Grafeno y Tribología:

El Futuro de los Lubricantes y la Eficiencia Energética en la Industria.

La tribología es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación, tanto de sistemas naturales como artificiales en movimiento relativo; su estudio es importante puesto que todos los sistemas mecánicos en movimiento que nos rodean consumen grandes cantidades de energía debido a la fricción. Esto puede generar una deformación estructural y fatiga, o causar el inicio y propagación de grietas que finalmente lleva a la formación de restos de desgaste sueltos en los mecanismos.

A medida que las superficies se desgastan se vuelven más rugosas y altamente reactivas por la formación de defectos provocando una mayor disipación de energía convirtiéndose en un ciclo altamente dañino. Esto se debe a que cuando una superficie se desliza tangencialmente sobre otra se presenta una resistencia al movimiento causado principalmente por interferencia entre las rugosidades, en ocasiones macroscópicas entre dos superficies. Esta resistencia se llama fricción y se presenta en forma de desgaste, aumento de temperatura y deformación; aún en presencia de una película lubricante, cuando la capacidad de carga es grande o el tiempo de deslizamiento es prolongado, la película lubricante pierde espesor o en su defecto, se rompe generando calor y fricción, provocando fallos importantes en las piezas de los equipos metalúrgicos.

“La fricción y el desgaste no solo afectan la operación y el mantenimiento de los equipos industriales, sino que la pérdida de energía causada por estos fenómenos representa 1/3 el consumo de energía industrial del mundo, mientras que el 80% de las fallas en las piezas derivan en importantes impactos económicos”

La amplia investigación sobre las propiedades tribológicas del grafeno y sus derivados lo ha colocado como un importante elemento bidimensional nano-lubricante, con efecto antifricción, anti- desgaste y anticorrosivo debido a los siguientes mecanismos:

• Capa Protectora Nanométrica: Las láminas de grafeno, gracias a su morfología laminar y energía superficial, forman una película protectora que evita el contacto directo entre las superficies deslizantes. Este escudo minimiza la fricción y el desgaste, incluso en micro y nanoniveles.

• Deslizamiento Continuo: Los débiles enlaces entre las láminas de grafeno permiten un deslizamiento continuo, evitando el contacto entre las superficies en movimiento. Cuando estos enlaces se rompen, las láminas se redistribuyen, manteniendo la integridad de la película protectora.

• Supresión de Degradaciones: El grafeno suprime degradaciones abrasivas, adhesivas y corrosivas, reduciendo la fricción y evitando el desgaste.

• Mecanismos de Disipación de Energía: El estiramiento y flexión de los compuestos grafénicos actúan como mecanismos eficientes de disipación de energía.

Estudios teóricos sugieren que, al aumentar la temperatura, la fuerza de fricción disminuye debido a la acumulación de carga entre átomos de carbono e hidrógeno, generando repulsión electrostática. Estas propiedades han llevado a coeficientes de fricción desde 0.05 hasta 0.0003, sin desgaste superficial significativo.

Energeia-Graphenemex®, empresa pionera en América Latina, se destaca por su enfoque en el desarrollo industrial del grafeno. Su experiencia en la creación de métodos de producción asequibles a gran escala garantiza la disponibilidad de materiales grafénicos para diversas aplicaciones, desde productos propios hasta colaboraciones estratégicas con otras empresas que buscan incorporar la técnología del grafeno en sus productos.

Un punto importante por considerar es que, la efectividad de los materiales grafénicos no solo radica en su simple presencia dentro de un nuevo material, es decir, para mejorar su desempeño como lubricante pueden requerirse modificaciones químicas adicionales p.ej., con nitrógeno, elementos metálicos y sus óxidos, polímeros, compuestos como el disulfuro de molibdeno, nitruro de boro, tetraóxido de dimanganeso, ácido esteárico, ácido oleico, alquilamina, entre otros que están siendo estudiados. En Energeia- Graphenemex® esperamos pronto tener disponible el primer lubricante grafénico en México.  

Redacción: EF/DH

Referencias

1. Bao Jin. Lubrication properties of graphene under harsh working conditions. Mater. Today Adv. 2023, 18, 100369;
2. Liu. Yanfei, Xiangyu Ge, Jinjin Li, Graphene Lubrication, Appl. Mater. Today. 2020, 20, 100662;
3. Jianlin Sun and Shaonan Du. Application of graphene derivatives and their nanocomposites in tribology and lubrication: a review. RSC Adv., 2019, 9, 40642;
4. Zhiliang Li, Chonghai Xu, Guangchun Xiao, Jingjie Zhang, Zhaoqiang Chen and Mingdong Yi. Lubrication Performance of Graphene as Lubricant Additive in 4-n-pentyl-40 -cyanobiphyl Liquid Crystal (5CB) for Steel/Steel Contacts. Mater. 2018, 11, 2110;
5. J. Li, X. Ge, J Luo, Random occurrence of macroscale superlubricity of graphite enabled by tribo-transfer of multilayer graphene nanoflakes, Carbon. 2018, 138, 154;
6. T. Arif, G. Colas, T Filleter, Effect of humidity and water intercalation on the tribological behavior of graphene and graphene oxide, ACS Appl. Mater. Inter- faces, 2018, 10,26, 22537;
7. Y. Liu, J. Li, X. Chen, J Luo, Fluorinated graphene: A promising macroscale solid lubricant under various environments, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 43, 40470;
8. O.L. Luévano-Cabrales, M. Alvarez-Vera, H.M. Hdz-García, R. Muñoz-Arroyo, A.I. Mtz-Enriquez, J.L. Acevedo-Dávila, et al., Effect of graphene oxide on wear resistance of polyester resin electrostatically deposited on steel sheets, Wear 2019, 426, 296;
9. R.K. Upadhyay, A. Kumar, Effect of humidity on the synergy of friction and wear properties in ternary epoxy-graphene-MoS 2 composites, Carbon, 2019, 146, 717.