Hematite Nanoparticle Synthesis and Its Tribological and Rheological Performance as a Lubricating Oil

Mustafa H. Flayyih; Mustafa R. Fahad; Haider J. Saiwan

doi:10.52716/jprs.v16i2.1180

المؤلفون

Mustafa H. Flayyih وزارة النفط، مركز البحث والتطوير النفطي
Mustafa R. Fahad وزارة النفط، مركز البحث والتطوير النفطي
Haider J. Saiwan وزارة النفط، مركز البحث والتطوير النفطي

DOI:

https://doi.org/10.52716/jprs.v16i2.1180

الكلمات المفتاحية:

Nano hematite, Base Oil, Nano-Lubricating oil, Surface Modification, Tribology and Rheology

الملخص

يشير الاحتكاك إلى القوى المقاومة التي تنشأ بين الأسطح المتلامسة أثناء حركتها النسبية. وتُعد الأجزاء المتحركة الدوارة في المحركات المصدر الرئيسي للخسائر الناتجة عن الاحتكاك. يمكن تقليل معامل الاحتكاك بشكل فعال وتحسين أداء زيوت التزييت من خلال إضافة الجسيمات النانوية إليها. يهدف هذا البحث إلى تحضير جسيمات نانوية من الهيماتيت (α-Fe₂O₃) باستخدام طريقة الترسيب المشترك، وتقييم خصائصها التريبيولوجية والريولوجية عند إضافتها إلى زيت الأساس 40stock لتحسين خواصه. تم استخدام كلوريد الحديديك (FeCl₃) ومحلول الأمونيا كمصادر أولية في عملية التحضير، مع دراسة تأثير استخدام المادة المشتتة CTABعلى حجم الجسيمات وتوزيعها. خضعت العينات المحضرة لتحاليل مختلفة شملت: حيود الأشعة السينية(XRD) ، مطيافية الأشعة تحت الحمراء(FTIR) ، المجهر الذري للقوة (AFM)، ومقياس الامتزاز النيتروجيني(BET) ، بالإضافة إلى اختبار Timken لدراسة مقاومة الحمل. أظهرت النتائج أن الجسيمات المحضرة تمتلك حجمًا نانويًا بحدود 25 نانومتر، مع تحسن في المساحة السطحية عند استخدامCTAB . كما أظهرت جسيمات الهيماتيت سلوكًا مغناطيسيًا (فيرومغناطيسيًا) عند قياسها باستخدام جهاز VSM. من خلال التجارب وبعد إضافة 0.01% وزني من الجسيمات النانوية إلى زيت الأساس أدت إلى تحسين كبير في قدرة الزيت على تحمل الأحمال بنسبة تصل إلى 92%، بالإضافة إلى تقليل واضح في آثار التآكل. إلا أن الأداء بدأ بالتراجع عند تركيزات أعلى نتيجة لتجمع الجسيمات (agglomeration)، مما قلل من فاعليتها.

تشير هذه النتائج إلى الإمكانية الكبيرة لاستخدام جسيمات الهيماتيت النانوية كإضافات فعالة وصديقة للبيئة في زيوت التزييت، مع إمكانية تطوير استخدامها في تطبيقات صناعية مستقبلية بعد تحسين آلية التحضير والتحكم في حجم وتوزيع الجسيمات.

المراجع

W. J. Bartz, “Tribology, lubricants and lubrication engineering — a review”, Wear, vol. 49, no. 1, pp. 1-18, 1978. https://doi.org/10.1016/0043-1648(78)90019-4.

P. V. Babu, S. Ismail, and B. S. Ben, “Experimental and numerical studies of positive texture effect on friction reduction of sliding contact under mixed lubrication”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, vol. 235, no. 2, pp. 360–375, Jun. 2020. https://doi.org/10.1177/1350650120930911.

M. S. Gemsprim, N. Babu, and S. Udhayakumar, “Tribological evaluation of vegetable oil-based lubricant blends”, Materials Today: Proceedings, vol. 37, no. 2, pp. 2660–2665, 2020. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.521.

D. Demydov, A. Adhvaryu, P. McCluskey, and A. P. Malshe, “Advanced lubricant additives of dialkyldithiophosphate (DDP)-functionalized molybdenum sulfide nanoparticles and their tribological performance for boundary lubrication”, ACS Symposium Series, In Nanoscale Materials in Chemistry: Environmental Applications, Chapter 8, pp. 137-163, Aug. 2010. https://doi.org/10.1021/bk-2010-1045.ch008.

S. Shahnazar, S. Bagheri, and S. B. Abd Hamid, “Enhancing lubricant properties by nanoparticle additives”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 41, no. 4, pp. 3153–3170, 2016. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.12.040.

Y. Zhu, H. Zhang, N. Li, and Z. Jiang, “Friction and Wear Characteristics of Fe3O4 Nano-Additive Lubricant in Micro-Rolling”, Lubricants, vol. 11, no. 10, Oct. 2023. https://doi.org/10.3390/lubricants11100434.

M. R. Fahad and B. A. Abdulmajeed, “Surface Modification of TiO₂-Al₂O₃ Nanoparticles for the Enhancement of the Rheological Properties of Lubricating Oil”, Journal of applied research and technology, vol. 20, no. 1, pp. 37–47, 2022. https://doi.org/10.22201/icat.24486736e.2022.20.1.1556.

M. Raad and B. A. Abdulmajeed, “Effect of Modified Hybrid Nanoparticles on the Properties of Base Oil”, Iraqi Journal of Chemical and Petroleum Engineering, vol. 23, no. 1, pp. 1–7, Mar. 2022. https://doi.org/10.31699/IJCPE.2022.1.1.

M. I. H. C. Abdullah, M. F. bin Abdollah, H. Amiruddin, N. Tamaldin, N. R. M. Nuri, and M. Hassan, “Improving engine oil properties by dispersion of hBN/Al2O3 nanoparticles”, Applied Mechanics and Materials, vol. 607, pp. 70–73, 2014. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.607.70.

M. K. A. Ali and H. Xianjun, “Improving the tribological behavior of internal combustion engines via the addition of nanoparticles to engine oils”, Nanotechnology Reviews, vol. 4, no. 4, pp. 347–358, 2015. https://doi.org/10.1515/ntrev-2015-0031.

W. Wu, Q. He, and C. Jiang, “Magnetic iron oxide nanoparticles: Synthesis and surface functionalization strategies”, Nanoscale research letters, vol. 3, no. 11, pp. 397–415, Nov. 2008. https://doi.org/10.1007/s11671-008-9174-9.

Y. Chen, P. Renner, and H. Liang, “Dispersion of nanoparticles in lubricating oil: A critical review”, Lubricants, vol. 7, no. 1, p. 7, 2019. https://doi.org/10.3390/lubricants7010007.

Deepika, “Nanotechnology implications for high performance lubricants”, SN Applied Sciences, vol. 2, no. 6, Art. no. 1128, 2020. https://doi.org/10.1007/s42452-020-2916-8.

Z. S. Hu, J. X. Dong, and G. X. Chen, “Study on antiwear and reducing friction additive of nanometer ferric oxide”, Tribology International, vol. 31, no. 7, pp. 355-360, 1998. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(98)00042-5.

F. S. A. Majeed, N. B. M. Yusof, M. A. Suhaimi, and N. M. Elsiti, “Effect of paraffin oil with XGnP and Fe2O3 nanoparticles on tribological properties”, Materials Today: Proceedings, vol. 27, no. 2, pp. 1685–1688, Jan. 2020. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.03.576.

X. Wang, H. Liu, Q. Zhao, X. Wang, and W. Lou, “Viscosity Variations and Tribological Performances of Oleylamine-Modified Fe3O4 Nanoparticles as Mineral Oil Additives”, Lubricants, vol. 11, no. 3, p.149, Mar. 2023. https://doi.org/10.3390/lubricants11030149.

M. Garcia Tobar, R. W. Contreras Urgiles, B. Jimenez Cordero, and J. Guillen Matute, “Nanotechnology in Lubricants: A Systematic Review of the Use of Nanoparticles to Reduce the Friction Coefficient”, Lubricants, vol. 12, no. 5, p. 166, May 2024. https://doi.org/10.3390/lubricants12050166.

A. Morshed, H. Wu, and Z. Jiang, “A comprehensive review of water-based nanolubricants,” Lubricants, vol. 9, no. 9, p. 89, Sep. 01, 2021. https://doi.org/10.3390/lubricants9090089.

K. Maharaja, S. N. Vijayan, and S. Karthik, “Tribological Effect of Size, Shape and Structure of Nanoparticle in Lubricant Oil-A Review”, International conference on systems, science, control, communication, engineering and technology (ICSSCCET 2016), pp. 730–734, 2016.

P. D. Srivyas and M. S. Charoo, “A review on tribological characterization of lubricants with nano additives for automotive applications”, Tribology in Industry, vol. 40, no. 4, pp. 594–623, 2018. https://doi.org/10.24874/ti.2018.40.04.08.

M. H. Flayyih and M. S. Theib, “Effect of Cationic Surfactant in the Synthesis Process of Nano γ-Alumina for Petroleum Industry Application”, Journal of Petroleum Research and Studies, vol. 12, no. 4, pp. 92-103, Dec. 2022. https://doi.org/10.52716/jprs.v12i4.578

M. Khalil, J. Yu, N. Liu, and R. L. Lee, “Hydrothermal synthesis, characterization, and growth mechanism of hematite nanoparticles”, Journal of Nanoparticle Research, vol. 16, no. 4, Art. no. 2362, 2014. https://doi.org/10.1007/s11051-014-2362-x.

N. Angelova, S. Koleva, and G. Yordanov, “Synthesis and characterization of nanostructured hematite for wastewater treatment Synthesis and characterization of nanostructured hematite for wastewater treatment”, Industry 4.0, vol. 7, no. 6, pp. 232-233, December 2022.

T. Pinnarat and P. E. Savage, “Noncatalytic esterification of oleic acid in ethanol”, The Journal of Supercritical Fluids, vol. 53, no. 1–3, pp. 53–59, Jun. 2010. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2010.02.008.

L. N. Okassa, H. Marchais, L. Douziech-Eyrolles, K. Hervé, S. Cohen-Jonathan, E. Munnier, M. Soucé, C. Linassier, P. Dubois, and I. Chourpa, “Optimization of iron oxide nanoparticles encapsulation within poly(d,l-lactide-co-glycolide) sub-micron particles”, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, vol. 67, no. 1, pp. 31–38, Aug. 2007. https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2006.12.020.

W. Aadinath and V. Muthuvijayan, “Influence of oleic acid coating on the magnetic susceptibility and Fenton reaction-mediated ROS generation by the iron oxide nanoparticles”, Nano Express, vol. 5, no. 1, Art. no. 015017, Mar. 2024. https://doi.org/10.1088/2632-959X/ad2b7f.

V. M. Mello, G. P. A. G. Pousa, M. S. C. Pereira, I. M. Dias, and P. A. Z. Suarez, “Metal oxides as heterogeneous catalysts for esterification of fatty acids obtained from soybean oil”, Fuel Processing Technology, vol. 92, no. 1, pp. 53–57, Jan. 2011. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2010.08.019.

Y. J. Lee, K. W. Jun, J. Y. Park, H. S. Potdar, and R. C. Chikate, “A simple chemical route for the synthesis of γ-Fe2O3 nano-particles dispersed in organic solvents via an iron-hydroxy oleate precursor”, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, vol. 14, no. 1, pp. 38–44, Jan. 2008. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2007.08.009.

M. Zhu, Y. Wang, D. Meng, X. Qin, and G. Diao, “Hydrothermal synthesis of hematite nanoparticles and their electrochemical properties”, Journal of Physical Chemistry C, vol. 116, no. 30, pp. 16276–16285, Aug. 2012. https://doi.org/10.1021/jp304041m

C. D. Powell, A. W. Lounsbury, Z. S. Fishman, C. L. Coonrod, M. J. Gallagher, D. Villagran, J. B. Zimmerman, L. D. Pfefferle, and M. S. Wong, “Nano-structural effects on Hematite (α-Fe2O3) nanoparticle radiofrequency heating”, Nano Convergence, vol. 8, no. 1, Art. no. 8, Dec. 2021. https://doi.org/10.1186/s40580-021-00258-7.

J. B. Lee, H. J. Kim, J. Lužnik, A. Jelen, D. Pajić, M. Wencka, Z. Jagličić, A. Meden, and J. Dolinšek, “Synthesis and magnetic properties of hematite particles in a ‘nanomedusa’ morphology”, Journal of Nanomaterials, vol. 2014, Art. no. 902968, 9 pages, 2014. https://doi.org/10.1155/2014/902968

G. Hübschen, I. Altpeter, R. Tschuncky, and H.-G. Herrmann, Materials characterization using nondestructive evaluation methods, Woodhead Publishing, an imprint of Elsevier, 2016. https://doi.org/10.1016/C2014-0-00661-2.