utilizado en la muestra N = normalidad exacta del ácido clorhídrico utilizado P = peso en g de la muestra de grasa.. 4.2 SAPONIFICACIÓN DEL ACEITE CRUDO DE PALMA La fabricación de los jabones de Sodio y Calcio se llevo a cabo mediante un método de mezcla directa del hidróxido con el aceite crudo de palma manteniendo constante la reacción estequeométrica 1:1. A continuación se describen los procedimientos llevados a cabo para cada jabón con el objeto de obtener jabones duros, con buena solubilidad y estabilidad, características deseadas para su utilización como espesantes en bases grasas lubricantes.. 4.2.1 JABÓN DE SODIO. RCOOH + NaOH. (RCOO) Na + H2O. Se tomó una muestra de 200 gr. de aceite de palma más 71 gr. de hidróxido de sodio al 50%, se utiliza aproximadamente el doble de hidróxido ya que es necesario asegurarse de que todo el aceite utilizado se va a saponificar en el proceso.. La saponificación se llevo a cabo en un balón de vidrio de 1000 ml. Adecuado a reflujo para evitar la pérdida por evaporación del hidróxido; se dejo reaccionar por un periodo de diez horas y al cabo de ese tiempo se saco el jabón y se le midió el pH. Debido a la presencia de una valor hidróxido mayor en el jabón obtenido, se 25.

(37) IM-2006-I-11. procedió a la neutralización de éste por medio de la adición de agua hasta bajar la concentración de hidróxido en exceso; pero debido a que la cantidad de jabón era abundante y la concentración de hidróxido en la mezcla no disminuyó, fue necesario neutralizar con ácido clorhídrico en una concentración de 12M.. Después de obtener un pH de 7,5 se procedió al secado, el cual se efectuó por 12 horas en un horno eléctrico en un rango de temperaturas de 150 – 160°C. Ahora el jabón obtenido es una pasta semi-dura de color café claro lista para mezclar con el aceite lubricante.. En el anexo 2 se muestran las fotografías de los jabones de sodio y calcio obtenidos en el laboratorio.. 4.2.2 JABÓN DE CALCIO. 2RCOOH + Ca (OH)2. (RCOO)2Ca + 2H2O. El hidróxido de calcio es un polvo no miscible en agua, pero parcialmente miscible en glicerina. Debido a este inconveniente se intentó hacer un jabón con cloruro de calcio, el cual es anhidro y totalmente miscible en agua. Para este experimento se tomó una muestra de 167 gr. de aceite de palma para los cuales se necesitaron 134 gr. de CaCl2 y 134 ml. de agua. Teniendo estas cantidades se procedió a efectuar la saponificación en un balón de 1000 ml. en reflujo durante 12 horas.. Al mismo tiempo, se efectuó este experimento con hidróxido de calcio en un balón de 1000 ml. se introdujeron 153 gr. de aceite de palma con 83 gr. de hidróxido de calcio, más 15% de glicerina para ayudar en la mezcla del hidróxido de calcio con el aceite de palma y el agua, finalmente se le adiciona 67 ml. de agua. Este segundo balón también se dejo en reflujo con agitación constante durante 12. 26.

(38) IM-2006-I-11. horas, al cabo de las cuales se observó la saponificación de gran cantidad del aceite de palma, pero el agua aún permanecía limpia en la superficie de la mezcla, lo que indica que no es necesario adicionar agua a la mezcla ya que el hidróxido no es miscible en agua.. Después de retirar ambos jabones de los balones de vidrio, se efectuó la neutralización con amoniaco NH3 en el jabón fabricado con cloruro de calcio, hasta obtener un pH de 7,8. Este jabón es introducido directamente en el horno a una temperatura constante de 140°C durante 12 horas; al cabo de ese tiempo se observa que la consistencia de este jabón no es del todo dura y a pesar de que se someta a prolongados tiempos de secado no se va a obtener un jabón de pasta dura como el necesario para la fabricación de una grasa lubricante.. Del jabón de hidróxido de calcio se sacó una. pasta dura pero con poca. uniformidad ya que había presencia de hidróxido de calcio en grumos sin reaccionar, al igual que aceite de palma sin saponificar; para separar estos residuos no deseados se introdujo el jabón en el horno a una temperatura de 140°C durante 12 horas, al cabo de las cuales se separaron el aceite sin reaccionar y el jabón de calcio y de esta manera se procedió a utilizar este último; pero debido a su dureza y a su alto punto de fusión fue necesario llevar a cabo un tratamiento del jabón antes de su incorporación en la grasa.. 4.3 OBTENCIÓN DE LAS GRASAS BIODEGRADABLES Para la elaboración de las bases grasas biodegradables se tomaron los productos obtenidos de la saponificación del aceite crudo de palma y se mezclaron con un aceite lubricante para motor de origen mineral 20W – 50, bajo unas condiciones de temperatura y tiempo de reacción controlada.. 27.

(39) IM-2006-I-11. El producto ha sido desarrollado en condiciones similares a las de la literatura encontrada sobre la fabricación de grasas lubricantes, ya que los porcentajes de relación y las temperaturas de formación son similares, por lo tanto se determina su uso similar a las grasas lubricantes comerciales.. 4.3.1 GRASA DE SODIO. Para la fabricación de la grasa de sodio se utilizaron las siguientes concentraciones: 68 gr. de jabón de sodio que equivalen al 25% en peso de la grasa lubricante y 194 gr. de aceite lubricante 20W – 50 que equivalen al 75% restante para un total de 260 gr. de grasa biodegradable.. La mezcla se llevo a cabo en un beaker con agitación constante, primero se adicionó el jabón de sodio y se dejó fundir a una temperatura de 160°C, luego se adicionó unas ¾ partes del aceite lubricante manteniendo la temperatura en un rango aproximado de 160 – 170°C, con agitación constante de un mezclador mecánico, se mantuvo la mezcla bajo estas condiciones de temperatura y de agitación durante un periodo de 1 hora, al cabo de la cual se le adicionó la cantidad restante de aceite lubricante dejando la mezcla durante 1 ½ hora adicional para la mezcla total del jabón y el lubricante.. 4.3.2 GRASA DE CALCIO. Se logró obtener la grasa de calcio mediante un tratamiento del jabón de calcio antes de ser incorporado al aceite lubricante; Este tratamiento consistió en la mezcla parcial del jabón de calcio con un porcentaje en peso igual al aceite lubricante, con el fin de disminuir el punto de fusión del jabón de calcio debido a su baja miscibilidad en el aceite lubricante.. 28.

(40) IM-2006-I-11. Este tratamiento disminuyó enormemente la temperatura de fusión del jabón hasta 120°C, permitiendo así la mezcla con el aceite lubricante. Después de obtener un jabón menos duro se procedió al pesaje y la mezcla de los componentes 80 gr. de jabón de calcio que equivalen al 20% en peso la grasa lubricante y 320 gr. de aceite lubricante 20W – 50 que equivalen al 80% restante para un total de 400 gr. de grasa biodegradable.. Las condiciones de reacción fueron una temperatura promedio de 130°C donde se dejó el jabón durante 30 min. Para su fusión, luego se adicionó la mitad del aceite lubricante y se mantuvo la mezcla durante 1 hora con agitación constante, al cabo de este tiempo se adicionó la mitad restante de aceite lubricante y se mantuvieron las mismas condiciones de temperatura y de agitación iniciales durante 3 horas adicionales.. En el anexo 3 se muestran las fotografías de las grasas obtenidas de sodio y calcio.. 4.4 EVALUACIÓN PROPIEDADES MECÁNICAS. 4.4.1 PENETRACIÓN DE LA GRASA. Es una medida de la consistencia de la grasa, determinada según la norma ASTM D217, es un valor numérico medido en décimas de milímetro, la prueba se lleva a cabo en un contenedor con la grasa hasta el tope, encima de éste se encuentra en el cono penetrador con unas medidas estándar, la prueba comienza cuando se ubica el cono justo a ras de la superficie de la grasa y se deja caer por gravedad, un medidor de carátula toma las mediciones de profundidad de penetración, entre mayor sea el valor de la penetración más blanda es la grasa.. 29.

(41) IM-2006-I-11. 4.4.2 RESISTENCIA AL LAVADO CON AGUA. Es una medida de la resistencia de la grasa a la humedad, se determina mediante la prueba ASTM D1264, la muestra de grasa se introduce en un rodamiento el cual esta contenido en una carcasa y acoplado a un eje que gira a 700+/-30 rpm se le inyecta agua y después de 1 hora se pesa el rodamiento para determinar que cantidad de grasa fue perdida durante la prueba, a mayor cantidad de grasa lavada menor será la resistencia de la grasa a la humedad.. En el anexo 4 se muestra la fotografía del montaje de la prueba de lavado con agua para las grasas de sodio y calcio obtenidas.. 4.4.3 PUNTO DE GOTEO. Se determina según la norma ASTM D566, pero debido a que no se contaba con todo el equipo para efectuar la prueba se siguió un protocolo de experimentación modificado.. En un disco metálico con 3 orificios en sus extremos se adiciona la muestra de grasa, el disco se ubica encima de una plancha de calentamiento en la cual se pueda estar controlando la temperatura de manera que se observe el momento en que por calentamiento de la muestra, la grasa gotee fuera de los orificios y se pueda registrar la temperatura en la cual esto sucede.. 30.

(42) IM-2006-I-11. 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS. 5.1 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA DEL ACEITE CRUDO DE PALMA. 5.1.1 INDICE DE ACIDEZ. En la tabla 9 se presenta un resumen de las pruebas llevadas a cabo para determinar el índice de acidez del aceite crudo de palma.. La concentración real de KOH utilizado para la prueba fue de 0,085M. Tabla 9. Porcentaje acidez libre MUESTRA. ml. ÁLCALI. Blanco. 0,1 ml. KOH. 1. 1,85 ml. KOH. 1,71. 2. 1,85 ml. KOH. 1,82. 3. 1,9 ml. KOH. 1,81. PROMEDIO. %FFA. 1,783. El índice de acidez que se obtiene para el aceite crudo de palma con el que se ha venido trabajando se encuentra dentro del rango aceptado, menor al 5%, lo que indica que la cantidad de ácidos grasos palmíticos son bajos y esto repercute en la resistencia a la oxidación de los derivados de este aceite ya que al ser menor este índice se observa una mayor resistencia a la oxidación de la grasa lubricante. 31.

(43) IM-2006-I-11. 5.1.2 INDICE DE SAPONIFICACION. En la tabla 10 se muestra un resumen de la prueba para determinar el índice de saponificación para el aceite crudo de palma. Utilizando un KOH con una concentración real de 0,399M y para el HCl una concentración real de 0,4323M.. Tabla 10. Índice de saponificación MUESTRA. ml. ACIDO. IND. SAP. Blanco. 27,3 ml. HCl. 1. 9,9 ml. HCl. 209,038. 2. 9,8 ml. HCl. 196,814. PROMEDIO. 202,926 mg KOH/gr muestra. Este índice muestra la cantidad necesaria de KOH para saponificar un gramo de muestra de aceite de palma, este valor es cercano al suministrado por la empresa Oleaginosas San Marcos Ltda.. 5.2 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS GRASAS OBTENIDAS. 5.2.1 PRUEBA DE PENETRACIÓN CON CONO. En la Tabla 11 se muestran los resultados obtenidos para la prueba de penetración con cono para la grasa de sodio, adicionalmente también se muestra la prueba con una grasa no trabajada.. 32.

(44) IM-2006-I-11. Tabla 11. Prueba de penetración, grasa de sodio GRASA NO TRABAJADA RANGO DE PENETRACIÓN 232,5 décimas de mm. 260 décimas de mm. 200 décimas de mm.. CONSISTENCIA. 3. 3. 4. GRASA TRABAJADA RANGO DE PENETRACIÓN. CONSISTENCIA. 280 décimas de. 2. mm. 280,5 décimas de. 2. mm. 263 décimas de. 2. mm.. Para la grasa de Sodio se obtiene una consistencia de 3 para la grasa no trabajada y para la grasa sometida a los 60 ciclos en el pistón de prueba se obtiene una consistencia de 2; ambos valores son similares a los encontrados en las grasas minerales o sintéticas a nivel comercial.. La siguiente Tabla 12 muestra los resultados de la misma prueba para la grasa de Calcio.. Tabla 12. Prueba de penetración, grasa de calcio GRASA NO TRABAJADA RANGO DE PENETRACIÓN 320 décimas de mm. 330 décimas de mm. 310 décimas de mm.. CONSISTENCIA. 1. 1. 1. GRASA TRABAJADA RANGO DE PENETRACIÓN 310 décimas de mm. 340 décimas de mm. 340 décimas de mm.. 33. CONSISTENCIA. 1. 1. 1.

(45) IM-2006-I-11. La grasa de Calcio muestra otros rangos de penetración, para la grasa no tratada se tiene una consistencia de 1, el mismo valor que se obtiene para la grasa después de ser sometida a trabajo en el pistón de prueba.. Este tipo de consistencia de grado 1 muestra una grasa fluida, esta característica es gracias al cambio de concentraciones que se utilizaron en la fabricación de cada grasa, ya que la cantidad de espesante utilizado en la grasa de calcio es menor que en la de sodio, razón por la cual se presenta diferencias en la consistencia.. 5.2.2 PRUEBA DE LAVADO CON AGUA. Los resultados obtenidos en esta prueba se muestran en la Tabla 13 para ambas grasas.. Tabla 13. Prueba lavado con agua GRASA DE SODIO. GRASA DE CALCIO. PESO INICIAL. PESO FINAL. PESO INICIAL. PESO FINAL. 104, 256 gr.. 102,15 gr.. 104, 224 gr.. 103,6 gr.. % PERDIDA. 51,57 %. % PERDIDA. 15,46%. Para la grasa de sodio se observa una pérdida del 51,57% al final de la prueba, lo que nos demuestra que las grasas a base de sodio no tienen buena resistencia a la humedad, al compararla con la literatura se encuentran los mismos resultados ya que el jabón de sodio tiende a lavar la grasa por su alta acción detergente; por lo tanto, aunque se le adicionen aditivos esta grasa siempre va a presentar problemas de baja resistencia a la humedad.. En tanto a la respuesta de la grasa de calcio, se presenta una reacción más favorable, ya que sólo se pierde el 15,46% de la grasa en la prueba, lo que nos. 34.

(46) IM-2006-I-11. demuestra las buenas propiedades de resistencia a la humedad que le imprime el espesante a base de calcio aún cuando la grasa no ha sido aditivada.. 5.2.3 PUNTO DE GOTEO. Se llevo a cabo el procedimiento alternativo para determinar el punto de goteo de ambas grasas, los resultados se muestran en la Tabla 14 a continuación.. Tabla 14. Punto de goteo GRASA DE SODIO. GRASA DE CALCIO. MUESTRA. TEMPERATURA. MUESTRA. TEMPERATURA. 1. 167,7°C. 1. 95,8°C. 2. 183,8°C. 2. 120,4°C. 3. 154,5°C. 3. 118,7°C. PROMEDIO. 168,7°C. PROMEDIO. 111,6°C. Los puntos de goteo obtenidos para ambas grasas se encuentran dentro de los valores normales según la literatura, donde la grasa de sodio tiene un punto de goteo mayor de 176°C, el valor obtenido para esta grasa se encuentra bastante cercano al esperado, en tanto, la grasa de calcio comercial tiene un punto de goteo menor de 138°C [10] y en la grasa probada se obtuvo un valor de 111,6°C.. 5.3 DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS La grasa obtenida con el jabón de sodio fue una mezcla consistente con aspecto uniforme y buena apariencia física.. 35.

(47) IM-2006-I-11. No fue posible llevar a cabo otra prueba con una concentración diferente de jabón y aceite lubricante debido a que la cantidad de jabón de sodio obtenido fue muy poco después del secado, donde se evaporizó gran parte del agua que contenía el jabón después de la neutralización.. Por otro lado, con el calcio se pudo obtener jabones de diferentes concentraciones y como se mencionó anteriormente se obtuvo un jabón con cloruro de calcio, el cual no era una pasta dura como la necesaria para la fabricación de la grasa, pero aún teniendo este inconveniente se procedió a la fabricación de una grasa con una concentración de 20% jabón y el restante en aceite lubricante, los resultados obtenidos fueron una grasa de poco consistencia, de apariencia líquida y que al dejarla en reposo se observaba la precipitación de dos fases donde el jabón y el aceite lubricante no se habían mezclado totalmente, razón por la cual se procedió a desecharla y seguir trabajando con grasa a base hidróxido de calcio.. Para esta grasa se observa una apariencia fragmentada a bajas temperaturas sin importar la concentración de jabón – aceite utilizado; todo esto puede deberse a la mezcla del jabón a base de aceite de palma con el aceite mineral ya que sus diferencias en composición química hacen que se afecte la contextura de la grasa obtenida.. Para la grasa con hidróxido de calcio se hicieron una serie de experimentos cambiando la concentración para el primer caso con un contenido de 25% de jabón de calcio, se observa una grasa más consistente pero con problemas de granulación a una temperatura de 120°C y a temperatura ambiente su apariencia es coloidal; para una concentración de 17% en jabón de calcio no se presenta la apariencia fragmentada sino hasta alcanzar la temperatura ambiente. En la grasa con una concentración de 15% de jabón de calcio, se observó que a temperaturas mayores la grasa tiene una consistencia muy fluida por lo tanto las aplicaciones a altas temperaturas no son aptas con este tipo de grasas.. 36.

(48) IM-2006-I-11. Debido a las dificultades encontradas en la fabricación de la grasa de calcio se concluyo que este hecho puede deberse a que la reacción de saponificación del aceite de palma con el hidróxido de calcio no es la misma ni tan sencilla como la que puede ocurrir con otros metales alcalinos como son el sodio y el litio que son del orden I en la tabla periódica, mientras el calcio es del orden II, esto genera la necesidad de someter al aceite de palma a un proceso de hidrólisis (ácido + alcohol) anterior al proceso de saponificación con el hidróxido de calcio, ya que con este proceso de hidrólisis bajo un medio bastante ácido es posible separar los ácidos grasos del aceite de palma de su componente alcohólico y de esta manera, teniendo los ácidos grasos libres es posible efectuar el proceso de saponificación directa con el hidróxido de calcio.. En cuanto a las pruebas mecánicas efectuadas sobre las grasas se tienen resultados similares a los encontrados en la literatura, ya que las grasas lubricantes tienen generalmente una consistencia entre 1 y 3 para aplicaciones industriales, lo que las hace aptas para aplicaciones en sistemas centralizados de lubricación como es el caso de la grasa de calcio con una consistencia de 1, en tanto a la de sodio con consistencia de 2 puede ser empleada en acoples o engranajes y en general en máquinas de baja velocidad.. La prueba de lavado con agua demostró nuevamente la baja resistencia de las grasas a base de sodio a la humedad debido básicamente a la acción detergente y la afinidad con el agua del jabón de sodio en la grasa lubricante. La grasa de calcio presentó mayor resistencia a la humedad aún sin la presencia de aditivos para el mejoramiento de propiedades.. Para el punto de goteo de ambas grasas se obtuvieron valores aproximados a los encontrados en la literatura, ambas grasas presentan buena resistencia a la temperatura, aún la de calcio, ya que esta a altas temperaturas presenta fenómenos de deshidratación del espesante, algo que no se presentó en la grasa lubricante obtenida.. 37.

(49) IM-2006-I-11. 6. CONCLUSIONES. •. Durante el proceso de saponificación se observó que las variables que más afectan el rendimiento son la temperatura y el tiempo de reacción.. •. Los jabones sintetizados fueron excelentes espesantes, ya que les proporcionaron características físicas y químicas similares a las que reporta la literatura para bases grasas nafténicas.. •. Con los jabones obtenidos se pudieron elaborar grasas biodegradables que pueden ser utilizadas en lubricación industrial ya que se encuentran dentro de los parámetros establecidos.. •. Las grasas obtenidas se encuentran dentro de las cuantificaciones de penetración y lavado con agua para bases grasas nafténicas similares.. •. Sin aditivos la grasa de Sodio no puede trabajar en ambientes húmedos, tiene consistencia buena para aplicaciones en rodamientos de ruedas de vehículos, engranajes y rodillos.. •. La grasa de Calcio tiene buena resistencia al agua y al polvo aún sin aditivos, por su consistencia puede aplicarse con pistola, tiene buena adhesividad, puede usarse en cojinetes planos y en aplicaciones que requieran buena capacidad de carga.. •. Ambas grasas presentan puntos de goteo que no son muy bajos lo que las hace aptas para aplicaciones que requieran un grado de temperatura media como máquinas de baja velocidad.. 38.

(50) IM-2006-I-11. 7. RECOMENDACIONES. •. Invitar a las entidades que trabajan con la palma africana a la inversión en la tecnología de obtención de bases grasas biodegradables a partir de los residuos de la refinación del aceite de palma africana.. •. Buscar que el estado destine recursos para la investigación hacia la obtención de bases grasas biodegradables a partir del aceite de palma.. •. Llevar a cabo un procedimiento de hidrólisis del aceite de palma previamente a la saponificación con el fin de separar los ácidos grasos y obtener la saponificación directa del aceite de palma, este procedimiento facilita el manejo del aceite y la fabricación de grasas lubricantes.. 39.

(51) IM-2006-I-11. BIBLIOGRAFÍA [1]. Recuperado. el. 21. de. Noviembre. de. 2005. de. http://www.fedepalma.org/documen/2003/Jens_Mesa_confe.doc. [2] A. Adhvaryu, S. Z. Erhan and J. M. Perez. Volume 257, Issues 3-4, August 2004, Pages 359-367. Tribological studies of thermally and chemically modified vegetable oils for use as environmentally friendly lubricants. [Versión electrónica] SCIENCE DIRECT, Research Database. [3] Ilija Gawrilow. (October 8, 2003). Palm oil usage in lubricants. [Versión electrónica]. recuperado. el. 08. de. Marzo. de. 2006. de. http://www.americanpalmoil.com/pdf/Ilija%20Gawrilow.pdf. [4] Sumiani Yusoff (September 26, 2003). Volume 14, Issue 1 , 2006, Pages 87-93. Renewable energy from palm oil – innovation on effective utilization of waste. . [Versión electrónica] SCIENCE DIRECT, Research Database. [5] Hartley, C. (1984). The Oil Palm. Lonhman Inc. New York, USA. [5] Kuntom, Ainie. 1992. Revista Palmas. 13(4). Colombia. [6] Kuntom, Ainie. 1998. Revista Palmas. 19(2). Colombia. [7] Recuperado el 08 de Abril de 2006 de http://www.cenipalma.org/oleoquímica. [8] Raymond E. Kirk, Donald F. Othmer, Janet D. Scout, Anthony Standen (1962). Enciclopedia de tecnología química. Tomo XI. Ciudad de México, México.: Unión Tipográfica editorial hispano-americana. 40.

(52) IM-2006-I-11. [9] George J. Willis. (1980). Lubrication Fundamentals. New York, EEUU.: Marcel Dekker.. [10] Pedro Albarracín (1993). Tribología y lubricación industrial y automotriz. Tomo I. Bucaramanga, Colombia.: Litochoa.. [11] ASTM. D217: “PENETRACIÓN CON CONO DE GRASAS LUBRICANTES”.. [12] ASTM. D566: “PUNTO DE GOTEO DE GRASAS LUBRICANTES”.. [13] ASTM. D1264: “CARACTERÍSTICAS DE LAVADO CON AGUA DE GRASAS LUBRICANTES”.. [14] INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Normas para el análisis de laboratorio: Determinación del Índice de acidez libre, NTC 218. Bogotá: ICONTEC; (AOCS Oficial Method Ca 5a-40). [15] INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Normas. para. el. análisis. de. laboratorio:. Determinación. del. Índice. Saponificación, NTC 335. Bogotá: ICONTEC; (AOCS Oficial Method Cc 1-25). 41. de.

(53) IM-2006-I-11. ANEXOS. ANEXO 1. PRUEBAS DE CARACTERIZACIÓN QUÍMICA PRUEBA # 1: “Ácidos Grasos Libres” A.O.C.S Official Method Ca 5a-40. -Objetivo: Cuantificar la cantidad de ácidos libres presentes en la muestra de aceite crudo de palma.. -Definición: Es la cantidad, en mg, de hidróxido de potasio necesaria para neutralizar los ácidos libres presentes en 1,0 g de muestra de aceite. El contenido de ácidos libres para el aceite de palma se expresa como el porcentaje de ácido palmítico en la muestra.. -Materiales:. •. Erlenmeyer 250 ml.. •. Balanza analítica. •. Bureta de 25 ml. •. Plancha con barra de agitación magnética.. -Reactivos:. • Hidróxido de sodio estandarizado 0.1 N • Etanol al 95 % neutralizado • Fenoftaleina 1%. 42.

(54) IM-2006-I-11. -Procedimiento:. 1. El alcohol debe dar una distinción del punto final con la fenoftaleina y tiene que estar neutralizado con hidroxilo, para mantener el color rosa permanente antes de ser usado.. 2. Pesar 7 g de la muestra y agregarlos al erlenmeyer. (ver tabla Ca 5a-40 A.O.C.S, para determinar las cantidades de muestra y alcohol según el grado de acidez). 3. Agregar 100 ml de alcohol y 2 ml de indicador al erlenmeyer. 4. Titular con el hidróxido agitando vigorosamente hasta encontrar la apariencia de un color rosa permanente, de la misma intensidad como la del alcohol neutralizado antes de adicionarle la muestra. El color debe persistir más de 30 sec.. -Cálculos: Los ácidos grasos se expresan como ácido palmítico.. F .F . Apalmitic% =. ml. Alkali * N * 25.6 Weight.Sample. Los ácidos grasos se pueden expresar frecuentemente como le valor ácido, el cual se obtiene multiplicando el porcentaje obtenido anteriormente por 2.1917.. PRUEBA # 2: “Índice de Saponificación” A.O.C.S Official Method Cc 1-25. -Objetivo: Cuantificar la cantidad de hidroxilos necesarios para hidrolizar toda la cantidad de aceite en una muestra, para así conocer la cantidad exacta de ácidos grasos en la solución.. 43.

(55) IM-2006-I-11. -Definición: Es el número de mg de KOH requeridos para saponificar un gramo de muestra.. -Materiales:. •. Balón de fondo plano con cuello esmerilado adaptable a reflujo. •. Perlas de ebullición. •. Bureta de 25 ml. •. Refrigerante con cuello esmerilado con reflujo. •. Estufa de calentamiento. -Reactivos:. • Acido Clorhídrico 0.5 N • Fenolftaleina % • Hidróxido de Potasio 0.5 N. -Procedimiento:. 1. Pesar 2 g de muestra aproximadamente. 2. Agregar 25 ml exactamente de KOH 3. Adaptar el refrigerante de reflujo, llevar a ebullición y mantener durante 60 min., agitando por rotación de vez en cuando.. 4. Retirar de la fuente de calor y enfriar hasta la temperatura ambiente, sin retirar el condensador.. 5. Juagar el condensador con agua destilada. 6. Agregar varias gotas de fenolftaleina y titular con HCL 0.5 N 7. Realizar las mismas mediciones a una prueba en blanco 44.

(56) IM-2006-I-11. -Cálculos:. indice.Saponificacion =. 56.1 * N * (V − V ' ) P. V = volumen en ml de ácido clorhídrico 0.5 N utilizado en el blanco V’= volumen en ml de Ácido clorhídrico 0.5 N utilizado en la muestra N = normalidad exacta del ácido clorhídrico utilizado P = peso en g de la muestra de grasa.. ANEXO 2. JABONES OBTENIDOS Las fotografías muestran los jabones de sodio y calcio obtenidos en el laboratorio. Jabón de Sodio. Jabón de Calcio. ANEXO 3. GRASAS OBTENIDAS La fotografía muestra las grasas de sodio (izquierda) y la de calcio (derechas) obtenidas en el laboratorio. 45.

(57) IM-2006-I-11. ANEXO 4. PRUEBA LAVADO CON AGUA Las siguientes fotografías muestran el montaje desarrollado para la prueba de lavado con agua según las especificaciones de la norma ASTM D1264.. 46.

(58) IM-2006-I-11. A continuación se muestra un acercamiento de la carcaza contenedora con la tobera de agua en funcionamiento. En la siguiente fotografía se puede apreciar la muestra de grasa dentro del rodamiento de prueba antes de comenzar con el experimento. 47.

(59) IM-2006-I-11. 48.

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