MXenes as additives to green/environmentally friendly Lubricants - tribological performance evaluated with a MTM (Mini-Traction Machine) and a Brugger-tester

Abstract

The development of new lubricants and additives is currently attracting great scientific interest, driven by the high demands for sustainability and enhanced performance.Among the substances drawing attention are ionic liquids (ILs), water andglycerol, each presenting unique opportunities for advancement in lubrication technologies.A promising additive to further improve the performance of traditionallubricants and possibly these new candidates, are transition metal carbides and carbonitrides, called MXenes. MXenes exhibit excellent anti-wear properties, largely due to their distinctive two-dimensional structure. This, coupled with the capability to modify surface termination groups, positions MXenes as highly customizable and versatile lubricant additives.In this work, we study the potential of two ILs ([P8881] (BuO)2PO2– and [P8881] (MeO)2PO2 – ) and glycerol as base lubricants in combination with varying amounts of Ti3C2Tx multilayer MXenes, exploring their synergistic effects with two tribometers.Initially, the effectiveness of two ILs, water and glycerol, mixed with a 0.5 wt.-% concentration of MXenes, was evaluated under high-load conditions using the Brugger lubricant tester. The results demonstrated an improvement in the Brugger loadcarrying capacity with MXene additives, which necessitated more in-depth analysis with a mini-traction machine (MTM) tribometer. Using the MTM, Ball-on-disc experiments were conducted under varying parameters such as speeds, temperatures, loads, slide-to-roll ratios and MXene concentrations (0.25 and 1 wt.-%) in conditions of non-conformal contact between steel surfaces.Our results demonstrate that MXenes considerably reduced the coefficient of friction (COF) of the ILs under a broad spectrum of conditions, with the reduction reaching over 80% at low-speed and high-load environments. This reveals that MXene nanosheets have excellent compatibility with ILs. A subsequent transmission electron microscopy (TEM) characterization of the wear tracks proved that MXene flakes are an integral part of the amorphous tribofilm that was formed by the ILs. In contrast, the combination of glycerol and MXenes exhibited a consistent decrease in performance across the full spectrum of parameters.

Die Entwicklung neuer Schmierstoffe und Additive weckt großes wissenschaftliches Interesse, angetrieben durch hohe Anforderungen an Nachhaltigkeit und verbesserteLeistung. Unter den Substanzen, die Aufmerksamkeit erregen, befinden sich ionische Flüssigkeiten (ILs), Wasser und Glycerin, die einzigartige Möglichkeiten fürFortschritte in der Schmierstofftechnologie bieten. Ein vielversprechendes Additiv, um die Leistung herkömmlicher Schmierstoffe und möglicherweise dieser neuen Kandidaten zu verbessern, sind Übergangsmetallkarbide und -carbonitride, genannt MXene. MXene weisen ausgezeichnete Verschleißschutzeigenschaften auf, die größtenteils auf ihre charakteristische zweidimensionale Struktur zurückzuführen sind. Dies, gepaart mit der Fähigkeit, Oberflächenterminierungsgruppen zu modifizieren, positioniert MXene als hochgradig anpassbare und vielseitige Schmierstoffadditive. In unserer Arbeit analysieren wir mit zwei unterschiedlichen Tribometern das Potenzialzweier ILs ([P8881] (BuO)2PO2– und [P8881] (MeO)2PO2– ) sowie Glycerin als Schmierstoffe. Diese werden in Kombination mit variierenden Mengen von Ti3C2TxMXenen untersucht, um ihre synergistischen tribologischen Eigenschaften zu erkunden. Zunächst wurde die Wirksamkeit von zwei ILs, Wasser und Glycerin, gemischtmit einer 0.5% Konzentration von MXenen, unter Hochlastbedingungen mit dem Brugger-Schmierstofftester evaluiert. Die Ergebnisse zeigten eine Verbesserung derBrugger-Tragfähigkeit mit MXene-Additiven, was eine eingehendere Analyse miteinem MTM-Tribometer erforderlich machte. Mit der MTM wurden Kugel-auf-Scheibe Versuche mit verschiedenen Parametern wie Geschwindigkeiten, Temperaturen,Lasten, Gleit-zu-Roll-Verhältnissen und MXene-Konzentrationen (0,25 und1 Gew.-%) unter den Bedingungen eines nicht konformen Kontakts zwischenStahloberflächen durchgeführt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass MXene die Reibungskoeffizienten der ILs untereinem breiten Spektrum von Bedingungen erheblich reduzierten, wobei die Reduktion bei niedriger Geschwindigkeit und hohen Lastbedingungen über 80% erreichte. Dies zeigt, dass MXene-Nanoblättchen eine ausgezeichnete Kompatibilität mit ILsaufweisen. Eine anschließende TEM-Charakterisierung der Verschleißspuren bewies,dass MXene ein integraler Bestandteil des amorphen Tribofilms waren, dervon den ILs gebildet wurde. Im Gegensatz dazu zeigte die Kombination von Glycerinund MXenen eine konstante Leistungsabnahme über das gesamte Spektrum der Parameter.