Alumina-based nanolubricants: stability and rheological behavior at high shear rates

Abstract

O desenvolvimento de lubrificantes contendo nanopartículas, denominados nanolubrificantes, tem atraído a atenção de inúmeros grupos de pesquisa tanto do ponto de vista científico como tecnológico. Nanolubrificantes podem ser aplicados em diversos equipamentos e sistemas mecânicos para fins tribológicos, incluindo mancais de compressores utilizados em refrigeradores. Entretanto, uma ampla aplicação dos nanofluidos é dificultada pela tendência das nanopartículas em se aglomerarem e sedimentarem. Com base nesse contexto, o presente estudo tem como principal objetivo avaliar o comportamento reológico e a estabilidade de nanopartículas de alumina em óleo lubrificante. Os nanolubrificantes foram preparados por meio da abordagem de duas etapas, no qual consistiu na dispersão das nanopartículas de alumina não modificadas (A) e modificadas a superfície com ácido oleico (AS), nas frações volumétricas de 0,5 e 1 vol%. A estabilidade dos nanolubrificantes foi avaliada através do método de inspeção visual e do método de estabilidade acelerada. O comportamento reológico dos lubrificantes foi estudado nas temperaturas de 25, 50 e 75 °C em taxas de cisalhamento de até 70.000 s-1. Após atingir o cisalhamento máximo, foi aplicada a taxa de cisalhamento descendente do sistema até 700 s-1 para avaliar os possíveis efeitos do tempo e do cisalhamento na viscosidade. Os resultados reológicos foram comparados com o modelo teórico de Lei de Potência. Também foi avaliado o ângulo de contato entre os lubrificantes e a placa inferior do reômetro utilizado neste estudo. Os resultados revelaram que a funcionalização na superfície das nanopartículas de alumina contribuiu para a estabilidade dos nanolubrificantes. Esse fato pode ser atribuído às afinidades químicas do ácido oleico com o meio oleoso. A simulação do armazenamento por 15 dias mostrou que, para os nanolubrificantes A 0,5 e 1 vol%, os valores de transmitância foram acima de 85%, enquanto para os nanolubrificantes AS 0,5 e 1 vol% foram de aproximadamente 50 e 30%, respectivamente. Para as temperaturas de 25 e 50 ºC, o comportamento reológico do óleo lubrificante e das amostras AS foram newtonianos, entretanto os nanolubrificantes A apresentaram comportamento levemente pseudoplástico. Para os experimentos reológicos a 75 °C, foi possível observar que houve tixotropia para todos os fluidos, contudo, o nanolubrificante A 1 vol% apresentou maior área de histerese. Uma análise estatística demonstrou significância na interação entre os fatores fração volumétrica e temperatura na viscosidade dinâmica dos fluidos. De modo geral, a fração volumétrica mostrou-se proporcional à viscosidade, enquanto que a temperatura foi inversamente proporcional. Por fim, concluiu-se que a presença de nanopartículas de alumina no óleo lubrificante não altera o molhamento do óleo base.

Abstract: The development of lubricants containing nanoparticles, called nanolubricants, has attracted the attention of numerous research groups, both from a scientific and technological point of view. Nanolubricants can be applied to various equipment and mechanical systems for tribological purposes, including compressor bearings used in refrigerators. However, a wide application of nanofluids is hampered by the tendency of nanoparticles to agglomerate and sediment. Based on this context, this study aims to evaluate alumina nanoparticles' rheological behavior and stability in lubricating oil. The nanolubricants were prepared using a two-step approach, which consisted of dispersing unmodified alumina nanoparticles (A) and surface-modified with oleic acid (AS), in the volume fractions of 0.5 and 1 vol%. The stability of nanolubricants was evaluated using the visual inspection method and the accelerated stability method. The rheological behavior of lubricants was studied at temperatures of 25, 50, and 75 °C at shear rates up to 70,000 s-1. After reaching the maximum shear, the downward shear rate of the system up to 700 s-1 was applied to evaluate the possible effects of time and shear on viscosity. The rheological results were compared with the Power-Law theoretical model. The contact angle between the lubricants and the lower plate of the rheometer used in this study was also evaluated. The results revealed that the surface functionalization of alumina nanoparticles contributed to the stability of the nanolubricants, which can be attributed to the chemical affinities of oleic acid with the oily medium. The 15-day shelf-life simulation showed that for the nanolubricants A 0.5 and 1 vol% the transmittance values were above 85%, while for the nanolubricants AS 0.5 and 1 vol% they were approximately 50% and 30%, respectively. For temperatures of 25 and 50 ºC, the rheological behavior of the lubricating oil and AS samples was Newtonian, however, the nanolubricants A presented a slightly pseudoplastic behavior. For the rheological experiments at 75 °C, it was possible to observe thixotropy for all fluids. However, the nanolubricant A 1 vol% presented the largest hysteresis area. Statistical analysis showed significance in the interaction between the factors volumetric fraction and temperature in the dynamic viscosity of fluids. In general, the volume fraction was shown to be proportional to viscosity, while the temperature was inversely proportional. Finally, it was concluded that the presence of alumina nanoparticles in the lubricating oil does not change the wettability of the base oil.