ÁREA
Iniciação Científica
Autores
Nunes, N.S.L. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Silva, E.G. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Andrade, J.G.G.N. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Santos, M.V.S. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE) ; Caland, L.B. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO NORTE)
RESUMO
Em meio a degradação ambiental devido a utilização de combustíveis fósseis, como o óleo diesel, que apesar da sua liberação de enxofre e de gases que contribuem para GEE, sua composição possui elementos que são necessários na lubrificação na parte interna dos motores, evitando o desgaste dos mesmos.O biodiesel é uma alternativa renovável, na qual sua queima causa menos poluição ao meio.O estudo visa avaliar a lubricidade do biodiesel, produzido a partir do sebo bovino, em ensaios tribológicos no HFRR, conforme a norma ASTM D 6079-0.Registrou-se coeficientes de atrito, percentual de camada lubrificante formado e temperatura.Os resultados mostraram a formação de escaras de desgastes, uma formação de camada de lubrificante variável durante o tempo de ensaio e um coeficiente de atrito estável.
Palavras Chaves
biodiesel; lubrificação; HFRR
Introdução
Gás natural, carvão mineral e petróleo, são combustíveis fósseis de origem natural não renovável, que causam um grave impacto ambiental, em especial na colaboração para o aquecimento global. Mediante essa problemática, se faz necessário a utilização de fontes renováveis, ou seja, energia limpa para a regressão da degradação ambiental. Em sua grande maioria os motores automotivos se utilizam de combustíveis fósseis, em predominância os derivados do petróleo, como o óleo diesel, que contém propriedades lubrificantes em sua composição. Os lubrificantes são utilizados para reduzir o desgaste das peças metálicas internas dos motores a diesel, criando uma camada de proteção que impede a interação e o atrito entre as superfícies. Além de ser um inibidor de corrosão e de refrigerar os componentes mais quentes, evitando o superaquecimento e a falha do motor. O biodiesel é com combustível renovável que possui uma variedade de matéria prima tanto de origem vegetal, quanto de origem animal, como o óleo de algodão e o sebo bovino. Ademais ele é ambientalmente amigável, possuindo um baixo teor de enxofre, o que contribui para redução de emissão de gases. Pode ser utilizado de duas maneiras, puro ou adicionado ao óleo diesel. (UDAETA et al, 2016). O diesel se destaca em termos econômicos, enquanto o biodiesel é mais vantajoso em aspectos ambientais, sociais e políticos(UDAETA et al, 2016). O biodiesel é produzido a partir de diversas matérias-primas, com destaque para a soja no cenário brasileiro, mas também há espaço para outras fontes, como o sebo bovino. O sebo bovino como matéria prima, possui vantagens econômicas, ambientais e de suas características energéticas e físico-químicas. Além de possuir maior estabilidade à oxidação e alto valor calorífico, possui maior número de cetano e menor índice de iodo (Krause, 2008; Barros & Jardine, 2016b). Pode ser também uma fonte importante de ácidos graxos de alto valor agregado (Díaz, 2012). Ademais, a cadeia de produção do sebo emite menores quantidades de dióxido de carbono (CO2) que algumas das principais matérias-primas direcionadas à indústria de biodiesel no mundo, como colza e soja. Isto pode ser constatado mediante as análises de Ciclo de Vida do sebo e de óleos vegetais (Díaz, 2012). O estudo visa analisar as características de lubrificação, atrito e desgaste do biodiesel derivado do sebo bovino em comparação com o diesel convencional, especialmente em motores a combustível diesel. A pesquisa visa a busca por alternativas mais sustentáveis e eficientes de combustíveis e lubrificantes para motores. O objetivo geral desta pesquisa é analisar o efeito que o uso de biodiesel, oriundo do sebo bovino, causa sobre o desgaste de peças metálicas que compõem o motor. Os objetivos específicos visam avaliar o desgaste do par esfera-disco plano (metal-metal) em contato com o biodiesel de sebo bovino através do ensaio tribológico no High Frequency Reciprocating Rig (HFRR), além de verificar o desgaste mecânico das peças após serem submetidas aos ensaios.
Material e métodos
Preparação da amostra do biodiesel derivado do sebo bovino: O processo é dividido em duas etapas. Na primeira etapa, foram adicionados 16% (m/m) de metanol e 0,56% (m/m) de catalisador, calculados em relação à massa do sebo bovino. Logo após o sistema foi aquecido a uma temperatura de 60 °C durante um período de 1 hora, sob sistema de refluxo, para então se obter uma reação, na qual será posta em um funil de separação, para separar os ésteres do glicerol. Na segunda etapa os ésteres foram novamente submetidos à reação com adição de 4,0% (m/m) de metanol e 0,14% do catalisador. Após outra separação, a fase superior foi lavada com cinco porções de 100 mL de água destilada para remoção das impurezas como metanol, catalisador e glicerina residual, para então ser novamente aquecida a uma temperatura de 110 °C durante 1 hora para a eliminação total do álcool residual. Preparação do par tribológico esfera e disco plano: As dimensões dos materiais utilizados na pesquisa: um disco, de 9,75 mm de diâmetro e 2,95 mm de espessura e uma esfera de 6 mm. A esfera é composta pelo aço SAE 52100, seguindo os parâmetros da norma ASTM D 6079-04, enquanto o disco é composto pelo aço SAE 1045. O disco foi obtido a partir da usinagem em torno mecânico e o acabamento superficial deste disco foi realizado através do uso de lixas até atingir uma rugosidade média de Ra = 0,244 μm e desvio padrão de 0,07. Ensaios tribológicos em bancada HFRR: No teste, os corpos de prova foram banhados no biodiesel de sebo bovino e colocados em atrito severo, para então ser analisada a resistência e o desgaste das peças, onde será estudada se a lubricidade do composto impediu que as peças entrassem em contato entre as superfícies. Foram monitorados os parâmetros de acordo com a norma ASTM D 6079-04, norma que padroniza procedimentos adequados para ensaios de diesel no HFRR, de carga (N), velocidade de deslizamento relativo entre as superfícies de contato (m/s), distância de deslizamento acumulado (m) e a temperatura (oC). Análise morfológica e química da esfera e do disco: Teve como objetivo analisar a morfologia da superfície desgastada do disco. As escalas geradas nas esferas de aço foram examinadas pelo o microscópio óptico do sistema HFRR (Meiji Techno, modelo ML7000). As superfícies das escalas dos discos e as superfícies do corpo de prova desgastadas também foram analisadas pela Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV).
Resultado e discussão
Os ensaios foram realizados em triplicata, visando os coeficientes de atrito e a
formação da película protetora. Dos três ensaios, todos obtiveram resultados
diferentes, onde o primeiro ensaio teve a formação do filme de forma crescente
após os 10 min de ensaio, chegando a sua porcentagem máxima aos 45 min, em
seguida dá uma decaída variando, finalizando com uma porcentagem de 50%,
enquanto o coeficiente de atrito manteve-se constante ao decorrer do ensaio,
apresentando um valor relativamente baixo de 0,113. No segundo ensaio, a
formação do filme não é tão crescente após os 10 min de ensaio e em seguida se
tem uma grande oscilação mantendo-se por todo restante do tempo, fazendo com que
a formação de filme tenha tido uma porcentagem ligeiramente abaixo de 20%,
ademais o coeficiente de atrito também se manteve constante, porém um pouco
maior que o do primeiro resultado com 0,154. No terceiro ensaio, após os 10 min
a formação do filme começa a ser maior e com bastante oscilação chegando a uma
porcentagem final de 43%, próxima ao resultado do primeiro ensaio, enquanto o
coeficiente de atrito, apresentou o maior valor de todos os ensaios, com 0,163.
Diante desses três ensaios, foi observado que a formação de filme não consegue
de manter constante após os 10 min, causando uma oscilando durante todos os
ensaios dando um desvio padrão considerável de aproximadamente 11,90%.
Através da análise de lubricidade do ensaio do HFRR, foi possível ser feita a
observação por meio de microscópio óptico com ampliação 100, a presença de
escaras formadas nas esferas, os resultados estão apresentados na Figura 1. As
escaras foram formadas pelo atrito entre o disco e a esfera, por meio delas que
é possível avaliar a qualidade do composto lubrificante, pois quanto menor forem
as escaras, menor terá sido a fricção e o desgaste entre as peças, tendo-se
então uma boa formação de película protetora.
Fazendo uma análise nos resultados das escaras, foi possível notar que a
diferença entre os valores dos diâmetros das escaras não é tão expressiva,
mostrando que o desgaste nas esferas teve um WSD médio de 461,7 um, com um
desvio padrão de ± 29,5.
Foram feitas três análises no EDS, em regiões dentro e fora de contato do
disco. A Figura 2 apresenta análise do EDS, dentro e fora da zona do
deslizamento, da amostra do ensaio 2, após submetido a avaliação tribológica.
Na Figura 2 (A), observa-se uma mancha levemente escura e aparentemente
esférica. Apresentando em sua composição química em maior porcentagem o Ferro
(Fe) com 89,85%, devido a composição da liga de Aço SAE 1045 do disco, também
apresenta uma baixa quantidade de oxigênio (O) com 4,67% podendo estar se
associando a formação de óxido. Na Figura 2 (B), nota-se uma leve ponto
escurecido e a presença dos elementos oxigênio (35,75%), ferro (2,13%), magnésio
(14,39%) e silício (27,51%). Com exceção do oxigênio, que pode ter apresentado
devido a formação de óxido, todos os outros elementos fazem parte da composição
do Aço SAE 1045.
Foram feitas mais três análises no EDS, em regiões dentro e fora do contato de
deslizamento do disco da amostra 3, após submetido a avaliação tribológica. Na
primeira análise, que se deu dentro da zona de deslizamento, observa-se um
resultado parecido com a área de contato do segundo ensaio, com uma mancha em
formato esférico, porém bem mais escura, onde apresentou a presença de dois
elementos: ferro (92,86%) e oxigênio (7,07%). Fe. em função da composição do aço
disco SAE 1045 e o oxigênio estando relacionado com a formação de óxido. Na
segunda análise, que foi avaliada fora da zona de deslizamento, foi-se notado
uma trilha de desgaste no disco com aspectos esbranquiçados e formatos
linearmente variados, apresentando elementos de ferro (100,39%), carbono (5,64%)
e oxigênio (3,13%). Na terceira análise, foi a que mais apresentou diferença dos
outros resultados, no qual apresentou leves ranhuras lineares com aspectos
esbranquiçados e em relação a elementos químicos, teve uma grande variedade
presente: cálcio (30,48%), carbono (17,18%), oxigênio (17,17%), enxofre
(17,12%), ferro (13,55%), alumínio (5,95%) e magnésio (0,98%) em sua maioria
oriundas na composição do biodiesel de sebo bovino.
Imagens das superfícies de contato das esferas dos \r\ntrês ensaios no HFRR.
Análise no EDS após segundo ensaio no HFRR. Aspectos \r\ntopográficos dentro da zona de deslizamento (A) e \r\nfora da zona de deslizamento (B).
Conclusões
Dos estudos tribológicos das formulações, na qual foi avaliada os coeficientes de atritos, a formação da camada protetora e do aquecimento de contato, foi- se notado que a produção de filme se deu de maneira instável, não possuindo uma boa média de formação durante os três ensaios executados. Ademais, os coeficientes de atrito se mantiveram estáveis, tendo apenas uma leve variação entre os três resultados obtidos. Em relação às escaras formadas pela corrosão do atrito entre o disco e a esfera, conclui-se que nos três ensaios os resultados foram bastante semelhantes, na qual se obteve mais desgaste no eixo X , do que no eixo Y. A análise de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) revelou que o mecanismo de desgaste abrasivo predominou nas condições dos ensaios de lubricidade HFRR. No caso do biodiesel de sebo bovino, o desgaste foi caracterizado por abrasão, incluindo sulcamento e formação de proa. Ambas as análises de MEV indicaram a presença de elementos químicos característicos dos materiais e do biodiesel, incluindo a detecção de oxigênio nos discos, sugerindo a formação de óxidos.
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, ao dep. de Ciência e Tecnologia da Universidade do Estado do Rio Grande do Norte, juntamente com a Dra. Lilia Basilio de Caland pela sua orientação e oportunidades.
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