Nanopartículas como objetos innovadores para la mejora de la calidad de procesos tribológicos y analíticos

Resumen

La mejora de las propiedades tribológicos de los aceites lubricantes es uno de los principales objetivos para su investigación y desarrollo por su amplia aplicación en la industria, no sólo en procesos de fabricación sino también en el producto final. La calidad y rendimiento de los lubricantes utilizados repercuten en factores energéticos, económicos y ecológicos. Los aceites lubricantes pueden oxidarse y degradarse cuando están expuestos al aire, particularmente a elevadas temperaturas, efecto que reduce sus propiedades tribológicas, aumentando el desgaste de las piezas mecánicas, tanto por la fricción como debido a la corrosión causada por los cambios en el grado de acidez de un aceite oxidado, acortando la vida útil del propio lubricante. Es por ello que los equipamientos mecánicos requieren un frecuente mantenimiento y un remplazo periódico tanto de piezas como de lubricantes con el consiguiente gasto económico y la generación de residuos de alto impacto medioambiental. El uso de aditivos es una de las principales herramientas para modificar las características físicas de los aceites lubricantes pudiendo con ello mejorar sus propiedades tribológicas, alargar su vida útil, y/o aumentar su rango de aplicación. En la presente tesis doctoral se pretende desarrollar y caracterizar nuevos materiales basados en el empleo de nanopartículas funcionalizadas y nanolubricantes, para mejorar las propiedades tribológicas de los aceites base, así como poner a punto metodologías analíticas que permitan evaluar su grado de degradación y/o envejecimiento. Es importante destacar que pequeñas mejoras en la calidad de los lubricantes puede traducirse en el ahorro de millones de euros. Por tanto, cualquier investigación básica o aplicada enfocada a la mejora de la eficiencia en la producción de energía y/o a la reducción de la contaminación, con el valor agregado de una disminución en los costes, son líneas claves dentro de las cuales se circunscribe la investigación planteada en el presente proyecto. En el primer capítulo se ha llevado a cabo la síntesis y la caracterización de nanopartículas de óxido de cobre como aditivos en suspensión para la mejora de las propiedades tribológicas de los aceites base. Se estudió el efecto de la morfología de las nanopartículas, esféricas y prolatos (o bastones), así como de su funcionalización superficial con grupos alquílicos de cadena larga para mejorar su capacidad de dispersión en medios apolares como son los aceites base. Posteriormente, en el segundo capítulo, se aborda la evaluación del potencial de las nanopartículas de CuO sintetizadas como nanolubricante comparando los aceites base con las distintas suspensiones de nanopartículas sin funcionalizar y funcionalizadas. Se registraron los coeficientes de fricción y los volúmenes de desgaste en piezas de acero mediante ensayos tribológicos denominados bola-sobre-disco, obteniéndose resultados prometedores en relación a la reducción de la fricción. Como aspecto colateral, se realizaron estudios preliminares de su aplicación como elementos útiles en la remediación de aguas residuales contaminadas con colorantes persistentes, empleando al Rojo Congo como modelo de estudio. En el tercer capítulo se han sintetizado puntos de carbono a partir de líquidos iónicos, como nanopartículas ‘verdes’ hidrofóbicas, con el fin de facilitar su incorporación en los aceites base y mejorar sus propiedades tribológicas. Para ello se estudiaron dos vías de síntesis donde los líquidos iónicos se incorporan en distintas etapas del proceso de producción: una primera vía utiliza los líquidos iónicos como reactivo inicial, y la segunda vía para el recubrimiento posterior de puntos de carbono obtenidos del glutatión. Los puntos de carbono obtenidos fueron caracterizados fisicoquímicamente, y posteriormente se realizaron ensayos tribológicos que demostraron una ligera mejora del coeficiente de fricción, pero una alta eficacia en la reducción del desgaste de las piezas de acero, llegando a reducir la huella en más de un 60% con el aumento de la carga aplicada. Además, la cantidad de líquido iónico necesaria para conseguir la misma reducción del desgaste es mucho menor cuando se emplea en forma de nanopartículas, lo que contribuye a reducir significativamente el impacto medio ambiental. El cuarto capítulo profundiza en el desarrollo de los puntos de carbono hidrofóbicos dopados, obteniendo un nuevo material sensible a la humedad. En este caso el objetivo fue más ambicioso ya que se pretendió poder utilizar los materiales sintetizados no sólo como nanolubricantes sino también como indicadores de la calidad de los aceites. Se estudió la capacidad de estos puntos de carbono como elementos sensibles a la presencia del agua en distintos disolventes orgánicos, seleccionando el tolueno como modelo para el desarrollo de una primera metodología para la determinación de agua en disolventes orgánicos. La alta sensibilidad obtenida y la sencillez del procedimiento sumadas a su validación empleando el método Karl-Fischer, convierten a esta metodología en una herramienta prometedora en la evaluación de agua en disolventes orgánicos. También se presenta un estudio dirigido a la aplicación de los puntos de carbono dopados sin recubrir en la determinación de antibióticos en agua naturales utilizando la tetraciclina como analito modelo. Por último, en el quinto capítulo se abordó la problemática de evaluar el grado de degradación y/o envejecimiento de los lubricantes. En la degradación de un lubricante los hidrocarburos que constituyen los aceites base sufren un craqueo térmico y reacciones de condensación de tipo aldólica, dando lugar a materiales poliméricos solubles y/o insolubles en el aceite cuyos depósitos pueden bloquear su paso a través de las máquinas o de los filtros y dificultar el intercambio de calor. Por tanto, se desarrolló una metodología para la determinación del grado de degradación/envejecimiento de los aceites lubricantes sin necesidad de determinar y/o cuantificar los compuestos de degradación generados durante la vida útil de los lubricantes. Mediante el uso de redes neuronales artificiales y de la espectroscopía de infrarrojo, se pudo determinar con una buena fiabilidad el tipo de aceite base al que pertenece una muestra y el grado de degradación del mismo.