Biolubricantes inteligentes con capacidad electrorreológica a partir de aceites vegetales nanopartículas

Abstract

Los lubricantes son sustancias que reducen la fricción y el desgaste de las piezas móviles en contacto, esenciales para la maquinaria industrial y otras aplicaciones. La investigación actual se centra en la búsqueda de nuevas soluciones lubricantes más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. Una de las soluciones de vanguardia es el empleo de los llamados “lubricantes inteligentes”, que son capaces de controlar activamente la fricción. En este sentido, los lubricantes basados en el efecto electrorreológico (ER) pueden adaptarse a las condiciones de operación, permitiendo un control activo del proceso de lubricación. El comportamiento reológico (viscosidad y módulos viscoelásticos) de estos fluidos varía al aplicar un estímulo eléctrico. Así pues, esta Tesis Doctoral propone el empleo de biolubricantes inteligentes, basados en el efecto ER mediante el uso de nanopartículas polarizables naturales y aceites vegetales, en pos de una lubricación activa y, a la vez, sostenible. Para ello, inicialmente, se ha explorado la capacidad de polarización de nanoarcillas (Cloisite 15A y Pangel B20) y nanocelulosas cristalina (CNC) y fibrilada (CNF), mostrando todas ellas una buena capacidad de polarización. Posteriormente, se evaluó su comportamiento reológico y tribológico en ausencia y en presencia de campo eléctrico. En ausencia de campo eléctrico, las dispersiones de Pangel B20 mostraron un fuerte carácter pseudoplástico, mientras que Cloisite 15A sólo mostró un comportamiento diferente al newtoniano a concentraciones mayores al 1.3 % en peso. También se demostró que ambas nanoarcillas tenían propiedades de reducción de la fricción y el desgaste, así como de soporte de carga, sobre todo en el caso de Pangel B20. Por otro lado, las dispersiones de nanocelulosas mostraron un comportamiento newtoniano, así como propiedades antifricción, antidesgaste y de soporte de carga.

En presencia de un campo eléctrico de hasta 4 kV/mm, se analizó el comportamiento electrorreológico de estas dispersiones. Las de nanoarcillas mostraron un comportamiento pseudoplástico, siguiendo un modelo de Bingham, con la existencia de un esfuerzo umbral, que creció hasta en tres órdenes de magnitud para dispersiones de Cloisite 15A y de sólo uno para dispersiones de Pangel B20. Al analizar el efecto ER de las dispersiones de nanocelulosas, también se observó un aumento del esfuerzo umbral de hasta tres órdenes de magnitud, así como la existencia de un valor crítico del campo eléctrico a partir del cual la dependencia del esfuerzo umbral con éste resultó menos acusada. Estas dispersiones se ajustaron bien al modelo de Cho-Choi-John y se ha modelizado la estructura formada por las partículas en función de la concentración, la velocidad de cizalla y el campo eléctrico aplicado. En concreto, estas partículas se alinearon formando cadenas simples cuando la concentración fue baja, llegando a formar redes entrelazadas a concentraciones del 4 % en peso. También se analizó el comportamiento tribológico de estas dispersiones en presencia de campo eléctrico. Éste se evaluó mediante el empleo, por una parte, de un contacto de tipo bola sobre tres placas y, por otra parte, de un inédito rodamiento de bolas axial, modificado para la aplicación de campos eléctricos. Se demostró que estas dispersiones, tanto de nanoarcillas como de nanocelulosas, respondían con una modificación del coeficiente de fricción a demanda, en función del campo eléctrico aplicado y la concentración de nanopartícula. Además, se observaron otros efectos positivos, como evitar la eyección de lubricante fuera de la zona de contacto del rodamiento, por la acción de la fuerza centrífuga, así como una reducción del desgaste. De forma transversal, la incorporación de nanopartículas polarizables a aceites de fritura usados, valorizándolos para formar lubricantes ER sostenibles, también permitió un control electroactivo del comportamiento reológico, así como la modificación activa del coeficiente de fricción. -----------------------------------------------------------------------------------------

Lubricants are substances aimed to reduce friction and wear of moving parts in contact, essential for industrial machinery and other applications. Current investigation focusses on the search for new, more sustainable and environmentally friendly lubricant solutions. One of the cutting-edge solutions is the use of the so-called “smart lubricants”, which are capable of actively controlling friction. Within this context, lubricants based on the electrorheological (ER) effect may be adapted to the operating conditions, allowing for an active control of the lubrication process. Rheological behaviour (viscosity and viscoelastic moduli) of these fluids can vary and be controlled upon application of an electrical stimulus. Thus, this PhD Thesis deals with the use of smart biolubricants, based on the ER effect through polarizable nanoparticles and vegetable oils, in the pursuit of active and, at the same time, sustainable lubrication. To comply with this, initially, the polarization capacity of nanoclays and nanocelluloses has been explored. Both Cloisite 15A and Pangel B20 nanoclays, as well as crystalline and fibrillated nanocelluloses (CNC and CNF, respectively) showed a good polarization capacity. Subsequently, their rheological and tribological performance was evaluated in the absence and presence of an electric field. In the absence of electric field, Pangel B20 dispersions showed a strong pseudoplastic behaviour, while Cloisite 15A only showed a behaviour different from Newtonian at concentrations higher than 1.3 wt.%. Both nanoclays have also showed friction- and wear-reducing properties, as well as enhanced load-carrying capabilities, especially in the case of Pangel B20. On the other hand, nanocellulose dispersions showed a Newtonian behaviour for all the studied concentrations, as well as anti-friction, anti-wear and load-carrying properties. In the presence of an electric field, the electrorheological behaviour of these dispersions was analysed. Cloisite 15A and Pangel B20 dispersions showed a noticeable pseudoplastic behaviour in the presence of an electric field of up to 4 kV/mm. They followed the Bingham model, with the existence of a yield stress, which was increased up to three orders of magnitude for Cloisite 15A dispersions and only one for Pangel B20 dispersions. As far as the CNC and CNF nanocelluloses are concerned, an increase in the yield stress of up to three orders of magnitude was also found, as well as the existence of a critical value of electric field upon which the E-dependency of the yield stress was less important. The Cho-Choi-John model fitted their behaviour fairly well, and the structures formed by the particles have been modelled as a function of concentration, shear rate and the applied electric field. Particularly, these particles formed narrow chains when the concentration was low, and fully entangled networks at concentrations of 4 wt.%. The tribological behaviour of these dispersions in the presence of an external electric field was also analysed. This was evaluated by using, on the one hand, a ball-on-three-plates contact and, on the other hand, an unprecedented axial ball bearing prototype, suitably modified for the application of electric potentials. It was reported that these dispersions, both nanoclays and nanocelluloses, responded to an external electric stimulus with the modification of the friction coefficient on demand, as a function of the applied electric field and concentration. In addition, other effects were observed, such as mitigating the ejection of lubricant out of the bearing contact zone, due to the action of centrifugal forces, as well as a reduction in wear. In addition, the incorporation of polarizable nanoparticles into waste cooking oils to form added value and sustainable ER lubricants, also allowed for an electroactive control of the rheological behaviour, as well as the friction coefficient.