Estudios tribológicos, de oxidación y de conductividad térmica de nanopartículas de disulfuro de molibdeno (MoS2) sintetizadas por microondas como nanopartículas.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 14108 (2022) Citar este artículo

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La lubricación se ha vuelto esencial para mejorar la eficiencia del motor en la era de la rápida globalización. Las propiedades tribológicas, de oxidación y de conductividad térmica de un aceite de motor desempeñan un papel vital en la mejora de la calidad de vida del motor de un vehículo. En esta investigación, se sintetizó nanopartículas de disulfuro de molibdeno (MoS2) mediante un reactor hidrotermal de microondas. Posteriormente, las nanopartículas se dispersaron en aceite de motor diésel SAE 20W50 para formular el nanolubricante. Los resultados muestran que el nanolubricante con una concentración de MoS2 de 0,01% en peso mostró que el coeficiente de fricción, el diámetro promedio de la cicatriz de desgaste disminuyó en un 19,24% y 19,52%, respectivamente, en comparación con el aceite base. Además, el nanolubricante con una concentración de 0,01% en peso de nanopartículas de MoS2 mostró una mejora del 61,15% en el tiempo de inducción de la oxidación en comparación con el aceite base. Además, la adición de MoS2 dentro del aceite base demuestra una mejora de ~ 10 % en la conductividad térmica en comparación con el aceite base.

La industria del automóvil está bien centrada en enfatizar las propiedades ecológicas, de calidad, durabilidad y eficiencia energética. Por ejemplo, en un vehículo de pasajeros convencional1, el 79% del combustible se disipa debido a la pérdida de energía. La pérdida de energía y las fallas mecánicas son causadas principalmente por la fricción y el desgaste. La fricción y el desgaste consumen alrededor de 1/3 de la energía global predominante, y más de la mitad de la energía corresponde a la fricción de los equipos de transporte2. Además, las piezas desgastadas representan casi 4/5 de los fallos mecánicos3. La fricción también contribuye a problemas importantes como la corrosión de la superficie y la contaminación del medio ambiente. Como resultado, reducir la fricción y el desgaste es fundamental para extender la vida útil de los equipos mecánicos, mejorar la eficiencia del combustible y reducir las emisiones.

La lubricación es una de las formas más confiables de reducir el desgaste por fricción, el ahorro de energía, la protección del medio ambiente y la disminución de carbono4. Se han utilizado muchas soluciones para reducir la fricción y el desgaste para cumplir los objetivos de conservación de energía. Mejorar el perfil de textura de la ranura en condiciones de lubricación hidrodinámica puede aumentar la capacidad de carga de la película de aceite5. Por otro lado, sus propiedades tribológicas comúnmente son causadas por condiciones de fricción y son propensas a fallar por desgaste después de un largo período de servicio. Dado que pueden establecer una capa de lubricación hidrodinámica o elastohidrodinámica en la superficie de contacto durante el deslizamiento por fricción, los lubricantes líquidos se utilizan con frecuencia en la industria automotriz6. Además de los aceites lubricantes, ocasionalmente se pueden utilizar líquidos iónicos como lubricantes líquidos7. Durante las fases de inicio y parada de las piezas mecánicas, o cuando se produce un entorno de alta fricción, los lubricantes líquidos no pueden establecer una capa lubricante continua en el medio de las superficies de fricción. En este caso se producen fases de lubricación límite y de lubricación mixta, lo que da lugar a una mayor fricción y desgaste. La aplicación de aditivos lubricantes es el método más destacado para disminuir la fricción y el desgaste mediante la lubricación límite8. Los fosfatos orgánicos, los sulfuros orgánicos y los compuestos metálicos orgánicos son aditivos lubricantes tradicionales con una fuerte estabilidad de dispersión y cualidades tribológicas. En términos de toxicología, la producción de cenizas sulfatadas, fósforo y azufre (SAPS), que pueden producir contaminación del aire como lluvia ácida y clima brumoso9 y erosión química, son los problemas que enfrenta el medio ambiente en diversos grados. Aunque otros aditivos, incluidos los líquidos iónicos, tienen buenas propiedades tribológicas, su uso en la industria se ve limitado por su alto costo y su falta de respeto al medio ambiente10,11. Los nanolubricantes utilizan nanopartículas como aditivos lubricantes en el lubricante base, donde el diámetro de las partículas suele estar entre 1 y 100 nm12. Los experimentos in situ muestran que la incorporación de nanolubricantes en aceites base o recubrimientos reduce significativamente la fricción y el desgaste y, al mismo tiempo, exhibe propiedades tribológicas intrigantes. Este estudio tiene como objetivo mejorar las cualidades tribológicas del aceite de motor diésel utilizando nanoaditivos. Este es el primer intento de sintetizar nanopartículas de MoS2 utilizando la ruta de síntesis por microondas para aplicaciones tribológicas. La síntesis de nanopartículas utilizando un método avanzado de síntesis por microondas ahorra tiempo, energía y produce mejores propiedades tribológicas, de oxidación y de conductividad térmica que el método hidrotermal tradicional13. Luego se determinaron los parámetros fisicoquímicos de las nanopartículas de MoS2 y las nanopartículas se dispersaron en aceite de motor a base de diésel para desarrollar un nuevo nanolubricante. A continuación, se investigaron las características tribológicas, de oxidación y térmicas. El objetivo principal de este estudio es crear nanopartículas de MoS2 utilizando tecnología de microondas, que ha mejorado las propiedades tribológicas, de oxidación y térmicas cuando se dispersa en aceite de motor diésel. Esta investigación allanará el camino para el desarrollo de nuevos nanoaditivos de MoS2 sintetizados por microondas para aceite de motor diésel.

La Figura 1 muestra la morfología de las nanopartículas de MoS2 en (a) 25.000 × y (b) 100.000 aumentos. Las nanopartículas son nanohojas laminares laminares distribuidas uniformemente, bien facetadas, densamente cultivadas, semiverticales y entrelazadas con bordes rugosos, lo que confirma la morfología de las nanohojas del MoS2 formado. La Figura 1b muestra las nanohojas no uniformes con tamaños de aproximadamente 150 a 300 nm. Sin embargo, varias nanohojas están apiladas y se ven aglomeradas. La distribución uniforme y homogénea de molibdeno y azufre a través de la nanohoja se muestra en el mapeo elemental EDS de alta resolución en la Fig. 1c, d. Además, el espectro EDS de la muestra de MoS2 en la Fig. 2 confirma la existencia de azufre y molibdeno. El análisis de superficie cuantitativo correspondiente de EDS en la Tabla 1 presenta la distribución elemental de azufre y molibdeno.

( a, b ) Microscopio electrónico de barrido por emisión de campo (FESEM) ( c, d ) Mapeo de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS) de la nanopartícula de MoS2 sintetizada.

El espectro EDS de las nanopartículas de MoS2.

La Figura 3 muestra los picos de difracción XRD de MoS2 en 2 = 14,5°, 33,0°, 39,3°, 58,5° y 69,7°, que pueden denominarse (002), (100), (103), (110). , y (201) picos de fase MoS2 hexagonal pura según la tarjeta JCPDS nº 371492, que concuerdan con estudios previos14,15. El ensanchamiento de pico implica que el tamaño cristalino es muy pequeño. Para los picos XRD (100) y (103), la diferencia de magnitud entre el patrón de referencia en la tarjeta JCPD y la nanopartícula sintetizada se debe a diferencias en la textura, la diferencia de tamaño de los cristalitos y el tamaño de los dominios de dispersión. El tamaño de los cristalitos se estima utilizando la ecuación de Scherrer. (1)

donde D es el tamaño del cristalito (nm), K = 0,9 (constante de Scherrer), λ es la longitud de onda de los rayos X, β es el ancho total a la mitad del máximo (FWHM) y θ representa la posición del pico.

Patrón XRD de nanopartículas de MoS2.

Según la ecuación. (1), el tamaño de los cristalitos de las nanopartículas de MoS2 fue de 53,6 nm. Además, no se encuentran otros picos de fases separadas o impurezas en los patrones de XRD, lo que indica que la estructura cristalina de las nanohojas de MoS2 es de alta pureza.

La Figura 4 muestra los espectros FTIR de la nanopartícula MoS2. Los picos se confirmaron utilizando la biblioteca de aplicaciones FTIR y las revistas. Ambas muestras tienen fuertes bandas de absorción a 485 cm-1, 905 cm-1, 1120 cm-1 y 1665 cm-1. El enlace Mo-S es responsable de la banda a 485 cm-1, mientras que el enlace S-S es responsable de la banda a 905 cm-1. Las vibraciones de estiramiento del grupo hidroxilo y las vibraciones Mo-O son responsables de la banda de absorción entre 1120 y 1665 cm-116. Al revelar los grupos funcionales presentes en el estudio, los espectros FTIR confirman aún más la formación de MoS2.

Gráfico de espectroscopía FTIR de nanopartículas de MoS2.

La estabilidad de los nanolubricantes MoS2 contra la sedimentación mediante observación visual mostró que las cuatro concentraciones diferentes de 0,1% en peso, 0,05% en peso, 0,01% en peso y 0,005% en peso de nanolubricantes a base de MoS2 fueron estables contra la sedimentación durante 21 días (Fig. 5). . El potencial zeta es importante ya que su magnitud se utiliza para determinar la estabilidad de dispersiones coloidales. Como se muestra en la Tabla 2, el valor del potencial zeta del nanolubricante MoS2 con concentraciones de MoS2 de 0,05% en peso, 0,01% en peso y 0,005% en peso es superior a 60 mV, lo que indica que la naturaleza de las nanopartículas de MoS2 es extremadamente estable en el nanolubricante. Mientras que el 0,1% en peso mostró un valor de potencial zeta más bajo, lo que indica una estabilidad deficiente en el aceite del motor ya que la concentración de nanopartículas es la más alta.

Observación visual de la estabilidad de la dispersión de nanolubricantes MoS2 en diferentes concentraciones.

La dispersión con un potencial zeta más alto (negativo o positivo) es eléctricamente estable, mientras que aquellas con un potencial zeta más bajo se aglomeran o floculan. En general, el valor arbitrario de 25 mV (positivo o negativo) distingue un exterior con baja carga de un exterior con alta carga. La dispersión con un potencial zeta de 40 a 60 mV se considera bastante consistente, mientras que aquellas con más de 60 mV se consideran extremadamente estables. El valor del potencial zeta es directamente proporcional a la estabilidad de dispersión de los materiales17.

El coeficiente de fricción del nanolubricante MoS2 con concentraciones variables de% en peso de nanopartículas de MoS2 en el aceite base se muestra en la Fig. 6. Sin ningún nanoaditivo, el coeficiente de fricción del aceite base fue 0,0946. Se encontró que el coeficiente de fricción del aceite base con nanopartículas de MoS2 era menor que el del aceite base puro. En comparación con el aceite base, el COF se redujo al 2%, 10,25%, 19,24% y 11,73% para 0,1% en peso, 0,05% en peso, 0,01% en peso y 0,005% en peso, respectivamente. Cuando el porcentaje de MoS2 en el nanolubricante aumentó del 0,01% en peso, algunas nanopartículas de MoS2 se aglomeran, lo que da como resultado un tamaño de partícula secundaria más grande. Como resultado, la fricción y el desgaste empeorarían, lo que provocaría un aumento del COF. La concentración más baja de nanopartículas de MoS2, 0,005% en peso, fue insuficiente para cubrir toda la superficie de contacto, lo que resultó en un COF mayor que el 0,01% en peso de MoS2. Esto sugiere que 0,01% en peso de nanolubricante MoS2 es la mejor concentración para reducir el COF. El deslizamiento de nanohojas provoca este fenómeno en las asperezas y superficies deformadas de nanohojas individuales en las interfaces para producir una capa protectora conocida como tribopelícula, que disminuye el COF18,19,20. El desarrollo de una tribopelícula que comprende nanohojas ayuda a reducir la fricción causada por el deslizamiento de las capas individuales de nanohojas.

COF del nanolubricante MoS2.

Los hallazgos muestran algunos daños causados por el desgaste adhesivo bajo la tensión aplicada debido a la fricción por deslizamiento continuo. Debido a su mayor energía superficial y a sus muchos enlaces S colgantes, las nanopartículas de MoS2 pueden reaccionar fácilmente y producir una capa protectora resistente a la abrasión en las superficies de contacto. Las nanohojas de MoS2 quedarán cautivadas en superficies de fricción, generando una película adsorbida y formando enlaces S – O o S – Fe. La capa de óxido en las superficies del sustrato proporcionó O y Fe. El recubrimiento adsorbido eliminó el contacto directo entre los contactos de fricción y aumentó las características tribológicas21. El efecto de una lubricación límite firme entre los pares de fricción desarrolla una tribopelícula protectora. Debido a la lubricidad adecuada, esto puede resultar en una excelente capacidad para resistir fallas por corte.

La Figura 7 presenta detalles del diámetro de la cicatriz de desgaste del nanolubricante MoS2 con varios % en peso de nanopartículas de MoS2 en concentraciones de aceite base. La imagen del diámetro de la cicatriz de desgaste creada en las bolas de acero durante las pruebas tribológicas se muestra en la Fig. 8. Cuando se realizó la prueba de cuatro bolas para el estudio tribológico, la WSD para el aceite base sin adición de nanopartículas fue de 0,0953. Sin embargo, agregar nanopartículas de MoS2 al aceite base minimiza la WSD. En comparación con el aceite base, el WSD se reduce en un 1,8%, 10,6%, 19,52% y 16,5% para 0,1% en peso, 0,05% en peso, 0,01% en peso y 0,005% en peso, respectivamente. Esto demuestra que 0,01% en peso de MoS2 produce la WSD más baja en el análisis tribológico. En la Fig. 8, las imágenes de cicatrices de desgaste del aceite base (A), nanolubricante con 0,1% en peso (B) y 0,05% en peso (C) de MoS2 exhibieron ranuras concéntricas más oscuras, lo que indica desgaste abrasivo, pero porcentajes más pequeños de MoS2, como 0,01. El % en peso (D) y el 0,005 % en peso (E) mostraron pistas de desgaste más suaves, lo que indica una disminución de las superficies de contacto entre las bolas de acero. El surco más oscuro es más profundo, mientras que el surco más claro es menos profundo. Suresha et al.22 hicieron una observación similar. Estas crestas son responsables de depositar las nanopartículas de MoS2 firmemente sobre la superficie de desgaste, lo que resulta en una reducción del desgaste. Huang et al. informaron de un proceso similar con láminas de grafito23. En otro experimento, Hernández et al. demostró que las nanopartículas se agregan en la región de la cicatriz de desgaste24. En comparación con el aceite base que contenía nanopartículas de MoS2, la imagen de la cicatriz de desgaste de la bola de acero lubricada por el aceite base mostraba muchas crestas amplias y profundas. Esto podría deberse a que muchas nanohojas de MoS2 penetran más fácilmente en el contacto del lubricante. Además, las nanoláminas pueden crear una capa continua sobre las superficies de fricción debido a su excelente adherencia al contacto, mejorando las cualidades tribológicas. Este fenómeno se conoce como efecto de reparación, donde las nanopartículas de MoS2 se depositan y ocupan las ranuras de las superficies desgastadas de las superficies que se frotan, evitando el contacto directo entre las dos superficies y reduciendo la WSD. Los resultados tribológicos experimentales descritos anteriormente implican que con una concentración ideal de 0,01% en peso de MoS2 en el aceite del motor, tanto el COF como el WSD se pueden mejorar significativamente.

Perfil WSD promedio en nanolubricante MoS2.

Imágenes de bolas de acero después del análisis tribológico utilizando aceite base (A), 0,1% en peso de MoS2 (B) y 0,05% en peso de MoS2 (C), 0,01% en peso de MoS2 (D) y 0,005% en peso de MoS2 (E).

Según el estudio inicial, la formación de tribofilm y el efecto reparador es el mecanismo fundamental para disminuir el desgaste por fricción en el caso del nanolubricante a base de MoS2. Debido a la geometría plana del MoS2, puede deslizarse fácilmente entre las superficies del aceite. Además, el MoS2 se agrupará o aglomerará y precipitará a medida que aumente la concentración, lo que aumentará el desgaste y la fricción entre las superficies. La segregación de capas intermedias en capas distintas se atribuye al proceso de desgaste de las nanoláminas de MoS2 debido a interacciones repulsivas de Van der Waals o Coulombic más débiles en la compulsión de contacto25,26. Estos hallazgos indican que agregar MoS2 al lubricante mejora significativamente las capacidades tribológicas del nanolubricante.

En la industria del automóvil, los lubricantes soportan la oxidación causada por temperaturas intensas, cargas elevadas y contacto continuo con el aire. La oxidación acelera el proceso de degradación de los aceites base y aditivos, lo que disminuye su rendimiento, eficiencia y vida útil. Los resultados de la OIT de los nanolubricantes se muestran en la Fig. 9. En comparación con el aceite base, la OIT mejoró en un 12,17 %, 65,68 %, 61,15 % y 25,46 % para 0,1 % en peso, 0,05 % en peso, 0,01 % en peso, y 0,005% en peso, respectivamente. El nanolubricante con 0,05% en peso de nanopartículas de MoS2 mostró la OIT más alta en comparación con otras concentraciones de formulación de nanolubricante.

OIT de nanolubricante MoS2 con diferentes concentraciones.

Debido al efecto sinérgico del MoS2 con el ditiofosfato de zinc-dialquilo (ZDDP), se incrementaron las características antioxidantes del nanolubricante. El aditivo ZDDP es uno de los aditivos más utilizados en el sector de la automoción. Es más reconocido por sus características antidesgaste, pero también contiene características antioxidantes y de extrema presión. La capacidad del fosfato para digerir óxidos parece estar relacionada con las capacidades antidesgaste del ZDDP. Varios autores27,28,29 han demostrado una interacción sinérgica entre MoDTC y ZDDP debido a la producción de MoS2. Los lubricantes se someten a un proceso de oxidación de tres pasos. Se produce un radical libre en la primera etapa, la iniciación. El radical libre se combina con el oxígeno para producir radicales peróxido en la segunda etapa llamada propagación. Después de la combinación con otros componentes lubricantes, estos radicales presentan radicales adicionales. En la tercera fase, dos radicales se unen para formar una molécula estable, conocida como etapa de terminación. El efecto sinérgico del MoS2 con ZDDP promueve la donación de hidrógeno, lo que detiene el proceso de propagación de radicales. Hace que la OIT del nanolubricante sea mayor. El nanolubricante con 0,1% en peso, 0,01% en peso y 0,005% en peso de nanopartículas de MoS2 posee una OIT más baja que el 0,05% en peso y el 0,01% en peso, ya que las concentraciones mencionadas no son óptimas para proporcionar una OIT más alta en el nanolubricante. La mejora sustancial en la OIT de los nanolubricantes muestra que el efecto sinérgico de las nanopartículas de MoS2 y ZDDP puede exhibir una buena estabilidad a la oxidación, mejorando las propiedades antioxidantes de los nanolubricantes.

A partir del análisis tribológico y de oxidación, el nanolubricante con 0,01% en peso de nanopartículas de MoS2 proporciona buenos resultados en comparación con otras concentraciones de nanopartículas de MoS2 en nanolubricante. Por lo tanto, esta concentración se investigó más a fondo para determinar su conductividad térmica utilizando el método del flash láser. La adición de MoS2 dentro del aceite base demuestra una mejora en la conductividad térmica, como se muestra en la Fig. 10. La conductividad térmica del nanolubricante mostró una mejora de aproximadamente ~ 10 % en comparación con el aceite base. Debido a la menor concentración de nanopartículas de MoS2 (0,01 en peso%), la mejora notable en la conductividad térmica fue causada por las colisiones moleculares entre el aceite base y las nanopartículas30,31,32,33,34. Además, el comportamiento de la conductividad térmica percibido durante la investigación indica que esta mejora se debe al mecanismo de percolación y a la participación del movimiento browniano de la nanohoja35,36,37. Además, los fonones de las nanopartículas se dispersan en las nanoestructuras activas, mejorando la conductancia de contacto38.

Conductividad térmica de 0,01% en peso de nanolubricante con aceite base.

Posteriormente se desarrollan canales de conducción térmica, lo que mejora la conductividad térmica. Este escenario se conoce como mecanismo de percolación. Además, la transferencia térmica entre las nanopartículas en colisión aumentó la conductividad térmica del nanolubricante. Por ejemplo, en la Fig. 10, la conductividad térmica del nanolubricante aumenta más que la del aceite base después de la temperatura de 60 °C a medida que se produce un movimiento browniano más intenso de las nanopartículas39. Este fenómeno de transporte térmico en el nanolubricante se debió al atributo fisicoquímico del aceite base, así como a la colaboración con las nanopartículas de refuerzo.

En el análisis tribológico, el nanolubricante con una concentración de 0,01% en peso de nanopartículas de MoS2 muestra los mejores resultados en la reducción del coeficiente de fricción y el diámetro de la cicatriz de desgaste con una disminución del 19,24% y del 19,52% en comparación con el COF del aceite base. Se debe a la formación de una película protectora conocida como tribofilm, que se forma entre las superficies de fricción, lo que reduce significativamente el COF. La reducción de WSD fue causada por el fenómeno conocido como efecto de reparación, donde las nanopartículas de MoS2 se depositan y llenan los surcos en las rayas desgastadas de las superficies que se frotan, evitando el contacto directo entre las dos superficies y reduciendo la WSD. En el análisis de OIT, el nanolubricante con una concentración de 0,01 % en peso de nanopartículas de MoS2 muestra los mejores resultados con una mejora del 65,68 % en OIT en comparación con el aceite base. Las nanopartículas de MoS2 pueden exhibir una buena estabilidad a la oxidación, mejorando las propiedades antioxidantes de los nanolubricantes. Por lo tanto, la incorporación de nanopartículas de MoS2 mejora significativamente el rendimiento de los nanofluidos, ya que el nanolubricante con una concentración de nanopartículas de MoS2 del 0,01% en peso proporciona el mejor resultado en COF, WSD y OIT en comparación con otras concentraciones. Además, la adición de MoS2 demostró una tendencia de mejora en la conductividad térmica con una mejora de ~ 10 % en comparación con el aceite base. Esto se debe al mecanismo de percolación, que puede aumentar la conductividad térmica. Todas las pruebas confirman que el nanolubricante a base de MoS2 al 0,01 % en peso mostró la mayor mejora en el análisis tribológico, de oxidación y de conductividad térmica.

Todas las sustancias químicas utilizadas en el experimento fueron de calidad analítica y se utilizaron tal como se recibieron sin purificación adicional. Productos químicos como el tetrahidrato de molibdato de amonio ((NH4)6Mo7O24.4H2O) (Fisher Chemicals- Chicago, EE. UU.), tiourea (SC(NH2)2) (R&M Chemicals- Dundee, Reino Unido) y etanol (CH3CH2OH) (Sigma-Aldrich, EE. UU. ) se utilizaron para la síntesis de nanopartículas de MoS2. El aceite lubricante utilizado fue aceite de motor diésel API SAE 20W50 CD/SE GL-4.

Para sintetizar nanopartículas de MoS2, todos los precursores se midieron estequiométricamente y se calcularon con la mayor precisión posible utilizando una balanza analítica Sartorius PRACTUM224-1S con una precisión de ± 0,1 mg. Posteriormente, en 35 mL de agua desionizada se disolvieron un mmol de molibdato de amonio tetrahidrato ((NH4)6Mo7O24.4H2O) y 30 mmol de tiourea (SC(NH2)2). La solución se agitó a 700 RPM durante 20 min a temperatura ambiente con un agitador de placa caliente Fisherbrand™ Isotemp™. Para la reacción de síntesis, se utilizó un sistema de plataforma de microondas (Milestone flexiWAVE). La solución homogénea se transfirió a un recipiente de teflón de la plataforma de síntesis de microondas. La solución se calentó a 200 °C durante 15 min. Una vez finalizada la síntesis, la mezcla de reacción se dejó enfriar de forma natural hasta temperatura ambiente (~26 °C). Luego, las muestras se centrifugaron utilizando una centrífuga de mesa universal Sartorius Centrisart® D-16C (Göttingen, Alemania) con una velocidad máxima de 9000 min-1. Las muestras se lavaron varias veces con agua desionizada antes de remojarlas en etanol. Luego, las muestras se secaron durante 12 h en un horno de convección por gravedad Memmert UN55 (Schwabach, Alemania) a 70 °C. A continuación, el polvo se trituró suavemente utilizando un mortero de ágata natural de 50 mm y su mano. La Figura 11 ilustra el proceso general involucrado en la síntesis de las nanopartículas de MoS2.

Diagrama esquemático de la preparación de nanopartículas de MoS2 mediante síntesis avanzada por microondas.

Para sintetizar el nanolubricante, se dispersaron por separado 0,1% en peso, 0,05% en peso, 0,01% en peso y 0,005% en peso de las nanopartículas de MoS2 recolectadas por separado en 100 ml de aceite de motor diésel SAE 20W50. Luego, la mezcla se homogeneizó durante 10 minutos a 5000 RPM usando un mezclador de laboratorio de alto cizallamiento Silverson L5M-A. Las muestras se sonicaron más durante 30 minutos en un baño ultrasónico Cole-Parmer (Vernon Hills, EE. UU.) para mejorar la estabilidad y garantizar que todas las nanopartículas se mezclaran uniformemente en el aceite base sin aglomeración. Los nanolubricantes formulados fueron muy estables durante más de una semana. La Figura 12 muestra el proceso general de formulación de nanolubricantes. Los nanolubricantes MoS2 con diversas concentraciones se prepararon y almacenaron en un recipiente sellado a temperatura ambiente para realizar análisis adicionales de su aplicación, como tribología, tiempo de inducción de oxidación y conductividad térmica.

Flujo de proceso de formulación de nanolubricante MoS2.

Las nanopartículas de MoS2 se caracterizaron fisicoquímicamente mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM), espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS), difractómetro de rayos X (DRX) y espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Además, el nanolubricante MoS2 se caracterizó mediante potencial Zeta y observación visual. Toda la caracterización físico-química de las nanopartículas y nanolubricantes de MoS2 es la que se describe a continuación:

El tamaño y la morfología de las nanopartículas de MoS2 se estudiaron utilizando un FEI Quanta 400F, EE. UU., uniendo las muestras a trozos con cinta de carbono conductora. La máquina funcionó a un alto vacío de 20 kV. Para obtener los detalles morfológicos de las muestras, se utilizaron diferentes aumentos desde 25.000 × hasta 100.000 ×. Además, las composiciones elementales de las nanopartículas de MoS2 también se evaluaron mediante espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS).

Se utilizó un difractómetro de rayos X PANalytical para recopilar datos de XRD. Se escaneó una muestra de nanopartículas de MoS2 de 20 a 80 grados con un tamaño de paso de 1 grado/min. El tamaño de la rendija de divergencia es de 0,9570 grados. Se utilizó material de cobre para generar rayos X con una longitud de onda (K alfa) de 1,54 angstroms. Los rayos X se filtraron a través de Ni utilizando un voltaje operativo de 45 kV y una corriente de 27 mA.

Se empleó espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), Spectrum Two™ Perkin Elmer (L160000M), para identificar los grupos funcionales de nanopartículas de MoS2. Los espectros se obtuvieron a partir de un número de onda espectral de 500 a 4000–1 con 200 exploraciones.

El potencial zeta de las suspensiones se determinó utilizando el Zetasizer Nano (Malvern, Worcestershire, Reino Unido) para determinar su estabilidad. Entre la superficie de la partícula y el líquido de dispersión existe un potencial eléctrico en el plano de deslizamiento. El dispositivo combina electroforesis y velocimetría láser Doppler, que detecta la velocidad de una partícula en un líquido cuando se ejerce energía eléctrica. Debido a que se conocen el índice de viscosidad del petróleo y la constante dieléctrica, que es 115 y 2,4, la ecuación de Henry utiliza la ecuación de Smoluchowski para calcular el potencial Zeta.

La estabilidad de los nanolubricantes MoS2 frente a la sedimentación se estudió mediante observación visual. Se controló visualmente la estabilidad frente a la sedimentación de las muestras en tubos de centrífuga durante 21 días.

Se utilizó un tribotester TR-30L de cuatro bolas Ducom para evaluar el COF y el WSD promedio de nanolubricantes MoS2 con concentraciones de 0,1% en peso, 0,05% en peso, 0,01% en peso y 0,005% en peso, así como el aceite base. Se sumergieron bolas de acero en nanolubricantes para realizar pruebas tribológicas en las que una bola de acero gira en contacto con otras tres bolas de metal en un diagrama de bolas. El diámetro de la bola de acero utilizada en la prueba fue de 12,7 mm. Los parámetros físicos de la bola de acero utilizada se enumeran en la Tabla 3. Para evitar la contaminación, las bolas de acero y los aparatos asociados se lavaron en etanol y se secaron antes de los experimentos tribológicos. La velocidad de rotación, la carga aplicada, el tiempo y la temperatura fueron 12.000 rpm, 392,5 N, 3600 s y 75 °C, según la norma ASTM 4172-94. Bajo el contacto de fricción de las cuatro bolas de metal, las condiciones estándar ASTM 4172–94 ayudan en el examen temprano de las cualidades antidesgaste del lubricante. La Tabla 4 enumera los parámetros operativos de un tribotester de cuatro bolas. El COF del nanolubricante se determinó mediante el procesador de datos principal del tribotester. El diámetro de la cicatriz de desgaste fue evaluado mediante el dispositivo de adquisición de imágenes. Después de la prueba de las cuatro bolas, se mide el diámetro de la cicatriz desgastada de las bolas metálicas fijas para determinar el grado de desgaste. Durante todo el experimento, el lubricante se mantuvo a una temperatura constante de 75 °C. Las bolas de acero se lavaron con etanol y la cicatriz desgastada se estudió con un microscopio óptico. El coeficiente de fricción se midió usando la ecuación. (2)

donde μ es el coeficiente de fricción para las muestras experimentales, el par de fricción promedio, τ en kg-cm y p, es la carga ejercida durante la realización de la investigación.

La OIT de los nanolubricantes MoS2 se determinó utilizando DSC a presión en cuatro concentraciones diferentes: 0,1% en peso, 0,05% en peso, 0,01% en peso, 0,005% en peso y el aceite base. Estas pruebas se lograron con el calorímetro de barrido diferencial de alta presión (HP-DSC) 25P del instrumento TA. El uso de HP-DSC para estudiar la estabilidad oxidativa de nanolubricantes requiere una cámara de muestra hermética. HP-DSC mide el flujo de temperatura para sustancias sensibles a la presión atribuyendo el flujo de calor de un recipiente de referencia en blanco a un recipiente de muestra. Este procedimiento se llevó a cabo en condiciones aceleradas de 500 psi de presión y 200 °C de temperatura isotérmica. Para todos los experimentos, se colocaron aproximadamente 3,2 mg de nanolubricante en el HP-DSC y primero se permitió que las muestras se equilibraran a 50 °C. La Tabla 5 enumera los parámetros operativos del P-DSC. La relación entre la constante de velocidad cinética (k) y la temperatura (T) en expresiones cinéticas, como las que rigen las mediciones de OIT, viene dada por la expresión de Arrhenius en (3)

donde k(T) es la constante de velocidad específica a la temperatura T (1/min), Z representa el factor preexponencial (1/min), E representa la energía de activación (J/mol), R es la constante molar del gas ( 8,3143 J/mol K), y T representa la temperatura absoluta (K).

Primero se inyectaron las muestras en el anillo de muestra con una jeringa. A continuación se introdujo la muestra en el anillo de muestra, lo que era fundamental para una irradiación homogénea. Finalmente, los discos de sellado superior e inferior se rociaron con grafito antes de ensamblar los componentes del portamuestras para promover la absorción del cuerpo negro. El calentamiento se aplicó desde temperatura ambiente hasta 140 °C a una velocidad de 10 °C/min. La atmósfera de la cámara es nitrógeno. Los parámetros de funcionamiento del NETZSCH 467 HT HyperFlash® se muestran en la Tabla 6.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado. Hay datos adicionales disponibles del autor correspondiente previa solicitud.

Holmberg, K. & Erdemir, A. El impacto de la tribología en el uso de energía y las emisiones de CO2 a nivel mundial y en los motores de combustión y los automóviles eléctricos. Tríbol. En t. 135, 389–396 (2019).

Artículo de Google Scholar

He, F., Xie, G. & Luo, J. Fallas en rodamientos eléctricos en vehículos eléctricos. Fricción 8(1), 4–28 (2020).

Artículo de Google Scholar

Holmberg, K. y col. Consumo global de energía debido a la fricción en camiones y autobuses. Tríbol. En t. 78, 94-114 (2014).

Artículo de Google Scholar

Luo, J. & Zhou, X. Ingeniería superlubricante: la industria del futuro casi eliminará el desgaste y el consumo de energía por fricción. Fricción 8, 643–665 (2020).

Artículo de Google Scholar

Wang, W. y col. Optimización del perfil de textura de la ranura para mejorar el rendimiento de la lubricación hidrodinámica: teoría y experimentos. Fricción 8(1), 83–94 (2020).

Artículo de Google Scholar

Uzoma, PC y cols. Tribología de nanomateriales 2D: una revisión. Recubrimientos 10(9), 897 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Hua, J. y col. Fricción controlable de líquidos iónicos verdes a través de la humedad ambiental. Adv. Ing. Madre. 22(5), 1901253 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Deshpande, P. et al. Efecto de agregar nanopartículas de TiO2 a un lubricante que contiene MoDTC sobre el comportamiento tribológico de los contactos acero/acero en condiciones límite de lubricación. Tríbol. Letón. 68(1), 1-13 (2020).

Artículo de Google Scholar

Spikes, H. Aditivos antidesgaste bajos y nulos en cenizas, fósforo y azufre para aceites de motor. Lubr. Ciencia. 20(2), 103–136 (2008).

Artículo CAS Google Scholar

Huang, G. y col. Líquidos iónicos solubles en aceite como aditivos antidesgaste y de extrema presión en poli-α-olefina para contactos acero/acero. Fricción 7(1), 18–31 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Jiang, C. y col. Evaluación tribológica de líquidos iónicos respetuosos con el medio ambiente derivados de biomateriales renovables. Fricción 6(2), 208–218 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Shafi, WK y Charoo, M. Sistemas de nanolubricación: una descripción general. Madre. Hoy Proc. 5(9), 20621–20630 (2018).

Artículo de Google Scholar

Salomón, G. et al. Síntesis hidrotermal asistida por microondas versus síntesis hidrotermal convencional de nanoláminas de MoS2: aplicación a la reacción de evolución de hidrógeno. Cristales 10(11), 1040 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Salomón, G. et al. Nanocompuestos Ag2S/MoS2 anclados sobre óxido de grafeno reducido: rápida transferencia de carga interfacial para la reacción de desprendimiento de hidrógeno. Aplicación ACS. Madre. Interfaces. 11(25), 22380–22389 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Park, S.-K. et al. Un método simple asistido por l-cisteína para el crecimiento de nanoláminas de MoS2 en nanotubos de carbono para baterías de iones de litio de alto rendimiento. Trans. Dalton. 42(7), 2399–2405 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Nagaraju, G. y col. Síntesis hidrotermal de haces de nanofibras de MoS2 amorfo mediante acidificación de tetrahidrato de heptamolibdato de amonio. Resolución a nanoescala. Letón. 2(9), 461–468 (2007).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Wang, B. y col. Papel de los materiales nanométricos como aditivos lubricantes en la reducción de la fricción y el desgaste: una revisión. Use 490, 204206 (2022).

Artículo de Google Scholar

Ing, TC y col. El efecto de la temperatura sobre el comportamiento tribológico de la estearina de palma RBD. Tríbol. Trans. 55(5), 539–548 (2012).

Artículo CAS Google Scholar

Ordóñez, M. et al. Formación de tribopelículas durante el deslizamiento en seco de compuestos a base de grafito y MoS2 obtenidos mediante sinterización por plasma por chispa. Tríbol. En t. 160, 107035 (2021).

Artículo de Google Scholar

Kohlhauser, B. y col. Formación reactiva in situ y autoensamblaje de nanoescamas de MoS2 en tribopelículas de carbono para baja fricción. Madre. Des. 199, 109427 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Xu, Y., et al. Nano-MoS 2 y aditivos de grafeno en aceite para aplicaciones tribológicas. En Nanotecnología en las industrias del petróleo y el gas 151–191. (Springer, 2018).

Suresha, B., et al. Comportamiento tribológico del aceite de pongamia como lubricante con y sin nanotubos de halloysita utilizando un probador de cuatro bolas. En Actas de la Conferencia AIP. (AIP Publishing LLC, 2019).

Huang, H. y col. Una investigación sobre las propiedades tribológicas de las nanoláminas de grafito como aditivo para aceites. Use 261(2), 140–144 (2006).

Artículo CAS Google Scholar

Battez, AH y cols. Comportamiento de prevención del desgaste de la suspensión de nanopartículas en condiciones de presión extrema. Use 263(7–12), 1568–1574 (2007).

Artículo de Google Scholar

Fan, W. y col. Renormalización del espectro vibratorio mediante acoplamiento forzado a través de la brecha de van der Waals entre las monocapas de Mo S 2 y WS 2. Física. Rev.B 92(24), 241408 (2015).

ADS del artículo Google Scholar

Ma, H., Shen, Z. y Ben, S. Comprensión de la exfoliación y dispersión de nanohojas de MoS2 en agua pura. J. Ciencia de la interfaz coloidal. 517, 204–212 (2018).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Grossiord, C. et al. Interacciones triboquímicas entre Zndtp, Modtc y borato de calcio. Tríbol. Letón. 8(4), 203–212 (2000).

Artículo CAS Google Scholar

Muraki, M., Yanagi, Y. & Sakaguchi, K. Efecto sinérgico sobre las características de fricción en condiciones de deslizamiento y rodadura debido a una combinación de dialquilditiocarbamato de molibdeno y dialquilditiofosfato de zinc. Tríbol. En t. 30(1), 69–75 (1997).

Artículo CAS Google Scholar

Bec, S. y col. Efectos sinérgicos de MoDTC y ZDTP sobre el comportamiento de fricción de tribopelículas a escala nanométrica. Tríbol. Letón. 17(4), 797–809 (2004).

Artículo CAS Google Scholar

Taha-Tijerina, J., et al. Nanofluidos de gestión de energía basados en estructuras 2D. En Congreso y Exposición Internacional de Ingeniería Mecánica ASME. (Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, 2012).

Taha-Tijerina, J. et al. Nanoaceites térmicos aislantes eléctricamente mediante rellenos 2D. ACS Nano 6(2), 1214–1220 (2012).

Artículo CAS Google Scholar

Ribeiro, H. et al. Conductividad térmica mejorada y propiedades mecánicas de nanocompuestos de poliuretano híbridos MoS2/h-BN. J. Aplica. Polimero. Ciencia. 135(30), 46560 (2018).

Artículo de Google Scholar

Zeng, Y.-X. et al. Preparación y mejora de la conductividad térmica de nanofluidos MoS2 a base de aceite de transferencia de calor. J. Nanomater. 2013, 15 (2013).

Google Académico

Yan, R. y col. Conductividad térmica del disulfuro de molibdeno monocapa obtenido a partir de espectroscopía Raman dependiente de la temperatura. ACS Nano 8(1), 986–993 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Lee, S. y col. Simulación dinámica molecular: estudio de los efectos del movimiento browniano y la microconvección inducida en nanofluidos. Número. Transf. de calor. Solicitud de la Parte A. 69(6), 643–658 (2016).

ADS del artículo Google Scholar

Peña-Parás, L. et al. Dependencia de la temperatura del comportamiento a presión extrema de los aditivos de nanopartículas de CuO y TiO2 en lubricantes poliméricos formadores de metales. Lubricante de Indiana. Tríbol. 39, 28 (2017).

Artículo de Google Scholar

Teruel, M. et al. Nanofluidos 2D a base de MoSe2 preparados mediante exfoliación en fase líquida para aplicaciones de transferencia de calor en la concentración de energía solar. Sol. Materia energética. Sol. Celdas 200, 109972 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Shin, S. y Chen, R. Mediciones de transporte térmico de nanoestructuras utilizando microdispositivos suspendidos. En Transporte de energía a nanoescala, 12-1 (2020).

Ribeiro, HI et al. Nanorellenos híbridos MoS2/h-BN como aditivos sinérgicos de refuerzo y disipación de calor en nanocompuestos epoxi. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 11(27), 24485–24492 (2017).

Artículo de Google Scholar

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Esta investigación fue apoyada por la Universidad de Defensa Nacional de Malasia a través de su programa de becas de investigación de posdoctorado y posgrado (PS0022-UPNM/2022/GPPP/SG/7) y la beca de investigación individual de la Universidad Sunway (GRTIN-IGS-GAMRG[S]-14 -2022).

Facultad de Ciencia y Tecnología de la Defensa, Universidad de Defensa Nacional de Malasia, Kuala Lumpur, Malasia

Thachnatharen Nagarajan y Nanthini Sridewi

Grupo de Investigación de Grafeno y Materiales 2D Avanzados (GAMRG), Escuela de Ingeniería y Tecnología, Universidad Sunway, Selangor, Malasia

Mohammad Khalid y Priyanka Jagadish

Departamento de Ciencias, Escuela de Tecnología, Universidad Pandit Deendayal Petroleum, Gandhinagar, Gujarat, India

Syed Shahabuddin

Centro de Nanotecnología y Materiales Avanzados (CENTAM), Facultad de Ingeniería, Campus de Malasia de la Universidad de Nottingham (UMNC), 43500, Semenyih, Selangor, Malasia

Kasturi Muthoosamy

Departamento de Ingeniería Química, Escuela de Nuevas Energías e Ingeniería Química, Universidad de Xiamen Malasia, Jalan Sunsuria, Bandar Sunsuria, 43900, Sepang, Selangor, Malasia

Rashmi Walvekar

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TN realizó los experimentos y escribió el texto principal del manuscrito; MK, NS, SS y RW diseñaron y supervisaron los experimentos; KM y PJ realizaron la caracterización, analizaron los datos y prepararon las cifras. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Mohammad Khalid o Nanthini Sridewi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Nagarajan, T., Khalid, M., Sridewi, N. et al. Estudios tribológicos, de oxidación y de conductividad térmica de nanopartículas de disulfuro de molibdeno (MoS2) sintetizadas por microondas como nanoaditivos en aceite de motor diésel. Representante científico 12, 14108 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16026-4

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Recibido: 13 de abril de 2022

Aceptado: 04 de julio de 2022

Publicado: 18 de agosto de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16026-4

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