Estudo do desempenho tribológico de nanopartículas de prata como aditivo para óleo lubrificante e o efeito da topografia

Abstract

Com o avanço das novas tecnologias e o aumento da preocupação com a preservação ambiental, as pesquisas voltadas ao desenvolvimento de lubrificantes mais eficientes e menos agressivos à natureza têm se intensificado, especialmente com a incorporação de nanopartículas (NPs) como aditivos em fluidos lubrificantes. Devido a qualidade, morfologia esférica e disponibilidade em conseguir os aditivos da empresa parceira S3nano, o presente trabalho investigou o desempenho tribológico de NPs de prata como aditivo em óleo lubrificante em diferentes condições topográficas do aço SAE 1020. Inicialmente, avaliou-se a estabilidade das dispersões, constatando que o uso de NPs dispersas em um fluido desenvolvido pela empresa S3nano, denominado comercialmente fluido SS (nomenclatura que será utilizada no trabalho), apresentou a melhor estabilidade no óleo polioléster (POE), além disso, para manter as partículas em suspensão por mais tempo, foi utilizado o surfactante SPAN, sendo essa a formulação escolhida para os testes tribológicos. Nos ensaios de carga constante, esferas de aço AISI 52100 foram pressionadas e deslizadas por sobre amostra de aço SAE 1020 com diferentes superfícies topográficas, as nanopartículas reduziram a taxa de desgaste do tribosistema em até 28% para superfícies com topografia anisotrópica, com menores reduções para topografias isotrópica e polidas. O comportamento do coeficiente de atrito (COF) foi um pouco mais complexo, o uso das NPs de prata nas superfícies mais rugosas, resultou em um aumento do valor COF de 6,8 e 8,1% para as amostras anisotrópica e isotrópica respectivamente, em relação aos ensaios sem nanopartículas, enquanto que, a utilização das NPs na superfície polida, exibiu uma redução de 6,4% no coeficiente de atrito. Analisando as imagens feitas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) das marcas de desgaste, foi observado sulcos característicos de desgaste abrasivo, embora tenha sido notado que esse desgaste foi menos severo nas amostras que receberam o lubrificante com nanopartículas. Ao investigar as regiões de interesse com o auxílio da técnica de espectroscopia de energia dispersiva (EDS), não foi detectada a presença de prata nas superfícies desgastadas, isso se deve a baixa concentração de NPs utilizadas ou a possível formação de uma tribocamada com poucos nanômetros de espessura, necessitando de técnicas de caracterização mais sofisticadas para detectá-las. A principal hipótese é que as nanopartículas desempenharam um papel físico através dos mecanismos de nanorolamento e/ou polimento, reduzindo a rugosidade e aprimorando a lubrificação. O estudo demonstrou o potencial das nanopartículas de prata para otimizar sistemas tribológicos, destacando possibilidades para futuros desenvolvimentos em formulações de lubrificantes mais eficientes e sustentáveis.

With the advancement of new technologies and increasing concern for environmental preservation, research focused on developing more efficient and less environmentally harmful lubricants has intensified, especially with the incorporation of nanoparticles (NPs) as additives in lubricating fluids. Due to the quality, spherical morphology, and availability of additives from the partner company S3nano, this study investigated the tribological performance of silver NPs as an additive in lubricating oil under different topographical conditions of AISI 1020 steel. Initially, the stability of the dispersions was evaluated, revealing that the use of NPs dispersed in a fluid developed by S3nano, commercially known as SS fluid (a nomenclature that will be used throughout this work), exhibited the best stability in polyol ester (POE) oil. Additionally, to maintain the particles in suspension for a longer period, the surfactant SPAN was used, and this formulation was selected for tribological tests. In constant load tests, AISI 52100 steel spheres were pressed and slid over SAE 1020 steel samples with different surface topographies. The nanoparticles reduced the wear rate of the tribosystem by up to 28% for surfaces with anisotropic topography, with smaller reductions for isotropic and polished topographies. The coefficient of friction (COF) behavior was more complex: the use of silver NPs on rougher surfaces resulted in an increase in COF of 6.8% and 8.1% for anisotropic and isotropic samples, respectively, compared to tests without nanoparticles. However, the use of NPs on the polished surface showed a 6.4% reduction in the coefficient of friction. Scanning electron microscopy (SEM) images of the wear marks revealed characteristic abrasive wear grooves, although the wear appeared less severe in samples treated with NP-enhanced lubricant. Energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis of regions of interest did not detect silver on the worn surfaces, likely due to the low concentration of NPs used or the possible formation of a tribofilm only a few nanometers thick, requiring more advanced characterization techniques for detection. The main hypothesis is that the nanoparticles played a physical role through nanorolling and/or polishing mechanisms, reducing roughness and enhancing lubrication. This study demonstrated the potential of silver nanoparticles to optimize tribological systems, highlighting opportunities for future developments in more efficient and sustainable lubricant formulations.