PEREIRA, F.K.D.1 ; TRAJANO, M. F.

2; ALVES, S. M.

2; FACCIO, M.T.¹; SILVA, P. S. G.¹

1Universidade Federal de Campina Grande/Centro de Educação e Saúde, Olho D’água da Bica, s/n, Cuité, PB,

58175-000. franklin_kaic@hotmail.com¹ 2 Universidade Federal Do Rio Grande Do Norte /Campus Universitário, s/n - Lagoa Nova Caixa Postal: 1524

CEP: 59072-970 - Natal-RN.

NANOPARTÍCULAS DE ÓXIDOS COMO ADITIVO QUÍMICO EM

LUBRIFICANTES

Resumo

A nanotecnologia tem sido um grande suporte em estudos de diversas áreas tecnológicas.

Com isso, as nanopartículas ajudam no bom funcionamento de um lubrificante e os óxidos em

partículas menores (nano) apresentam-se como um aditivo químico. Logo, o objetivo desse

trabalho é estudar alguns tipos de nanopartículas de óxidos para aditivar lubrificantes a base

de óleo vegetal. Para tanto, a metodologia utilizada neste estudo deverá ser uma pesquisa mais

aprofundada e assim verificar e analisar qual melhor nanopartícula de óxido a ser aditivada

para um bom desempenho no óleo lubrificante.

Palavra-chave: Nanopartículas, óxidos, aditivos, lubrificantes.

Abstract

Nanotechnology has been a great support in studies of various technology areas. Thus,

nanoparticles help in the proper functioning of a lubricant and oxides into smaller particles

(nano) are presented as a chemical additive. Therefore, the aim of this work is to study some

types of nanoparticles of oxides additive lubricants for vegetable oil. For this purpose, the

methodology used in this study should be further research and thus verify and analyze how

best to oxide nanoparticle additives for a good performance in lubricating oil.

Keyword: Nanoparticles, oxides, additives, lubricants.

1. Introdução

Existe a necessidade de novos estudos diante a esse problema para desenvolver um

novo lubrificante que atenda as expectativas não só ambientais, mas pela melhor eficiência do

produto. A nanotecnologia tem sido importante nesse aspecto porque ela está em diversas

áreas científicas e agora com estudos específicos em diversas partes do mundo como, por

exemplo, pesquisas recentes em nanopartículas como aditivos em lubrificantes.

Os pesquisadores J. Sadhik Basha e R. B. Anand (2010), do Instituto Nacional de

Tecnologia de Tiruchirappalli, na Índia, testam outros tipos de nanopartículas, incluindo

nanotubos ocos de carbono, e investigam os efeitos de nanoaditivos para lubrificação de

motores e sistemas de refrigeração. Um obstáculo à aplicação desse tipo de nanotecnologia é

o alto custo de produção das partículas. Anand (2010) adverte ainda que as nanopartículas

devem ser usadas com cautela, porque tendem a penetrar no organismo humano.

As nanopartículas de óxido como o ZrO2 tem provado que diminui o desgaste e o

atrito entre as superfícies em contato em máquinas industriais. Zheng et al. (2010) afirma que

o coeficiente de atrito médio diminuiu e que a perda de peso não causou nenhum desgaste ou

desgaste negativo e a perda de desgaste após seis cargas de teste continuou sendo o mesmo.

Outros nano-óxidos como aditivos também conseguem diminuir atrito e desgaste, além disso,

aumentar a eficiência, a resistência do produto, no caso do lubrificante.

Nesse trabalho apresenta-se nano-óxidos para aditivação em lubrificantes. Suas

vantagens, desvantagens, importância também serão abordadas. Logo, será que os óxidos são

tão eficazes ao ponto de garantir um bom desempenho ao lubrificante? Qual óxido terá maior

desempenho como aditivo? Essas são as perguntas ao qual esse trabalho busca responder.

2. Óxidos, nano-óxidos e Lubrificantes.

Faz-se necessário iniciar esse estudo conhecendo primeiramente o que é um óxido,

um nano-óxido, como ele é sintetizado e sua importância.

Óxidos são compostos químicos binários formados por átomos de oxigênio com

outro elemento em que o oxigênio é o mais eletronegativo. Os óxidos constituem um grande

grupo na química, pois a maioria dos elementos químicos formam óxidos. Alguns exemplos

de óxidos com os quais se convive são: ferrugem (óxido de ferro III), gás carbônico (óxido de

carbono IV ou dióxido de carbono), cal (óxido de cálcio).

Os óxidos podem ser divididos em alcalinos, ácidos e os óxidos anfóteros, neutros e

duplos. Serão analisados alguns óxidos alcalinos, ácidos e principalmente dos anfóteros na

literatura para uma comparação entre eles, verificando o melhor ou os melhores óxidos a

serem utilizados para o novo lubrificante.

"Os nano-óxidos são compostos químicos convencionais, porém em escala bastante

reduzida, medida em nanômetros. Em dimensões, é o mesmo que dividir um fio de cabelo em

30 mil partes", explica Sequeniel (2010).

Nessa pesquisa de Sequeniel, foram desenvolvidos os filmes finos formados por

nano-óxidos em formato de pó, que, segundo ele, podem ser muito bem aplicados em vários

tipos de superfície. "A partir de uma nova metodologia, com a aplicação de alta pressão e

baixa temperatura, conseguimos produzir um filme fino com uma série de vantagens em

relação aos demais, a exemplo dos já existentes em formato de spray. Obtivemos um produto

que mantém uma interação enorme com o substrato, portanto, o período de vida é equivalente

ao da superfície utilizada", afirma.

Assim, Sequeniel (2010) termina sua explicação afirmando que a fabricação dos

filmes finos pode ser obtida de qualquer óxido comercial, mas, com os nano-óxidos, a

temperatura e os gastos com a obtenção do filme serão bastante reduzidos. No modelo

convencional, por exemplo, é necessário empregar uma temperatura em torno de 650° C.

Porém, com os nano-óxidos, reduzimos para aproximadamente 450° C.

Então, lubrificar é evitar o contato direto entre duas superfícies, promovendo

diminuição do atrito e, consequentemente, do desgaste e da geração de calor.

Os primeiros lubrificantes eram de origem animal. Com o passar do tempo o homem

foi aperfeiçoando e criando novos inventos e, por necessidade, os lubrificantes evoluíram e

passaram a ter bases de origem vegetal, mineral e sintética (DOWSON, 1998).

Partindo daqueles primeiros lubrificantes à base de petróleo, um longo caminho foi

percorrido até os dias de hoje, em que processos altamente sofisticados melhoraram os

atributos dos lubrificantes para satisfazer as severas exigências ambientais dos dias de hoje.

Os lubrificantes existentes nos dias atuais não estão adequados ao meio ambiente.

Por isso, obter um lubrificante a base de óleo vegetal é importante para que o mesmo esteja

apto às condições ambientais. Aditivar o lubrificante com nanopartículas de óxido pode

garantir a eficiência de um sistema bem lubrificado, ou seja, diminui o atrito e aumenta a

resistência da superfície.

3. Metodologia

Os nano-óxidos são sintetizados através de reações químicas, porém, em nano escala.

Por isso, que se torna caro utilizar nanopartículas, devido ao processo, mas se tiver um

excelente produto final, valerá a pena pagar mais por algo eficaz.

O método de obtenção de NPs sempre desperta grande interesse e, para quase todas

as aplicações, representa o mais importante dos desafios, pois ele determina as características

morfológicas, estruturais, estequiométricas e, consequentemente, magnéticas desses materiais

(ALVES, 2007).

Sínteses químicas em solução são mais simples, manejáveis e eficientes, com um

bom controle de tamanhos, composição e até mesmo a forma das NPs.

Existem vários mecanismos de formação de NPs bem descritos na literatura que

podem estar presentes nas sínteses químicas. Na maioria dos casos, acredita-se que as

partículas inicialmente se formem através de um processo de nucleação – induzido pela

saturação de monômeros na solução – e posterior crescimento. Esse mecanismo foi proposto

por LaMer e Dinegar (1950), e indica que a separação dessas duas etapas é o segredo para a

obtenção de amostras monodispersas (desvio padrão menor que 5%). Porém,

subsequentemente ou paralelamente ao mecanismo de LaMer, podem ocorrer outros

processos como a maturação de Ostwald (crescimento das partículas maiores às custas da

dissolução das partículas menores) ou a coalescência (agregação das partículas).

Outra metodologia utilizada para nano-óxidos é a co-precipitação controlada, por

exemplo, com os óxidos de ferro: podem ser sintetizados através da co-precipitação de

soluções aquosas de sais de Fe2+

e Fe3+

com a adição de uma base. O controle de tamanho,

forma e a composição das NPs depende do tipo de sal utilizado (cloretos, sulfatos, nitratos,

percloratos, etc...), razão (Fe2+

: Fe3+

), pH e força iônica do meio. Convencionalmente,

magnetita é preparada adicionando-se uma base (NaOH ou NH4OH) a uma mistura aquosa de

cloretos de Fe2+

e Fe3+

a uma razão molar de (1:2). A reação química é dada pela equação

abaixo segundo Kim et al. (2001):

Fe2 + 2 Fe3 + 8OH → Fe3O4 + 4H2O

É importante que a reação se realize sob atmosfera inerte, livre de oxigênio. Caso

contrário, ocorre também a reação de oxidação de Fe3O4: a solução passaria de preta a

amarela, isso afetaria a pureza do produto final e as propriedades físicas e químicas das NPs.

Fe3O + 0,25O4 → 4,5 H2O + 3Fe(OH)3

Nas sínteses por co-precipitação, a morfologia das partículas depende da natureza da

base utilizada e da temperatura da reação, sendo que partículas maiores são obtidas a

temperaturas mais altas. Esse método é simples, reprodutível, apropriado para produções em

massa e possui a vantagem de, por ser realizado em solução aquosa, fornecer amostras

diretamente hidrofílicas e biocompatíveis, uma vez que se use o ligante apropriado. Porém,

devido ao baixo limite de temperatura na qual essa síntese pode ser realizada (máximo de

100ºC, temperatura de ebulição da água), geralmente há pouco controle de tamanho,

distribuição, forma e cristalinidade (ALVES, 2007 apud LIU, 2002).

4. Resultados e Discussões

Os resultados para o óxido de zircônio mostraram que o coeficiente de atrito médio

diminuiu 27,34%, e que a perda de peso do impulso anel-indicado nenhum desgaste ou

desgaste negativo, a perda de desgaste após seis testes cargas sendo -0,0163 g. O anti-

desgaste (AW) e reduzindo o atrito (RF). As habilidades do óleo com ZrO2 além

nanopartículas foram consideravelmente melhorada, maximizando a uma concentração de

aditivo de 0,5% em peso. O ZrO2 em nanopartículas neste trabalho foram sinterizados em

623 K e o pó de ZrO2 ficou amorfo, com um diâmetro <100 nm. A superfície modificada de

ZrO2 tem partículas com diâmetro médio <50 nm, e melhor do que o disperso como

preparados nas nanopartículas.

Os estudos mostraram que as partículas sintetizadas de óxido de ferro por co-

precipitação não apresentam muitas vantagens em relação às amostras comerciais, pois,

possuem larga distribuição de tamanhos. Através da síntese por decomposição térmica de

Fe(OH)3, partículas com distribuição mais estreita foram produzidas e resultados positivos de

incorporação por células HeLa e detecção por imagens de ressonância magnética foram

obtidos. Com as partículas geradas pela decomposição térmica de Fe(CO)5 foram realizados

tratamentos térmicos em atmosfera ambiente que proporcionaram aumento do grau de

cristalização, aumento do diâmetro médio e estabilização de suas propriedades magnéticas,

em detrimento da perda dos contornos esféricos e aumento na dispersão de tamanhos.

Para o cobre, os resultados mostram que o atrito de redução e as propriedades anti-

desgaste de um óleo SN 650 foram melhoradas pela adição de nanopartículas de Cu. A

película de cobre metálica, com uma dureza baixa e um espessura de aproximadamente 5 mm,

foi formada na superfície do aço usado sob a lubrificação de do óleo SN 650 contendo um

peso de nanopartículas 1 w% de Cu. O filme, que se liga bem com o substrato de aço por uma

colagem metalúrgica, separa as duas superfícies de contato e proporciona um relaxamento

rápido da tensão de contato. Uma estrutura tribológica ideal foi formada com um filme de

superfície macia e uma superfície sub-rígido na superfície gasta, que foi considerado como a

principal razão pela qual as nanopartículas de Cu possuíam propriedades tribológicas

excelentes.

O mecanismo pelo qual as nanopartículas de Cu reduzir o atrito e o desgaste

podem ser explicadas pela formação de uma película de cobre metálico. Dois possíveis

mecanismos contribuem para a formação do filme. Uma hipótese pode ser na base da química

e eletroquímica: no início da fricção, as nanopartículas de Cu são depositadas sobre a

superfície gasta, o que era "fresco" por ser removido da superfície da camada de óxido por

deslizamento, por adesão eletrostática, mas, causada por deslizamento das superfícies de

atrito.

Então, locais devido a superaquecimento contato direto de duas superfícies iniciada

a deposição química de cobre, juntamente com uma pequena quantidade de moagem de ferro

em aço e nesse sentido, uma película de cobre metálico contendo pequena quantidade de

ferro pode ser formada na superfície do aço usado. O outro mecanismo possível pode ser

explicado com base em fundamentos da metalurgia mecânica, onde as nanopartículas de Cu

foram parcialmente derretidas devido a seu ponto de fusão ser baixo e os flashes locais de

superaquecimento e alta temperatura na superfície de atrito, apesar do resfriamento de óleo.

É claro que a seção transversal da análise pode dar a ambos a informação de

interface e uma morfologia completa dos materiais de revestimento fino. Além disso, as

propriedades mecânicas dos materiais influenciam fortemente os comportamentos

tribológicos, especialmente para os revestimentos e filmes finos sobre o metal substrato. Na

pesquisa envolvendo o Cu, os autores investigaram o efeito do óleo Cu contendo

nanopartículas de desgaste e atrito de aço de 1045, compreensão do mecanismo tribológico

de nanopartículas como aditivos e fornecendo bases teóricas para a sua aplicação prática

como uma nova tecnologia de modificação in-situ de superfície. Analisou-se também a

microestrutura do filme de cobre formada sobre o aço e mediu o seu nano-mecânico usando

uma nano-indentação.

O cobre de fusão ou semi-fundido tem a propriedade de melhorar a superfície do aço

e do cobre líquido pode também melhorar o "fresco" da superfície de atrito. Então, ele

pode ser espalhado sobre a superfície usado nos movimentos de cisalhamento.

Consequentemente, uma película de cobre de proteção pode ser formada.

Nas propriedades tribológicas do Al2O3/SiO2 modificado, as nanopartículas de

compostos como aditivos de óleo lubrificante foram investigados através de testes de

quatro esferas por impulso e anel verificando o desgaste, coeficiente de atrito, e a

morfologia do anel de empuxo. Observou-se então que seu anti-desgaste e anti-fricção

possuem um melhor desempenho como composto que ele puro. Quando a concentração de

aditivo otimizado nanopartícula é 0,5 w.%. Os diâmetros de marca de desgaste e coeficientes

de atrito são os menores de ambos. Tais compostos modificados nas nanopartículas podem

absorver para a superfície de fricção, o que resulta do atrito de rolamento. Portanto, o

coeficiente de atrito é reduzido.

5. Considerações Finais

Desenvolver um novo produto não é fácil, precisa-se de muita dedicação, pesquisas e

vontade de desenvolvê-lo buscando meios para isso. Um novo lubrificante que atenda as

condições ambientais tenha um excelente desempenho custará muita pesquisa, logo, esse

artigo é o início dos estudos para sair um produto de qualidade e que atenda ao mercado

industrial e demais setores.

A primeira conclusão mostrada em relação ao óxido de zircônio foi à modificação da

superfície que controla a morfologia e melhora a dispersão de ZrO2 como nanopartículas

em óleos lubrificantes, tanto essencial para a sua Aplicação como aditivos de lubrificação

de óleo. A partir do teste de quatro esferas, o teor de aditivo é de 0,5% corresponde a um

ótimo anti-desgaste e redução de atrito. Comparado ao óleo de máquina, sem aditivo, o

coeficiente de atrito reduz para 5,36%, o diâmetro da cicatriz de desgaste reduz em 3,98%.

Resumindo, é um óxido a serem mais investigado para aditivar óleos lubrificantes.

Para as nanopartículas de Cu, estes têm sido sistematicamente estudados no

passado. Sua eficácia como aditivos para fluidos lubrificantes foi completamente

demonstrado e notificado a sua importância como aditivo. No entanto, poucos pesquisadores

têm descrito a informação cross-section e nano-mecânicas dos filmes finos formados por

nanopartículas de Cu. Das experiências e análises realizadas, algumas conclusões podem ser

feitas: (1) Usado como um aditivo para óleo mineral, as nanopartículas de Cu presentes

apresentam excelentes propriedades anti-desgaste e atrito com redução de ambos. A adição de

1,0 wt.% de nanopartículas de Cu em óleo SN 650 diminui o coeficiente de atrito em

comparação com os outros óleos. (2) o superaquecimento local e cisalhamento ou química

inicia a deposição de nanopartículas de Cu ou a mecânica do esfregaço derrete o cobre.

Um filme fino de cobre metálico contendo uma pequena quantidade de ferro foi,

portanto, formado sobre o aço usado superfície que lubrificados com óleo contendo um peso

de nanopartículas 1w.% Cu. O filme tem uma dureza bastante baixa e títulos bem com o

substrato. Além disso, ocorreu interdifusão entre os átomos de Fe e Cu, e da ligação

metalúrgica pode ter ocorrido. Enfim, as nanopartículas de cobre é um fortíssimo candidato a

ser aditivo em lubrificante.

Em conclusão, o Al2O3/SiO2 nanopartículas compostas foram preparadas com um

método hidrotermal e modificado com silano agente de acoplamento. Após a modificação,

as propriedades da superfície de nanopartículas compostas (Al2O3/SiO2) mudou de

hidrofilicidade a lipofilicidade. O desempenho de óleo lubrificante usando tais

nanopartículas como aditivos foi melhorado em comparação com elas sendo puras -

Al2O3 ou SiO2. Houve uma concentração ótima de aditivo, que foi de 0,5 wt.% para o

teste de nanopartículas compostas (Al2O3/SiO2). O aparecimento de nanopartículas sobre

as superfícies de atrito foi comprovado por medições EDS. As nanopartículas absorvidas

podem resultar em efeito de rolamento entre as superfícies de fricção, e a situação de

atrito é alterada.

Portanto, o coeficiente atrito foi reduzido. De uma maneira geral, para o ferro foi

possível demonstrar que a decomposição térmica de compostos organometálicos em solventes

orgânicos produz partículas mais homogêneas em relação àquelas produzidas por co-

precipitação e às comercialmente disponíveis, e essa qualidade apresenta um grande potencial

para aplicações biomédicas mais sofisticadas, basta saber se tem as mesmas vantagens para

lubrificantes.

O óxido de zinco não é tão bom devido algumas peças sofrerem degradação com ele.

E o trióxido de bismuto ainda precisa de um estudo específico para verificar se além de

combustíveis pode ser aditivo em lubrificantes.

Logo, dos óxidos estudados, observa-se que os óxidos de cobre, zircônio, o

compósito de (Al2O3/SiO2) são por enquanto os melhores para aditivação em lubrificantes.

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