Comportamiento tribológico de los líquidos iónicos [c12mim][ntf2] y [n4441][ntf2] usados como lubricante puro o aditivo

Résumé

Hoy en día, el desarrollo de estrategias de eficiencia energética es esencial para obtener procesos sostenibles. En este sentido, el uso de sustancias novedosas como los líquidos iónicos (ILs) en el campo de la lubricación hace necesaria una investigación previa extensa y sistemática centrada en las propiedades fisicoquímicas y ambientales de los mismos, con el objetivo de lograr correlaciones de propiedades y mejorar el modelado predictivo. En esta tesis se seleccionaron dos ILs basados en el anión NTf2: [C12MIM][NTf2] y [N4441][NTf2], con el objetivo de estudiar su comportamiento tribológico como lubricantes puros y como aditivos en aceites polares. Para ello, primero se llevó a cabo una caracterización de propiedades fisicoquímicas (densidad y viscosidad) de las diferentes combinaciones de muestras lubricantes (IL, aceite base y mezclas IL-aceite base), además de realizar un análisis térmico exhaustivo en condiciones dinámicas (TGA, DTG, SDTA, DSC) e isotérmicas. Dicho análisis térmico mostró una mayor estabilidad térmica del IL de imidazolio frente al de amonio. Debido a la habitual sobreestimación de la temperatura de inicio de descomposición obtenida mediante estudios dinámicos al someter ILs a periodos largos de exposición isotérmica, se propuso un modelo isoconversional para determinar el comportamiento isotérmico de los ILs a partir de los datos de experimentos dinámicos a diferentes velocidades de calentamiento. El estudio medioambiental de los ILs determinó su escasa biodegradabilidad a partir de los parámetros DBO5 y DQO, debido a la presencia en sus estructuras químicas de compuestos poco biodegradables como haluros y cadenas alquílicas ramificadas. A pesar de ello, los ILs estudiados reportaron mejor biodegradabilidad en comparación con dos muestras del tradicional aditivo lubricante ZDDP. Para concluir el estudio medioambiental se realizó un análisis de toxicidad bacteriana en medios acuosos con Vibrio fischeri y Escherichia coli. Se propuso un modelo de estimación de toxicidad con cada una de las bacterias en función del tipo de iones del IL. Se observó menor toxicidad para IL de amonio (nocivo) frente al de imidazolio (tóxico). Ambos ILs resultaron menos tóxicos que el aditivo ZDDP. Finalmente, los resultados de toxicidad estimados a partir de los modelos propuestos concuerdan con los valores obtenidos en ensayos experimentales. El estudio del comportamiento tribológico de los ILs en estado puro y como aditivo en aceite base se realizó para distintas condiciones de temperatura (ambiente y 100 ºC), carga (30 y 70 N, correspondientes con 1.37 y 1.82 GPa, respectivamente), carrera (4 mm) y frecuencia (10 Hz). La concentración de las mezclas IL-aceite base se fijó a partir de pruebas de solubilidad: 1% y 4% para [C12MIM][NTf2] en aceite Priolube 1936 (codificado como A2); y 1,5 % para [N4441][NTf2] en aceite Priolube 1859 (codificado como A1). El coeficiente de fricción se registró mediante ensayos alternativos en un tribómetro con configuración bola-disco (acero-acero), mientras que el volumen de desgaste fue determinado con un microscopio confocal. Tanto en fricción como en desgaste, el mejor comportamiento de los ILs en estado puro está influenciado por su interacción química con la superficie, explicando también el buen comportamiento presentado por mezclas IL-aceite base en las condiciones más severas de carga y temperatura. Dicha interacción química entre IL y superficie de acero fue verificada a partir de los resultados obtenidos en el análisis superficial con las técnicas de espectroscopía de energía dispersiva (EDS) y espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS).