La storia dei grassi lubrificanti risale a più di 3.000 anni fa, quando le antiche civiltà utilizzavano materiali come il grasso di montone e di manzo come grassi primitivi per gli assali. L’era moderna dello sviluppo dei grassi ha avuto inizio con la scoperta del petrolio negli Stati Uniti, che ha portato alla creazione di grassi multiuso negli anni ’30 e ’40. Oggi il grasso a base di idrossistearato di litio, scoperto nel 1942, rappresenta oltre il 50% del mercato e uno dei campi di applicazione più complessi è quello dei cuscinetti volventi. In figura 1 è mostrata un’immagine ingrandita di un tipico grasso al litio.

Le prestazioni eccezionali dei grassi lubrificanti sono in gran parte dovute alle loro proprietà reologiche, che determinano il modo in cui scorrono e si comportano in condizioni diverse. I grassi presentano una combinazione unica di caratteristiche tipiche dei solidi e dei liquidi, che li rendono resistenti alle perdite e altamente mobili quando sono sottoposti a forze di taglio.

Immaginate un cuscinetto volvente riempito di grasso a riposo. In questo stato, il grasso si comporta come un solido e non può fuoriuscire facilmente dal cuscinetto. Questo è un vantaggio fondamentale rispetto all’utilizzo del solo olio, perché garantisce che il lubrificante rimanga in posizione, anche nelle aree in cui non agiscono forze di taglio, come sugli orletti, sulle tenute e sul supporto dei cuscinetti.

Tuttavia, quando il cuscinetto inizia a ruotare, il grasso subisce una notevole trasformazione. Poiché è sottoposto a forze di taglio, la viscosità apparente del grasso diminuisce, consentendogli di scorrere più facilmente. Questo comportamento di fluidificazione al taglio è dovuto alla microstruttura del grasso, costituita da un reticolo di fibre formate dalle molecole dell’addensante.

Nella fase iniziale di “sbattimento” del cuscinetto il grasso è sottoposto a una notevole energia di taglio, che provoca l’allineamento delle fibre e la temporanea interruzione del reticolo. Ciò comporta una significativa diminuzione della viscosità del grasso, che lo rende altamente mobile e in grado di fluire nelle aree critiche del cuscinetto.

Mentre il cuscinetto continua a funzionare, il grasso entra nella fase di “rilascio”, in cui vi è solo un flusso molto lento. Durante questa fase, le riserve semistazionarie di grasso, che si formano nelle aree non interessate dal moto degli elementi volventi del cuscinetto, rilasciano lentamente l’olio di base, reintegrando i sottili strati lubrificanti nelle piste di rotolamento. Questo rifornimento è fondamentale per la durata del cuscinetto, perché garantisce un apporto costante di lubrificante.

Per comprendere il complesso comportamento dei grassi lubrificanti, abbiamo sviluppato diversi modelli e simulazioni. Uno di questi approcci prevede l’utilizzo della dinamica molecolare a grana grossa, che consente di studiare le interazioni tra i componenti del grasso a livello di mesoscala. Si veda in figura 2 un esempio del tipo di sistemi che simuliamo. Si noti che, sebbene venga mostrata solo un’immagine bidimensionale, le simulazioni sono tridimensionali.

In questo studio abbiamo creato un modello computazionale che simula una sospensione di fibre interagenti e semiflessibili, che rappresentano l’addensante del grasso. Queste fibre sono immerse in un solvente implicito, che rappresenta l’olio di base. Regolando la lunghezza, la rigidità e la concentrazione delle fibre, abbiamo potuto esaminare in modo approfondito come questi parametri influenzino le proprietà reologiche del grasso. La figura 3 mostra una rappresentazione visiva delle interazioni tra le fibre utilizzate nel nostro schema di modellazione.

Le simulazioni hanno evidenziato diversi spunti interessanti. In primo luogo, abbiamo riscontrato che le fibre più lunghe e più rigide, così come le fibre a concentrazioni più elevate, tendono ad allinearsi maggiormente con la direzione del taglio applicato. Questo allineamento è il risultato della resistenza delle fibre alla deformazione, perché è meno probabile che le fibre più rigide e più lunghe collassino o cambino il proprio orientamento in presenza di forze di taglio.

Inoltre, dalle simulazioni è emerso che la viscosità del grasso aumenta con la lunghezza, la rigidità e la concentrazione delle fibre. Ciò è in linea con i modelli teorici esistenti, che prevedono che la presenza di particelle non sferiche, come le fibre del grasso, aggiunga resistenza al flusso, con il conseguente aumento della viscosità (Figura 4).

È interessante notare che siamo riusciti ad approfondire il comportamento individuale delle fibre. Abbiamo scoperto che la deformazione di taglio applicata al grasso allunga le fibre e aumenta le sollecitazioni di trazione al loro interno. L’energia per legame rimane costante nello stato di equilibrio, ma aumenta quando la lunghezza della fibra è sottoposta a taglio, rendendo le fibre di lunghezza maggiore più inclini a rompersi a causa delle sollecitazioni più elevate.

Inoltre, abbiamo analizzato il comportamento del grasso in condizioni di taglio oscillatorio, che simula le condizioni di carico dinamico presenti in molte applicazioni. Dalle simulazioni è emerso che il modulo di accumulo (che rappresenta la componente elastica) e il modulo di rilascio (che rappresenta la componente viscosa) aumentano con la lunghezza, la rigidità e la concentrazione delle fibre, come mostrato in figura 5. Questo dato è coerente con le osservazioni sperimentali e fornisce preziose indicazioni sulle proprietà viscoelastiche del grasso.

Lo schema di modellazione completo sviluppato in questo studio offre un potente strumento per esplorare il comportamento del grasso su scale di tempo e di lunghezza non facilmente accessibili attraverso gli esperimenti. Anche se i risultati attuali sono principalmente qualitativi, prevediamo che questo approccio servirà come base preziosa per lo sviluppo di formulazioni di grasso più avanzate e per l’ottimizzazione delle relative prestazioni in varie applicazioni.

In conclusione, i grassi lubrificanti sono materiali straordinari che si sono evoluti nel corso dei secoli e il loro complesso comportamento continua ad affascinare ricercatori e ingegneri. Svelando i misteri della reologia dei grassi attraverso una modellazione computazionale avanzata possiamo comprendere meglio questi lubrificanti versatili e aprire la strada allo sviluppo di soluzioni ancora più efficienti e affidabili per moltissimi settori.