ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СМАЗКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОЧАСТИЧНЫХ ДОБАВОК

АННОТАЦИЯ

Нанотехнология предоставляет возможность улучшить производительность смазочных масел с помощью нано-добавок. Добавление наночастиц в традиционные базовые масла является перспективным подходом для улучшения таких свойств, как сопротивление трению и износу. Этот обзор рассмотрит последние разработки в индустрии смазочных материалов, связанные с нано-добавками. Он охватывает традиционные базовые жидкости и обычные смазочные присадки, а также уделяет внимание узким направлениям, таким как применение наночастиц. Распространенным решением этой проблемы является добавление небольших, но эффективных присадок в базовое масло, что значительно улучшает свойства смазочного материала, таких как окислительная стабильность, трибологические и тепловые характеристики, в то время как минеральные масла или синтетические углеводородные смеси сами по себе не могут удовлетворить требования оригинальных производителей оборудования (OEM). Наконец, в этом обсуждении будет рассмотрено будущее использование наночастиц в индустрии смазочных материалов.

ABSRACT

Nanotechnology provides the opportunity to enhance the performance of lubricating oils using nano-additives. The addition of nanoparticles to conventional base oils is a promising approach to improving properties such as friction and wear resistance. This review will examine the latest developments in the lubricants industry related to nano-additives. It covers conventional base fluids and common lubricant additives, as well as focusing on niche areas such as the application of nanoparticles. A common solution to this problem is adding small but effective additives to the base oil, which significantly improves the lubricant’s properties, such as oxidative stability, tribological, and thermal characteristics, while mineral oils or synthetic hydrocarbon blends alone cannot meet the requirements of original equipment manufacturers. Finally, this discussion will explore the future use of nanoparticles in the lubricants industry.

Ключевые слова: Присадки к смазочным маслам, наноматериалы, модификатор трения, противоизносные, нанотехнологии.

Keywords: Lubricant oil additives, nanomateriallar, friction modifier, anti-wear, nanotechnology.

Введение

Трибология состоит из двух греческих слов: "tribos" и "logos". "Tribos" означает "трение", а "logos" — "наука". На практике трибология — это наука об износе, трении и смазке. Одной из основных причин износа и трения в системах является их влияние на работу механизмов.

Отказ машин, таких как двигатели, трансмиссии, подшипники и другие компоненты, крайне важен для бесперебойной работы механических систем в различных областях, таких как автомобилестроение, авиация, горное дело и другие отрасли техники [1], а также потери энергии, что является важной проблемой трибологии, возникающей в результате высокого трения. Исследование, проведенное Холм Бергом и другими учеными в 2012 году [2], показало, что треть топлива теряется из-за трения в двигателях и других движущихся частях, таких как трансмиссии, тормоза и шины. Согласно их расчетам, если новые технологии снижения трения будут применяться к легковым автомобилям, в течение 5-10 лет потери от трения снизятся на 18% (на глобальном уровне будет сэкономлено 174 миллиарда евро), а через 15-25 лет снижение составит 61% (будет сэкономлено 576 миллиардов евро). Эта тенденция также наблюдается в тяжелых грузовых автомобилях. Холм Берг и другие исследователи [3] доказали, что 33% топлива в двигателях грузовых автомобилей теряется из-за трения. Кроме того, они показали, что в 2012 году для устранения трения в тяжелых грузовиках было потрачено 180 миллиардов литров топлива на глобальном уровне. Использование нано-добавок имеет несколько преимуществ, таких как подходящий размер для проникновения в неровные поверхности, термическая стабильность, разнообразие химического состава частиц и время индукции на поверхности (время, необходимое для эффективного взаимодействия смазочного материала или добавки с поверхностями, которые должны быть защищены). Это также способность к быстрой реакции, что является важным фактором для постоянных смазочных добавок. За последние десятилетия было проведено множество исследований, которые подчеркивают эффективность добавления нано-добавок, таких как металлы, металлические оксиды, металлические сульфиды, карбонаты, бораты, углеродные материалы, органические материалы и редкоземельные соединения в смазочные материалы для снижения трения и износа. Свойства уменьшения трения и износа улучшаются благодаря уникальным характеристикам нано-добавок, таким как их размер, форма и физико-химическая природа. Эта работа рассматривает все известные нано-добавки, используемые в смазочной промышленности, и анализирует новые научные разработки в контексте базовых масел и добавок. Смазочные материалы синтезируются из трех различных типов базовых масел: минеральных, синтетических и биологических, каждый из которых имеет различные характеристики и подходит для различных применений. Наиболее широко используемым смазочным материалом в промышленности является минеральное масло. Минеральные масла — это жидкости на основе нефти, которые используются в машинах, где необходимо контролировать температуру. Они обычно используются в турбинах, двигателях, трансмиссиях и подшипниках. Синтетические масла, в свою очередь, специально разработаны для производства высококачественных смазочных материалов, например, для смазки при высоких или низких температурах. Биологические смазочные материалы обычно используются в пищевой или фармацевтической промышленности, например, в хлебопекарнях или печах, где необходимо уменьшить риск загрязнения. Биологические источники масла — это растения и животные. Примеры растительных масел включают пальмовое, рапсовое и клещевинное масло, а рыбий жир и ланолин — это масла животного происхождения. В следующем разделе будут обсуждены ряд основных характеристик минеральных и синтетических масел. Добавки

Основные жидкости играют важную роль в смазке и разделении движущихся поверхностей, а также в удалении тепла, износа и загрязнений из системы. Однако для улучшения некоторых характеристик, таких как устойчивость к окислению, защита от трения и износа, защита от коррозии и устойчивость к биологическому разрушению, необходимо добавлять соответствующие добавки. Еще одной проблемой является то, что основная жидкость должна обладать способностью удерживать добавки в растворе при всех рабочих условиях. Примерно 10% конечного смазочного продукта составляют добавки, однако это может значительно различаться в зависимости от применения. По данным Rudnik, добавки можно классифицировать, как показано в таблице 3.

Нано-добавки в масле

В последние годы значительно увеличились исследования смазочных материалов с добавлением наночастиц для контроля системного износа и трения. Широкомасштабные работы проводились с органическими и неорганическими наночастицами, изучалась их возможность использования в качестве антифрикционных (EP) и противоизносных веществ. Исследователи трения обсуждали различные механизмы, такие как адсорбция, проникновение и трибохимические реакции, которые способствуют уменьшению трения и износа. Исследования показали, что добавки наночастиц обладают превосходными трибологическими свойствами по сравнению с традиционными твердыми смазочными добавками. Нано-добавки могут уменьшать трение и износ через несколько основных механизмов, таких как эффект размера, коллоидный эффект, защитный слой (тонкий материал, образующийся на поверхности движущихся частей, который снижает износ, трение и прямое взаимодействие между этими поверхностями) и эффект третьего тела (дополнительный слой материала, обычно состоящий из осадка, частиц или специальных введенных материалов, таких как наночастицы, между двумя движущимися поверхностями). В данном обзоре исследования нано-добавок классифицированы на пять основных групп. Металлические оксиды обычно добавляются в масла на основе жидкостей в качестве смазочных добавок, и полученная связь используется для уменьшения трения и износа.

Nano-TiO₂ рассматривается как эффективный гетерогенный катализатор для открытия эпоксидных колец. Даже после нескольких циклов реакции было доказано, что катализатор не теряет своей активности. Nano-TiO₂, использованный в качестве добавки в API-SF моторное масло и минерализированное масло, продемонстрировал приемлемые свойства для уменьшения трения и защиты от износа. Ву и другие исследователи проанализировали поведение TiO₂ и CuO наночастиц в смазочных жидкостях. Добавление двух типов наночастиц в масло показало, что они снижают трение, причем CuO дал лучшие результаты по сравнению с TiO₂. Также было показано, что обе добавки имели одинаковые характеристики распределения и дисперсии в базовом масле.

Ранее подробно были описаны эффекты различных наночастиц, используемых в качестве смазочных добавок для минерализованных и синтетических масел. В 2013 году Арумугам и Сирэм исследовали влияние химически измененных растительных масел на трибологические свойства с добавлением наночастиц и микрочастиц. Они химически модифицировали сырой каноловый масло (растительное масло, получаемое из семян рапса), чтобы улучшить его устойчивость к окислению и характеристики течения при низких температурах, используя эпоксидирование, гидроксилирование и этерификацию. Их исследование показало, что добавление TiO₂ наночастиц улучшило смазочные свойства канолового масла (снижение коэффициента трения на 15,2%), что является лучшим результатом по сравнению с микрочастицами металлических оксидов (снижение коэффициента трения на 6,9%). Это означает, что частицы TiO₂ имеют меньшую соотношение размера. Кроме того, следы износа в химически измененном каноловом масле имели диаметр 0,65 мм, и для добавок TiO₂ в нано и микромасштабах соответствующие уменьшения составили 11% и 6,1%. Также было замечено, что растворимость TiO₂ наночастиц в каноловом масле была достаточной, и частицы не осаждались даже после 80 часов. Nano-ZnO

Nano-ZnO привлекает большое внимание благодаря своим характеристикам, таким как большая поверхность, высокая энергия поверхности, сильная адсорбция, высокая диффузия, легкость в синтеровании и низкая температура плавления. Кроме того, его подготовка проста, и этот металлоксид широко распространен. Добавление nano-ZnO в основное масло не только улучшает трибологические характеристики смазочного материала, но и значительно снижает его стоимость. Однако из-за низкой растворимости ZnO в масле его дисперсия в основном масле может быть проблематичной. В 2011 году Цзяньхуа и другие исследователи использовали лаурилсульфат натрия (SDS) в качестве поверхностно-активного вещества для синтеза nano-ZnO методом гомогенной осаждения и изучили его растворимость в масле, антикоррозионные свойства и трибологические характеристики. Согласно результатам SEM, средний размер частиц ZnO составил 125 нм. При добавлении ZnO в масле в массовых фракциях 1,0%, 2,0%, 3,0% и 4,0% масло оставалось прозрачным и не расслаивалось в течение 10 дней. Наноразмерные частицы ZnO могут осаждаться на скользящих поверхностях, уменьшая прямой контакт трения и образуя смазочный слой на движущихся поверхностях. Характеристики снижения трения и защиты от износа основного масла значительно улучшились с добавлением модифицированных наноразмерных частиц ZnO.

Гара и Зоу использовали шарово-дисковые испытания для исследования свойств трения и износа ZnO и Al₂O₃ в водных наножидкостях. Эта комбинация наночастиц уменьшает трение на гладких поверхностях. Для полированных поверхностей анализ износа показал, что наночастицы действуют как абразивные частицы, образующие следы износа на поверхностях, при этом твердые частицы оставляют более четкие следы износа.

Результаты и выводы

В последние годы содержание и масштабы области трибологии значительно изменяются. Трибология стала областью науки, которая тесно следит за развитием физики. Эта область, вступив в микро- и наноуровень, кардинально изменила масштаб процессов трения, износа и скольжения. Несмотря на десятилетия исследований наночастиц и их свойств, полное понимание их трибологических характеристик еще не достигнуто. В данном исследовании проанализированы многочисленные преимущества наночастиц в качестве добавок в масла, однако существуют некоторые трудности, которые могут стать темами для будущих исследований.

Первой и, вероятно, самой важной проблемой является подготовка однородных смесей наночастиц и масел и их хранение. Сильные силы Ван дер Ваальса между частицами могут привести к их агрегации в растворе. Поэтому необходимо изучить различные методы модификации для стабилизации наночастиц в различных группах базовых масел, что поможет разработать физически и химически стабильные смазочные материалы.

Еще одной проблемой является повышение вязкости рабочей жидкости из-за добавления частиц с высокой концентрацией, что приводит к снижению давления в системе и увеличению энергозатрат машин. Кроме того, другой проблемой является высокая стоимость производства наночастиц, требующая использования высокотехнологичного оборудования. Таким образом, для экономической целесообразности применения наночастиц необходимо сосредоточиться на совершенствовании их производственных технологий. Demydov D, Adhvaryu A, McCluskey P, Malshe AP. Advanced lubricant additives of dialkyldithiophosphate (DDP)-functionalized molybdenum sulfide nanoparticles and their tribological performance for boundary lubrication. In: Nanoscale materials in chemistry: environmental applications.

Список литературы:

1. Holmberg K, Andersson P, Erdemir A. Global energy consumption due to friction in passenger cars. Tribol Int 2012;47(0):221-34.
2. Holmberg K, Andersson P, Nylund NO, Makela K, Erdemir A. Global energy consumption due to friction in trucks and buses. Tribol Int 2014;78(0):94-114.
3. Chapter 3 - lubricants and their composition. In: Stachowiak GW, Batchelor AW, editors. Engineering tribology. 4th ed. Boston: Butterworth-Heinemann; 2014. p. 51-104.
4. Khemchandani B, Somers A, Howlett P, Jaiswal AK, Sayanna E, Forsyth M. A biocompatible ionic liquid as an antiwear additive for biodegradable lubricants. Tribol Int 2014;77(0):171-7.
5. Qu J, Luo H, Chi M, Ma C, Blau PJ, Dai S, et al. Comparison of an oil-miscible ionic liquid and ZDDP as a lubricant antiwear additive. Tribol Int 2014;71(0):88.
6. García A, Gonzalez R, Battez AH, Viesca JL, Monge R, Fernandez-Gonzalez A, et al. Ionic liquids as a neat lubricant applied to steel-steel contacts. Tribol Int 2014;72(0):42-50.
7. Otero I, Lopez ER, Reichelt M, Fernandez J. Friction and anti-wear properties of two tris(pentafluoroethyl) trifluorophosphate ionic liquids as neat lubricants. Tribol Int 2014;70(0):104-11.
8. Termehyousefi A, Bagheri S, Kadri NA, Mohamed Elfghi F, Rusop M, Ikeda S. Synthesis of well-crystalline lattice carbon nanotubes via neutralized cooling method. Mater Manuf Process 2015;30:59-62.