An energetical approach to study the structural degradation of traditional and biogenic lubricating greases
- Autores: Nazli Acar
- Directores de la Tesis: José María Franco Gómez (dir. tes.), Erik Kuhn (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Huelva ( España ) en 2022
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 194
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Arias Montano
- Resumen
- español
En un contacto tribológico, los procesos de fricción conducen a efectos irreversibles asociados al desgaste, que son el resultado de un aporte de energía de fricción al un sistema tribológico. En general, se aplican diversos tipos de lubricantes a los elementos mecánicos de cualquier maquinaria para reducir la fricción y el desgaste. En las últimas décadas, los daños medioambientales causados por los productos químicos y/o de uso final, como los lubricantes basados en aceites minerales refinados petroquímicamente, han impulsado la demanda de componentes naturales en una gran variedad de productos manufacturados. En este sentido, algunas industrias de lubricantes han promovido el desarrollo de sus productos sustituyendo algunas materias primas no renovables por recursos naturales, para evitar la contaminación ambiental directa e indirecta causada por sus productos. Con este propósito, primero, se han introducido en diversas aplicaciones industriales y de consumo los aceites vegetales, en lugar de los aceites minerales, y después, las grasas lubricantes completamente biogénicas, que se obtienen utilizando aceites vegetales, así como sustituyendo los agentes espesantes tradicionalmente utilizados por espesantes biogénicos. En este sentido, el objetivo de este trabajo es investigar la respuesta tribológica y reológica de nuevas grasas lubricantes completamente biogénicas, dos grasas lubricantes semi-biogénicas de referencia y algunas muestras de grasas lubricantes tradicionales, haciendo hincapié en los aspectos energéticos de los procesos de fricción y desgaste. Con este objetivo, se utilizaron muestras de grasas lubricantes completamente biogénicas, formuladas con diferentes aceites naturales, por ejemplo, aceite de girasol de alto contenido en ácido oleico (HOSO), glicerol, aceite de ricino y una combinación de HOSO y aceite de ricino, así como diferentes agentes espesantes biodegradables, por ejemplo, cera de abejas, sémola de mazorca de maíz, celulosa natural y lignina, que se han estudiado tribológicamente en un nanotribómetro y en un tribómetro utilizando una combinación de materiales de bola de acero sobre disco de acero, y se han comparado con grasas tradicionales de 12-hidroxiestearato de litio/HOSO y de jabón de litio-calcio/éster sintético. De este modo, se ha obtenido una comprensión más completa de la influencia de la composición de estas grasas modelo en los procesos de fricción y desgaste en un contacto tribológico. Además, utilizando el modelo energético de desgaste, los procesos de fricción y desgaste pudieron interpretarse como una secuencia causa-efecto. Además, se realizaron ensayos en rodamientos para investigar el comportamiento tribológico de algunas grasas biogénicas seleccionadas en un contacto real de maquinaria, evaluando su rendimiento de lubricación. Estos ensayos de aplicación real permitieron cuantificar el par de fricción del rodamiento completo en diferentes condiciones de funcionamiento y el desgaste producido mediante procedimientos de análisis del lubricante, cómo la ferrometría y ferrografía. Además, las diferentes grasas modelo se investigaron reológicamente mediante ensayos de flujo transitorio rotacional, a diferentes temperaturas, midiendo la evolución del esfuerzo con el tiempo a una velocidad de cizalla constante, y caracterizando el fenómeno de la fricción interna mediante la cuantificación de la densidad de energía. Además, se estudió la relación entre la energía de activación y la degradación estructural de algunas muestras de grasas lubricantes tradicionales en diferentes situaciones de cizalla mediante ensayos de flujo transitorio rotacional y de barridos de amplitud en ensayos oscilatorios. Este trabajo experimental proporcionó información útil para una mejor comprensión del proceso de degradación estructural inducido por el cizallamiento en las grasas, lo que podría facilitar una mejora de la vida útil de las grasas lubricantes. En definitiva, se han investigado una serie de nuevas grasas lubricantes biogénicas, completamente basadas en materias primas renovables, dos grasas lubricantes semi-biogénicas de referencia y algunas muestras de grasas lubricantes tradicionales para comprender mejor los mecanismos de lubricación de las grasas en contactos tribológicos. Todos los resultados se analizaron desde un punto de vista energético, que puede ayudar a catalogar estas grasas lubricantes biogénicas como alternativas reales a las grasas lubricantes convencionales.
- English
In a tribological contact, the friction processes lead to irreversible effects associated with wear, which are the result of frictional energy input to a tribological system. In general, various types of lubricants are applied to machine elements in order to reduce friction and wear. In the last decades, environmental damages caused by chemicals and/or end-use products, such as lubricants based on petrochemically refined mineral oils, have driven the demand of natural components in a wide variety of manufactured products. In this sense, some lubricant industries have promoted the development of their products with the replacement of non-renewable raw materials by natural resources in order to avoid direct and indirect environmental pollution caused by their products. With this purpose, first, vegetable oils instead of mineral oils, and then, completely biogenic lubricating greases, which are obtained using vegetable oils, as well as by substituting traditionally used thickener agents with biogenic thickeners, have been introduced into a variety of industrial and consumer applications. In this sense, the target of this work is to investigate the tribological and rheological response of new completely biogenic lubricating greases, two reference semi-biogenic lubricating greases, and some traditional lubricating grease samples, emphasizing the energetic aspects of the friction and wear processes. With this aim, completely biogenic lubricating grease samples, which were formulated with different biogenic oils, e.g., high-oleic sunflower oil (HOSO), glycerol, castor oil, and a combination of HOSO and castor oil, and different biodegradable thickener agents, e.g., beeswax, corncob grits, natural cellulose, and lignin, have been tribologically examined with a nanotribometer and a tribometer using a material combination of a steel ball on a steel disc and compared with traditional lithium-12-hydroxystearate/HOSO and lithium-calcium soap/synthetic ester greases. In this way, it was gained a deeper understanding of the influence of the composition of these model greases on the friction and wear processes in a tribological contact. In addition, using the energy-based wear model, the friction and wear processes could be interpreted as a cause-effect sequence. In addition, rolling bearing tests were performed to investigate the tribological behavior of some selected biogenic greases during real machine element contact and to assess their lubrication performance. These real application tests allowed for the quantification of the friction torque of the full bearing at different operating conditions and the wear produced through lubricant analysis procedures, i.e., ferrometry and ferrography. Moreover, the model greases were rheologically investigated by means of rotational transient flow measurements at different temperatures to monitor the evolution of the shear stress with time at a constant shear rate, and to characterize the internal friction behavior by quantifying the energy density. Furthermore, correlations between the activation energy and structural degradation of some traditional lubricating grease samples under different shear situations were studied by means of rotational transient flow and oscillation amplitude sweep tests. This experimental work provided useful information for a better understanding of the shear-induced structural degradation process in greases which can facilitate the improvement of the service life of lubricating greases. Overall, a number of new biogenic lubricating greases completely based on renewable raw materials, two reference semi-biogenic lubricating greases, and some traditional lubricating grease samples were investigated for a better understanding of grease lubrication mechanisms in tribological contacts. All results were also analyzed from an energetic point of view which can help to qualify these biogenic lubricating greases as real alternatives to conventional lubricating greases.
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