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Jul 10, 2023

Evaluación del desempeño sinérgico de MoS2.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12559 (2023) Citar este artículo 338 Accesos Detalles de métricas En este estudio, se sintetizaron nanopartículas híbridas MoS2-hBN utilizando un microondas avanzado.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12559 (2023) Citar este artículo

338 Accesos

Detalles de métricas

En este estudio, se sintetizaron nanopartículas híbridas MoS2-hBN utilizando una plataforma de microondas avanzada para nuevas formulaciones de nanolubricantes. Las nanopartículas sintetizadas se caracterizaron mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo, espectroscopia de rayos X de dispersión de energía, difracción de rayos X y espectroscopia Raman. Luego, las nanopartículas híbridas se introdujeron en un aceite de motor diésel 20W40 para producir un nanolubricante. Se investigaron las propiedades físicas y químicas del nanolubricante, incluido el índice de viscosidad, la estabilidad, la volatilidad, las propiedades tribológicas, las propiedades de oxidación y la conductividad térmica. Los resultados mostraron que la inclusión de 0,05% en peso de nanopartículas híbridas MoS2-hBN en el aceite redujo significativamente el coeficiente de fricción y el diámetro de la cicatriz de desgaste en un 68,48% y 35,54%, respectivamente. Además, mostró una mejora sustancial de la oxidación y la conductividad térmica del 38,76% y 28,30%, respectivamente, a 100 °C. Estos hallazgos demuestran el potencial de las nanopartículas híbridas MoS2-hBN como un aditivo eficaz para mejorar significativamente las propiedades del nanolubricante. Además, este estudio ofrece información valiosa sobre los mecanismos subyacentes responsables de las mejoras observadas. Los resultados prometedores de esta investigación contribuyen al avance de los lubricantes basados ​​en nanotecnología, mostrando su potencial para mejorar la eficiencia del motor y prolongar la vida útil de la maquinaria.

El transporte es un contribuyente clave al consumo global de energía y a las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), que impulsan el cambio climático y el calentamiento global. Una parte importante de la energía consumida en el transporte se utiliza para superar la fricción y el desgaste de las partes móviles de un vehículo, lo que genera importantes pérdidas de energía e impactos ambientales1,2. Por tanto, es fundamental reducir la fricción y garantizar que los elementos mecánicos de los sistemas sean resistentes al desgaste3. La lubricación desempeña un papel fundamental para lograr estos objetivos al reducir la fricción y el desgaste, conservar la energía, reducir las emisiones y prolongar la vida útil de los componentes. En presencia de un lubricante, se forma una película deslizante que reduce significativamente la fricción, el desgaste y el desgaste entre las superficies de contacto4,5,6. La lubricación de máquinas depende en gran medida de las cualidades tribológicas de los medios lubricantes. Sin embargo, los lubricantes tradicionales enfrentan limitaciones para satisfacer las crecientes demandas de lubricación de alto rendimiento en condiciones extremas y al mismo tiempo ser respetuosos con el medio ambiente7,8,9.

Los avances recientes en nanomateriales han allanado el camino para el desarrollo de nanolubricantes diseñados a nanoescala para exhibir un rendimiento tribológico del motor, características del aceite y economía de combustible mejorados10,11. Los nanolubricantes han surgido como una solución prometedora para abordar los desafíos de sostenibilidad del transporte al reducir el consumo de energía, minimizar el desgaste y reducir las emisiones. Para mejorar aún más las propiedades tribológicas, térmicas y oxidativas del aceite de motor SAE 20W40, este estudio investiga el efecto sinérgico de un híbrido de nanopartículas de disulfuro de molibdeno (MoS2) y nitruro de boro hexagonal (hBN) como aditivos. Al incorporar el híbrido MoS2-hBN, este estudio tiene como objetivo mejorar el rendimiento del aceite del motor. MoS2 es un nanomaterial altamente eficaz para reducir la fricción y el desgaste debido a sus excelentes propiedades lubricantes. Como resultado, se ha convertido en un aditivo popular en lubricantes12,13,14. Las nanopartículas de MoS2 tienen una estructura cristalina hexagonal y sus propiedades de lubricidad intrínsecas se deben a las débiles fuerzas de van der Waals entre las capas sándwich S-Mo-S y la carga positiva pura en la superficie, lo que provoca que se propague la repulsión electrostática. Esto permite que las capas con fuerzas moleculares débiles se deslicen fácilmente unas sobre otras, reduciendo la fricción y el desgaste en las superficies de contacto15,16.

De manera similar, el hBN es otro nanomaterial comúnmente utilizado para aditivos lubricantes17,18. El hBN tiene varias ventajas, incluida la misma estructura cristalina que el grafeno, lo que lo convierte en un “grafeno blanco”19,20. El hBN es un isomorfo de grafito con átomos de boro y nitrógeno que llenan las subredes A y B que no interactúan en la estructura de Bernal. El excelente comportamiento tribológico de hBN surge del fuerte enlace iónico en el plano de la red cristalina hexagonal más plana. Además, el hBN es altamente inerte y carece de enlaces colgantes o atrapamiento de carga superficial, lo que contribuye aún más a sus propiedades excepcionales21,22.

Estas nanopartículas híbridas se sintetizaron utilizando una plataforma avanzada de síntesis por microondas, lo que redujo significativamente el tiempo de síntesis y el consumo de energía23. Este trabajo intenta arrojar luz sobre el mecanismo subyacente por el cual el aditivo híbrido MoS2-hBN mejora el comportamiento del aceite base. Se están investigando parámetros como el coeficiente de fricción, el diámetro de la cicatriz de desgaste, el tiempo de inducción de oxidación (OIT) y la volatilidad de Noack para comprender mejor los efectos del aditivo. Los hallazgos de este estudio proporcionarán información valiosa sobre la mejora del rendimiento del aceite de motor mediante el uso de aditivos híbridos MoS2-hBN.

Caracterización química y estructural de nanopartículas.

En la Fig. 1, se utilizaron los espectros XRD y Raman para investigar las características fisicoquímicas de MoS2, nanopartículas de hBN y partículas híbridas de MoS2-hBN sintetizadas. Según el análisis XRD en la Fig. 1a, los picos de difracción en 2θ = 14,5°, 33,0°, 39,3°, 58,5° y 69,7° están relacionados con (002), (100), (103), (110). y (201) picos de la fase MoS2 pura (JCPDS no. 371492)24,25. Los picos de difracción de hBN se ilustran en 2θ = 27,4°, 42,7°, 43,6 y 54,3 picos de los planos (002), (100), (101) y (004)26,27. La nanopartícula híbrida exhibió los mismos picos vinculados con ambas nanopartículas, sin nuevos picos ni cambios significativos con respecto a los espectros de difracción originales de MoS2 o hBN. Se utilizó la ecuación de Scherrer para estimar el tamaño de los cristalitos.

( a ) Espectro XRD de las nanopartículas híbridas MoS2-hBN, hBN y MoS2. ( b ) Espectros Raman de las nanopartículas híbridas MoS2-hBN, hBN y MoS2.

Para estimar el tamaño de los cristalitos de la nanoestructura híbrida MoS2-hBN, la ecuación. (1), donde D representa el tamaño del cristalito en nanómetros, K es la constante de Scherrer establecida en 0,9, λ es la longitud de onda de los rayos X, β es el ancho total a la mitad del máximo (FWHM) y θ es el pico. posición. El valor resultante para el tamaño de los cristalitos de la nanoestructura híbrida MoS2-hBN fue de 75,6 nm.

La Figura 1b muestra el espectro Raman de las nanohojas de MoS2, que revela las bandas características de esta nanoestructura. El primer pico a 367 cm-1 se atribuye al modo vibratorio E12g, mientras que el segundo pico a 406 cm-1 se relaciona con el modo A1g. Estos modos corresponden a vibraciones en el plano de los átomos de azufre y molibdeno en diferentes direcciones y a vibraciones fuera del plano (A1g) de los átomos de azufre. Se observó un pico intenso para la muestra que contenía hBN. Sin embargo, los picos de hBN solo se detectaron ligeramente, posiblemente debido a la profundidad de penetración limitada del láser Raman en la superficie de las nanopartículas de MoS2 sobre la nanoestructura de hBN causada por la encapsulación de MoS2 en la superficie de hBN.

Las Figuras 2a a c presentan imágenes SEM con varios aumentos, espectro EDX y mapeo elemental de las nanopartículas híbridas MoS2-hBN. Las imágenes revelan que las nanopartículas tienen una distribución uniforme con bordes corrugados uniformemente facetados. Normalmente, el tamaño lateral del hBN es menor que el del MoS2, lo que puede llenar los huecos, baches y espacios entre las escamas de MoS2, reduciendo la porosidad y la rugosidad de la superficie de la nanopartícula híbrida. El tamaño y el grosor de las escamas oscilan entre 100 y 300 nm, lo que confirma que se encuentran en el rango nanométrico. Esta nanoestructura ofrece una relación superficie-volumen significativa para que se produzcan reacciones y, al mismo tiempo, minimiza la posibilidad de agregación de nanopartículas. Además, durante la síntesis avanzada de microondas, MoS2 encapsula la superficie de las láminas de hBN y se intercala entre las capas de MoS2, induciendo el acoplamiento entre capas entre las capas híbridas. La Figura 2 ilustra la distribución uniforme y homogénea de molibdeno (Mo), azufre (S), boro (B), oxígeno (O) y nitrógeno (N) en la nanohoja mediante una composición de mapeo EDS de alta resolución. El espectro EDS de las nanopartículas híbridas MoS2-hBN representadas en la Fig. 2d confirma la existencia de elementos Mo, S, B, N y O, mientras que el análisis cuantitativo de superficie correspondiente en la Fig. 2e demuestra la distribución elemental uniforme de los elementos respectivos. en híbrido MoS2-hBN.

(a – c) Imagen FESEM en tres niveles de aumento diferentes (Mo), (S), (B), (N) y (O) Composición del mapeo EDS (d) Espectro EDS (e) Distribución elemental del híbrido MoS2-hBN nanopartícula.

Caracterización fisioquímica de nanolubricantes.

La densidad, la viscosidad cinemática y el índice de viscosidad del nanolubricante con concentraciones variables de nanopartículas híbridas MoS2-hBN se presentan en la Tabla 1. Los resultados en la Tabla 1 indican que la adición de nanopartículas híbridas MoS2-hBN no afectó significativamente la densidad del aceite. Los aceites de motor deben reducir su viscosidad a bajas temperaturas para reducir la fricción, mejorar la eficiencia del combustible y mantener una viscosidad suficientemente alta a altas temperaturas para proteger las piezas del motor y garantizar la durabilidad. Esto se puede lograr manteniendo la viscosidad a altas temperaturas, lo que contribuye al aumento del índice de viscosidad del aceite del motor28,29. El índice de viscosidad (VI) es una medida del cambio en la viscosidad de un aceite debido a cambios de temperatura y se calculó en este estudio utilizando la ecuación. (2).

donde U representa la viscosidad cinemática del aceite a 40 °C, y L y H representan la viscosidad cinemática del aceite de referencia a 40 °C y 100 °C, respectivamente, según ASTM D2270.

La Tabla 1 presenta los valores de densidad, viscosidad cinemática y índice de viscosidad del nanolubricante con diversas concentraciones de nanopartículas híbridas MoS2-hBN. Los resultados indican que hay una ligera disminución en la viscosidad cinemática del aceite después de agregar las nanopartículas. Esta reducción puede atribuirse al efecto lubricante de las nanopartículas, que pueden disminuir la fricción entre las moléculas de aceite y las piezas móviles, reduciendo así la resistencia al flujo. Las nanopartículas híbridas pueden formar una capa límite entre los componentes del motor, reduciendo el contacto entre metales y la energía necesaria para el movimiento a altas velocidades de cizallamiento30,31,32.

Además, la adición de nanopartículas híbridas MoS2-hBN conduce a un aumento del 0,3 al 3,28 % en el índice de viscosidad del aceite del motor. Esto se debe a la capacidad de las nanopartículas de formar una película estable y uniforme sobre los componentes en movimiento, incluso bajo cargas y temperaturas elevadas, debido a su alta resistencia al corte. La formación de una capa protectora sobre las superficies metálicas por las nanopartículas ayuda a reducir la fricción y el desgaste entre los componentes del motor, manteniendo la viscosidad del aceite a temperaturas más altas y aumentando el índice de viscosidad13,33. Las nanopartículas híbridas MoS2-hBN también pueden mejorar la estabilidad térmica del aceite del motor, evitando que se descomponga y se diluya a altas temperaturas, lo que contribuye a un mayor índice de viscosidad. En general, la adición de nanopartículas híbridas MoS2-hBN puede mejorar el rendimiento de los aceites de motor al reducir la fricción y el desgaste, aumentar la estabilidad térmica y mantener el índice de viscosidad a altas temperaturas34,35.

El análisis del potencial zeta del nanolubricante híbrido MoS2-hBN se lleva a cabo para medir la carga eléctrica de las nanopartículas en el aceite del motor, y es un parámetro importante para evaluar la estabilidad de las nanopartículas híbridas en el aceite del motor. Este método para estudiar la estabilidad del nanolubricante es ampliamente utilizado por los investigadores36,37. La Figura 3 muestra los valores del potencial zeta del nanolubricante con diferentes concentraciones de nanopartículas híbridas MoS2-hBN antes y después de 14 días. La estabilidad del nanolubricante híbrido MoS2-hBN fue directamente proporcional a la intensidad de dispersión de las nanopartículas en el aceite del motor.

( a ) Valores potenciales Zeta del nanolubricante con diversas concentraciones de nanopartícula híbrida MoS2-hBN (b) estabilidad después de la formulación, día 0 y (c) estabilidad después del día 14.

Según la Fig. 3, los valores del potencial zeta para la mayoría de los nanolubricantes analizados en este estudio fueron superiores a 60 mV después de un período de síntesis de 14 días. Según la clasificación presentada en la Tabla 2, esto indica que las nanopartículas MoS2-hBN en el aceite del motor demostraron una excelente estabilidad. Las nanopartículas híbridas MoS2-hBN poseen una alta densidad de cargas superficiales negativas debido a la disociación de iones sulfuro (S2-), iones borato (BO3-) e iones nitruro (N3-) en la superficie de la partícula en el nanolubricante. Estas cargas negativas se repelen creando una fuerte barrera electrostática entre las partículas y evitando la aglomeración38,39. Como resultado, las nanopartículas de MoS2 permanecen bien dispersas en el medio líquido, lo que genera un alto valor de potencial Zeta. El alto potencial Zeta de los nanolubricantes híbridos MoS2-hBN tiene varias ventajas, incluida una estabilidad mejorada, una fricción reducida y una mayor resistencia al desgaste. Además, el alto potencial Zeta ayuda a prevenir la agregación de partículas, que de otro modo podría provocar la obstrucción de los canales de lubricación o provocar desgaste abrasivo36,40. Se realizaron pruebas de observación visual para evaluar la estabilidad de la formulación de nanolubricante después de la introducción de nanopartículas y durante 14 días, como se muestra en las figuras 3b, c. En particular, no se observó ningún cambio o sedimentación perceptibles durante la inspección visual. Esto indica que las nanopartículas se dispersaron de manera efectiva y se incorporaron bien dentro de la matriz de nanolubricante, exhibiendo una excelente estabilidad durante la duración especificada. La ausencia de alteraciones visuales o asentamientos afirma aún más la idoneidad de la formulación para posibles aplicaciones en sistemas tribológicos. Estos hallazgos aportan evidencia de la integración exitosa y la estabilidad a largo plazo de las nanopartículas dentro del nanolubricante, allanando el camino para un rendimiento tribológico mejorado y una vida útil extendida41,42.

La pérdida de aceite de motor debido a la volatilización ocurre a medida que aumenta la temperatura durante el funcionamiento del motor. Esto es particularmente importante para motores que funcionan a temperaturas más altas. Los motores de alto rendimiento, en particular, generan más calor, lo que puede provocar que el aceite se evapore más rápidamente. Si el aceite se evapora demasiado rápido, no puede proporcionar una lubricación adecuada, lo que provoca daños en el motor y una disminución del rendimiento. La prueba de volatilidad de Noack basada en ASTM D5800 es un método de prueba estandarizado que se utiliza para medir la pérdida por evaporación de aceites lubricantes y lubricantes. La Figura 4 muestra el análisis de volatilidad de Noack del nanolubricante con diversas concentraciones de nanopartículas híbridas MoS2-hBN. El aceite base mostró una pérdida por evaporación del 12,25%, mientras que todos los nanolubricantes a base de MoS2-hBN mostraron una menor pérdida por evaporación que oscilaba entre el 8,98 y el 10,22%. La adición del nanocompuesto al aceite de motor diésel mejora los resultados de la prueba de volatilidad de Noack. El nanocompuesto comprende MoS2 y hBN, los cuales tienen una alta estabilidad térmica y pueden soportar altas temperaturas sin descomponerse ni evaporarse. Como resultado, incluir estos elementos en el nanocompuesto ayuda a reducir la volatilización de los componentes de hidrocarburos más ligeros dentro del petróleo, lo que resulta en menores pérdidas totales por evaporación durante las operaciones a alta temperatura. Además, el nanocompuesto MoS2-hBN tiene capacidades de lubricación límite mejoradas, lo que es especialmente útil en circunstancias de presión severa cuando los componentes del motor entran en contacto directo de metal con metal44. El análisis exhaustivo indicó que a una concentración del 0,05% en peso, el nanocompuesto mostró la menor pérdida de peso durante la prueba. A medida que la concentración aumentó al 0,1% en peso, se observó una disminución adicional en la pérdida de peso. Estos hallazgos sugieren que la concentración óptima para minimizar la pérdida de peso es 0,05% en peso. A diferencia de esta concentración, tanto los niveles más altos como los más bajos resultaron en una mayor pérdida de peso. Estas observaciones subrayan la importancia de controlar con precisión la concentración del nanocompuesto MoS2-hBN en el aceite del motor para lograr la reducción deseada en la pérdida de peso durante la prueba de volatilidad de Noack. La incorporación de estas nanopartículas en nanolubricantes puede mejorar la estabilidad térmica del lubricante, lo que puede evitar la formación de deposición de lodos y reducir la tendencia del lubricante a vaporizarse durante el análisis de Noack45.

Los valores de la prueba de volatilidad NOACK de nanolubricante con diferentes concentraciones de nanopartícula híbrida MoS2-hBN.

Análisis tribológico del nanolubricante híbrido MoS2-hBN.

La Figura 5a muestra el COF del nanolubricante en diversas concentraciones de nanopartículas híbridas MoS2-hBN en el aceite del motor. Los resultados mostraron que el COF del aceite base (SAE20W40 puro) fue 0,0946. En comparación, el COF se redujo a 54,24%, 68,48%, 65,62% y 47,68% para 0,1% en peso, 0,05% en peso, 0,01% en peso y 0,005% en peso de las nanopartículas híbridas, respectivamente. La reducción del COF se atribuyó a la formación de una película límite o tribopelícula46,47,48. Cuando las nanopartículas de MoS2-hBN se introdujeron en las superficies en contacto, sufrieron una deformación por cizallamiento y se descompusieron en plaquetas más pequeñas. Estas plaquetas se adhirieron a las superficies y formaron una película o capa delgada, que actuó como una película límite protectora entre las superficies, reduciendo el contacto directo entre ellas y el coeficiente de fricción49,50. Las plaquetas en la película límite tenían una baja resistencia al corte, lo que les permitía deslizarse fácilmente unas contra otras y reducir aún más la fricción. Sin embargo, cuando la concentración de nanopartículas superó el 0,05% en peso, el COF aumentó debido a la aglomeración. Las nanopartículas aglomeradas pueden formar partículas duras que actúan como abrasivas y provocan un mayor desgaste de la superficie. La rugosidad creada por las nanopartículas aglomeradas también puede aumentar la fricción. La formación de una película límite estable y uniforme sobre las superficies es esencial para reducir la fricción y el desgaste de manera efectiva. El rendimiento tribológico del nanolubricante híbrido MoS2-hBN dependía de la concentración de nanopartículas. Se logró un rendimiento óptimo con una concentración del 0,05% en peso, que proporcionó el mejor equilibrio entre reducir la fricción y prevenir la aglomeración. Por tanto, es fundamental controlar la concentración de nanopartículas para garantizar el rendimiento óptimo del nanolubricante.

( a ) COF ( b ) el WSD promedio del nanolubricante híbrido MoS2-hBN (c) diagrama esquemático del mecanismo de lubricación del nanolubricante híbrido MoS2-hBN.

La Figura 5b muestra los diámetros de la cicatriz de desgaste (WSD) de nanopartículas híbridas MoS2-hBN en aceite de motor diésel SAE20W40 utilizando un perfilómetro óptico. La WSD de SAE20W40 puro sin la adición de nanopartículas híbridas fue de 444 µm. Se observó que la WSD del nanolubricante se redujo hasta un 35,54% con la adición de 0,05% en peso de MoS2-hBN. Esto se debe al establecimiento de una película delgada, como se mencionó anteriormente. Esta película actúa como una barrera que separa las superficies y reduce la fricción y el desgaste entre ellas51,52. Las nanopartículas de la película también absorben y distribuyen la carga uniformemente por las superficies, lo que reduce el desgaste localizado. Las nanopartículas de MoS2 y hBN son altamente resistentes a altas temperaturas y presiones, lo que las convierte en lubricantes eficaces para aplicaciones en condiciones extremas. Las fuertes fuerzas intermoleculares entre las nanopartículas les permiten adherirse fuertemente a las superficies que deben proteger, reduciendo la probabilidad de que sean desplazadas o eliminadas durante la operación. La estructura en capas de MoS2 y hBN también les permite deslizarse fácilmente entre sí, reduciendo aún más el desgaste de las superficies. El movimiento deslizante ayuda a distribuir la carga uniformemente entre las superficies, reduciendo el desgaste localizado y la formación de cicatrices de desgaste53. La Figura 5c muestra la ilustración gráfica del mecanismo de trabajo responsable de la mejora tribológica.

En las figuras 6a,b se muestran imágenes FESEM de cicatrices de desgaste creadas en un rodamiento de bolas durante las pruebas tribológicas. Se puede observar una diferencia significativa entre la cicatriz de desgaste creada en el rodamiento de bolas de acero con un aceite base y la superficie de desgaste del rodamiento de bolas probado con nanolubricante que contiene 0,05% en peso de nanopartículas híbridas MoS2-hBN, como lo indican las imágenes FESEM del desgaste. cicatriz en la Fig. 6c. La cicatriz de desgaste en el rodamiento de bolas de acero con aceite base es considerablemente más profunda que la del rodamiento de bolas probado con nanolubricante que contiene 0,05% en peso de nanopartículas híbridas MoS2-hBN. Es posible que los surcos profundos se redujeran con la adición de nanopartículas debido al efecto reparador de las nanopartículas híbridas MoS2-hBN. El efecto reparador se produce cuando la nanopartícula se deposita en las microfisuras y defectos de las superficies de contacto, creando así una superficie más suave y uniforme54. La combinación de MoS2 y hBN en una forma de nanocompuesto ofrece beneficios sinérgicos para reducir el diámetro promedio de la cicatriz de desgaste observado durante las pruebas tribológicas. Las nanopartículas de MoS2 poseen una capacidad de carga excepcional y propiedades de lubricación límite, lo que mitiga eficazmente el contacto y el desgaste entre metales. Estas nanopartículas forman un revestimiento robusto y de baja fricción en las superficies deslizantes, lo que reduce la fricción y minimiza el desgaste48,51,55. Además, las nanopartículas de hBN contribuyen significativamente a formar una película lubricante estable, reduciendo aún más la fricción y el desgaste17,18. El efecto combinado de los aditivos MoS2 y hBN en la formulación de nanocompuestos mejora las propiedades antidesgaste del aceite de motor, lo que resulta en una reducción en el diámetro promedio de las cicatrices de desgaste. Este efecto sinérgico se atribuye a las capacidades de carga del MoS2 y a la formación de la película lubricante del hBN, que en conjunto contribuyen al rendimiento superior del nanocompuesto en aplicaciones tribológicas. Estos hallazgos proporcionan información valiosa sobre el desarrollo de aditivos lubricantes avanzados y su posible aplicación para mejorar la durabilidad y eficiencia de los aceites para motores diésel. Estos hallazgos se pueden confirmar a partir del espectro elemental EDX donde se detectaron elementos Mo, S, B y N en la cicatriz del rodamiento de bolas probado con aceite base agregado con 0,05% en peso del híbrido MoS2-hBN y no se detectaron los elementos de las nanopartículas. en la cicatriz del rodamiento de bolas probado con el aceite base (Fig. 6b).

Imagen FESEM de la cicatriz de desgaste y el espectro elemental EDX correspondiente y la distribución atómica de (a) de SAE20W40 (b) SAE20W40 con nanopartícula híbrida MoS2-hBN al 0,05% en peso.

Análisis de oxidación y conductividad térmica del nanolubricante híbrido MoS2-hBN

La oxidación es un proceso químico que ocurre cuando el oxígeno reacciona con los hidrocarburos presentes en el aceite del motor. Este proceso puede generar una variedad de subproductos dañinos, como lodos, barnices y ácidos, que pueden afectar negativamente el rendimiento y la confiabilidad del vehículo. Para evaluar la resistencia de un lubricante a la oxidación, se realiza un análisis del tiempo de inducción de oxidación (OIT). La OIT es el tiempo que tarda el lubricante en oxidarse en condiciones controladas, y cuanto mayor es la OIT, más resistente es el lubricante a la oxidación. La Figura 7a ilustra la OIT de nanolubricante con diversas concentraciones de nanopartículas híbridas MoS2-hBN en aceite de motor. Se observó que la OIT del nanolubricante aumentó hasta un 38,76% con la adición de 0,05% en peso de nanopartículas híbridas MoS2-hBN. Esto se debe a las excepcionales propiedades antioxidantes del MoS2 y el hBN, que pueden mejorar la estabilidad oxidativa del aceite del motor. Cuando las nanopartículas se agregan al aceite del motor, se acumulan en la superficie de los componentes metálicos y forman una barrera protectora que evita una mayor oxidación. Las nanopartículas forman una capa protectora en la superficie de los componentes metálicos, lo que ayuda a reducir la fricción y el desgaste, y también inhibe la formación de radicales libres y otras especies oxidantes56,57. Esta barrera también previene la formación de depósitos dañinos, como lodos y barnices, que pueden acumularse en el motor e impedir el flujo de aceite a componentes cruciales. Al inhibir la formación de radicales libres y prevenir la formación de depósitos dañinos, la OIT del aceite de motor aumenta, lo que significa que el aceite permanece estable y eficaz durante un período de tiempo más largo. Esto puede dar como resultado un mejor rendimiento del motor y una mayor vida útil de los componentes58.

( a ) análisis OIT y ( b ) conductividad térmica del nanolubricante híbrido MoS2-hBN.

La conductividad térmica es una propiedad crucial del aceite de motor, ya que juega un papel importante en la capacidad del aceite para disipar el calor de los componentes del motor. Cuando un motor está en funcionamiento genera una enorme cantidad de calor, y es responsabilidad del aceite alejar este calor del motor para evitar el sobrecalentamiento y evitar fallas en los componentes59. En este estudio, se empleó el método de flash láser para determinar la conductividad térmica de los nanolubricantes formulados con nanopartículas híbridas MoS2-hBN. La Figura 7b muestra que la adición de nanopartículas híbridas MoS2-hBN en gasóleo basado en SAE20W40 aumentó significativamente la conductividad térmica del aceite del motor. Por ejemplo, agregar 0,05% en peso de nanopartículas híbridas MoS2-hBN aumentó la conductividad térmica en un 28,30% (a 100 °C). La incorporación de nanopartículas híbridas MoS2-hBN al aceite de motor mejora su conductividad térmica al crear más vías para la transferencia de calor dentro del aceite. Se sabe que estas nanopartículas híbridas poseen propiedades de alta conductividad térmica, ya que el MoS2 puede soportar temperaturas de hasta 400 °C, mientras que el hBN puede permanecer térmicamente estable a 1000 °C60,61. Cuando estas nanopartículas se agregan al aceite de motor, crean una red interconectada de vías dentro del aceite, lo que facilita la transferencia de calor desde los componentes del motor al aceite. Como resultado, el aceite actúa como un disipador de calor eficaz, mejorando el rendimiento del motor y evitando el sobrecalentamiento. Además, las nanopartículas también pueden mejorar las propiedades de transferencia de calor de los propios componentes del motor. A medida que las nanopartículas se acumulan en la superficie de los componentes metálicos, forman una capa delgada que puede mejorar el contacto térmico entre los componentes y el aceite circundante. Esto puede ayudar a reducir el gradiente de temperatura entre los componentes, reduciendo el riesgo de falla de los componentes y previniendo tensiones térmicas48,62.

Este estudio investigó el efecto de las nanopartículas híbridas MoS2-hBN sobre el comportamiento tribológico, de oxidación y de conductividad térmica del aceite de motor diésel SAE20W40. Las nanopartículas se sintetizaron utilizando una plataforma de microondas avanzada, lo que redujo significativamente el tiempo de síntesis y el consumo de energía. Las nanopartículas de MoS2 crecieron uniformemente en la superficie de las nanopartículas de hBN debido a la interacción entre sus grupos funcionales. La adición de 0,05% en peso de nanopartículas híbridas MoS2-hBN al aceite del motor redujo significativamente el coeficiente de fricción y el diámetro promedio de la cicatriz de desgaste en un 68,48% y 35,54%, respectivamente, en comparación con el aceite base. Además, las nanopartículas híbridas mejoraron significativamente la oxidación y la conductividad térmica en un 38,76% y un 28,30% (a 100 °C), respectivamente. El comportamiento tribológico mejorado del nanolubricante se puede atribuir a la formación de una capa protectora en la superficie de los componentes metálicos, que reduce la fricción y el desgaste e inhibe la formación de depósitos nocivos como lodos y barnices. Las nanopartículas también formaron una red de vías interconectadas dentro del aceite, lo que permitió una transferencia de calor más efectiva desde los componentes del motor al aceite. Estas propiedades mejoradas de transferencia de calor pueden ayudar a prevenir el sobrecalentamiento y reducir el riesgo de falla de los componentes. La síntesis de nanopartículas híbridas MoS2-hBN utilizando una plataforma de microondas avanzada ha mostrado una excelente mejora en las propiedades tribológicas, de oxidación y de conductividad térmica del aceite de motor diésel SAE20W40.

Materiales.

Para el experimento, todos los productos químicos adquiridos eran de calidad analítica y se utilizaron tal como se recibieron, sin modificaciones adicionales. Los productos químicos utilizados para la síntesis de nanopartículas híbridas MoS2-hBN fueron tetrahidrato de molibdato de amonio ((NH4)6Mo7O24·4H2O) obtenido de Fisher Chemicals en Chicago, EE. UU., tiourea (SC(NH2)2) y nitruro de boro hexagonal (hBN) adquiridos. de R&M Chemicals en Dundee, Reino Unido. El aceite lubricante utilizado en el experimento fue aceite de motor diesel con API SAE20W40 CD/SE GL-4.

Síntesis de nanopartículas híbridas MoS2-hBN.

La síntesis de nanopartículas híbridas MoS2-hBN se llevó a cabo utilizando una plataforma avanzada de síntesis hidrotermal por microondas. Inicialmente, se preparó una solución añadiendo gradualmente 3,7 g de tetrahidrato de molibdato de amonio y 6,85 g de tiourea a 105 ml de agua desionizada mientras se agitaba durante 30 minutos para asegurar una mezcla uniforme. Posteriormente, se añadió 1 g de polvo de hBN y la mezcla se sonicó durante 30 minutos más. Luego, la mezcla resultante se transfirió a un reactor hidrotermal y se colocó dentro de la plataforma de síntesis de microondas (Milestone, flexiWAVE, Italia). La temperatura se ajustó a 200°C y se dejó que la reacción prosiguiera durante 15 min. Después de la reacción, la mezcla se dejó enfriar naturalmente hasta temperatura ambiente (26 °C). Luego la muestra se centrifugó y se lavó con agua destilada y etanol antes de liofilizarse. La Figura 8 muestra el método de síntesis de las nanopartículas híbridas MoS2-hBN.

La ilustración gráfica del método de síntesis de nanopartículas híbridas MoS2-hBN.

Formulación de nanolubricante híbrido a base de MoS2-hBN.

Se utilizaron datos experimentales anteriores para optimizar el porcentaje en peso del nanocompuesto de MoS2 y hBN. El rendimiento tribológico mostró una disminución más allá de 0,1 peso y por debajo de 0,005 peso. Por lo tanto, se seleccionaron porcentajes en peso de 0,005% en peso, 0,01% en peso, 0,05% en peso y 0,1% en peso para investigaciones adicionales con el fin de lograr un equilibrio entre las propiedades tribológicas y el rendimiento63. Esta gama ofrece información valiosa para optimizar la formulación de nanocompuestos y avanzar en su aplicación en sistemas de lubricación. Para crear el nanolubricante, se dispersaron varias concentraciones de nanopartículas híbridas MoS2-hBN en 100 ml de aceite de motor SAE 20W40, incluyendo 0,005% en peso, 0,01% en peso, 0,05% en peso y 0,1% en peso. El proceso de mezcla implicó homogeneizar la mezcla durante 10 minutos utilizando un mezclador de laboratorio de alto cizallamiento. Posteriormente, para lograr una dispersión consistente y no aglomerada de las nanopartículas dentro del aceite base, las muestras se sometieron a ultrasonicación en un baño de ultrasonidos durante 30 minutos.

Caracterizaciones.

Se utilizaron diversas técnicas de caracterización y análisis para estudiar las propiedades de las nanopartículas híbridas MoS2-hBN y su desempeño como nanolubricante. El tamaño, la morfología y las composiciones elementales de las nanopartículas se determinaron mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo y espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (FESEM y EDX). La cristalinidad y estructura de fases de las muestras se estudiaron mediante difracción de rayos X (DRX) con radiación Cu Kα (U = 45 kV, I = 27 mA y λ = 1,54 nm), mientras que las interacciones moleculares se analizaron mediante espectroscopia Raman excitada. con un láser de 532 nm. La densidad, la viscosidad cinemática y el índice de viscosidad de las muestras se midieron usando un viscosímetro (Viscometer SWM 3000) y Zetasizer determinó la estabilidad de la dispersión. La prueba de volatilidad de Noack se realizó mediante análisis termogravimétrico (TGA).

El análisis tribológico se realizó utilizando un tribotester de cuatro bolas (Ducom TR-30L) para determinar el coeficiente de fricción (COF) y el diámetro promedio de la cicatriz de desgaste (WSD) del nanolubricante híbrido basado en MoS2-hBN en varias concentraciones de nanopartículas. Se utilizaron bolas de acero al cromo-carbono y la velocidad de rotación, la carga aplicada, el tiempo y la temperatura fueron 12.000 rpm, 392,5 N, 3600 s y 75 °C, respectivamente, de acuerdo con la norma ASTM 4172-94. FESEM y EDX estudiaron las imágenes de cicatrices de desgaste en las bolas de metal.

El análisis de oxidación se realizó utilizando un calorímetro de barrido diferencial de alta presión (HP-DSC) para determinar el tiempo de inducción de oxidación (OIT) del nanolubricante a base de MoS2-hBN con varias concentraciones de nanopartículas. El procedimiento se realizó a 500 psi, temperatura isotérmica de 200 °C, con un caudal de 50 ml/min y una velocidad de rampa de 10 °C/min. Se evaluó la conductividad térmica del nanolubricante basado en MoS2-hBN con varias concentraciones de nanopartículas. utilizando análisis de flash láser (LFA HyperFlash). La muestra se llenó en el anillo de muestra y los discos de sellado superior e inferior se rociaron con grafito para promover la absorción del cuerpo negro. La muestra se calentó desde temperatura ambiente hasta 120 °C a una velocidad de 10 °C/min en un ambiente de nitrógeno.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Los autores agradecen al Centro de Gestión de Investigación e Innovación de la Universidad de Defensa Nacional de Malasia por otorgar becas a TN para esta investigación. Los autores también agradecen la financiación de la Universidad Sunway a través del Programa de subvenciones de la red internacional de investigación (STR-IRNGS-SET-GAMRG-01-2022).

Facultad de Ciencia y Tecnología de la Defensa, Universidad de Defensa Nacional de Malasia, 57000, Kuala Lumpur, Malasia

Thachnatharen Nagarajan y Nanthini Sridewi

Centro Sunway de Energía Electroquímica y Tecnología Sostenible (SCEEST), Facultad de Ingeniería y Tecnología, Universidad Sunway, 47500, Petaling Jaya, Selangor, Malasia

Weng Pin Wong y Mohammad Khalid

Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Computación, Universidad de Taylor, 47500, Subang Jaya, Selangor, Malasia

Rashmi Walvekar

Departamento de Ingeniería Mecánica, MAIT, Universidad Maharaja Agrasen, Baddi, 174103, HP, India

Virat Khanna

División de Investigación y Desarrollo, Lovely Professional University, Phagwara, 144411, Punjab, India

Mohamed Khalid

Escuela de Ingeniería y Tecnología, Universidad Sharda, Greater Noida, 201310, Uttar Pradesh, India

Mohamed Khalid

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Conceptualización, RW, NS y MK; metodología, TN y MK; análisis formal, VK y TN, redacción: preparación del borrador original, TN, redacción: revisión y edición, NS, VK, MK y RW; visualización, VK y TN; supervisión, MK, RW y NS; administración de proyectos, NS y MK; adquisición de financiación, NS y MK Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Nanthini Sridewi o Mohammad Khalid.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Nagarajan, T., Sridewi, N., Wong, WP et al. Evaluación del rendimiento sinérgico de nanopartículas híbridas MoS2-hBN como aditivo tribológico en aceite de motor diésel. Informe científico 13, 12559 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39216-0

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Recibido: 05 de mayo de 2023

Aceptado: 21 de julio de 2023

Publicado: 02 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39216-0

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