Líquidos iónicos como lubricantes de contactos polímero-metal. Preparación y propiedades de las primeras dispersiones de líquidos iónicos y de nanopartículas en polímeros

Abstract

[SPA] Los líquidos iónicos son fluidos de altas prestaciones con un amplio rango de estabilidad térmica que encuentran numerosas aplicaciones en ingeniería. Aunque se han utilizado como lubricantes de contactos metal-metal, metal-cerámico y cerámico-cerámico, en este trabajo presentamos el primer estudio acerca del empleo de los líquidos iónicos como lubricantes puros en contactos polímero-acero. Se ha comprobado la eficacia de los líquidos iónicos para reducir los coeficientes de fricción y las tasas de desgaste en una variedad de contactos acero-polímero y en un amplio rango de temperaturas, incluyendo condiciones criogénicas. Como aditivo de polímeros, se han obtenido las primeras dispersiones de líquidos iónicos en polímeros termoplásticos y termoestables y se han determinado sus propiedades térmicas, mecánicas y tribológicas. Se ha estudiado el efecto del contenido de líquido iónico en las propiedades tribológicas de las nuevas dispersiones y su influencia sobre los mecanismos de desgaste mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y microanálisis (EDS). Las nuevas dispersiones muestran valores de fricción y desgaste más bajos que los polímeros puros. Esta reducción de fricción y desgaste puede llegar a superar el 79%.Para ciertos polímeros termoplásticos como poliestireno y poliamida 6, las nuevas dispersiones preparadas muestran valores de fricción y desgaste inferiores a los obtenidos cuando se utiliza el líquido iónico puro como lubricante externo del par acero-polímero.Se han utilizado nanopartículas de óxido de cinc como aditivos de policarbonato con el fin de mejorar su resistencia al desgaste. Se han obtenido distintas dispersiones con contenido variable de nanopartículas y se ha estudiado el efecto de la concentración de óxido de cinc en las propiedades térmicas, mecánicas y tribológicas. Se ha comprobado que cuando dichas partículas se modifican mediante la adición de un líquido iónico, se obtienen nuevos nanocomposites polímero-líquido iónico-nanopartícula con propiedades tribológicas mejoradas. Finalmente, para entender los procesos que tienen lugar en la interfase nanopartícula-líquido iónico, se han estudiado las interacciones entre las nanopartículas y el líquido iónico. Los cambios superficiales, morfológicos y estructurales se han caracterizado mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM), microanálisis (EDS), análisis de superficies (XPS) y difracción de rayos X (XRD). Los resultados ponen de manifiesto la importancia de la influencia de las condiciones del proceso sobre la estabilidad del anión presente en el líquido iónico.

[ENG] Room-temperature ionic liquids (ILs) are high performance fluids that stand out because of a wide range of functional properties and exhibit a great potential for engineering applications. Although they have been employed as lubricants in metal-metal, metal-ceramic and ceramic-ceramic contacts, in this thesis we present the first study about the use of ILs as pure lubricants in polymer/steel contacts. The tests have established the efficacy of the ILs to reduce friction coefficient and wear rates in a variety of kinds of contacts, and criogenic to high temperature performance. Novel dispersions of ILs in polymers have been obtained with epoxy resin and thermoplastics as matrix. Therefore, the thermal, mechanical and tribological properties of the materials have studied and are discussed in the present thesis. Furthermore, the contents of ILs in the polymer matrix have been studied in relation to the tribological properties using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-Ray Spectrometry (EDS), the wear mechanisms that operated in the contacts were established. The novel dispersions showed a reduction in the friction coefficient and wear in comparison with neat polymers, reaching in some cases a decrease of 79%. In the case of thermoplastics such as polystyrene and polyamide 6, the new dispersions showed a reduction in friction coefficient and wear in the same range as that of the ILs when used as external lubricants in the steel/polymer contact. In addition nanoparticles of zinc oxide were used to obtain polycarbonate based nanohybrids with the purpose of improving the tribological properties. Novel nanohybrids of zinc oxide and modified zinc oxide were obtained. The mechanical, thermal and tribological properties were studied. The results of experiments clearly demonstrated that the use of ILs modifies the shape and size of the ZnO nanoparticles, increasing the tribological properties of the novel nanohybrids. Different techniques such as EDS, Transmission Electron Microscopy (TEM), X-Ray Diffraction (XRD) and X-Ray Photoelectron Spectrometry (XPS) were used to examine and establish the surface interactions and mechanism that operated between ILs and ZnO. In summary, the results reveal the importance of the processing parameters on the stability of the nature of the anion in the ILs.