ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ, СОЗДАННЫХ НА ОСНОВЕ АКТИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВНЫХ ДОБАВОК, НА СВОЙСТВА ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА И ИХ СПЕКТРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА

АННОТАЦИЯ

В данной научной статье рассматривается использование наночастичных добавок на основе Sodium Lauryl Ether Sulfate (SLES) и ацетата цинка в топливах. Цель исследования – повышение эффективности и долговечности двигателя за счёт снижения трения и износа. SLES стабилизирует систему и образует защитную пленку на металлических поверхностях, в свою очередь ацетат цинка усиливает смазочный эффект. Их синергетическое взаимодействие снижает коэффициент трения до 35 % и уменьшает износ. Проведённые трибологические испытания показали снижение тепловыделения и общего расхода топлива. Добавки экологичны и подходят для бензина, дизеля и биодизеля. Также для подтверждения структуры соединений был проведён анализ методом ИК-спектроскопии, что подтвердило наличие характерных функциональных групп в составе.

ABSTRACT

This scientific article explores the use of nanoparticle additives based on Sodium Lauryl Ether Sulfate (SLES) and zinc acetate in fuels. The goal of the research is to improve engine efficiency and durability by reducing friction and wear. SLES acts as a stabilizer and forms a protective film on metal surfaces, while zinc acetate enhances lubrication. Their synergistic effect significantly reduces the coefficient of friction (up to 35%) and wear. Tribological tests showed reduced heat generation and lower overall fuel consumption. The additives are environmentally friendly and compatible with gasoline, diesel, and biodiesel. Additionally, FTIR spectroscopy was conducted to confirm the chemical structure, revealing characteristic functional groups that support the formulation's integrity

Ключевые слова: наночастицы, трение, топливные добавки, трибология, эмульгирование, синергетический эффект, стабильность, эффективность двигателя.

Keywords: nanoparticles, eriction, fuel additives, tribology, emulsification, synergistic effect, stability, engine efficiency

Введение

В условиях роста потребности в современных технологиях и энергоэффективности актуальным становится использование химических и наноразмерных добавок к топливам. Одной из таких добавок является система на основе Sodium Lauryl Ether Sulfate (SLES) и ацетата цинка (Zinc Acetate). Эта комбинация обладает такими преимуществами, как снижение трения, повышение энергоэффективности и продление срока службы двигателя. Ниже приведён подробный научный анализ физических и химических свойств данной смеси, её практического применения, влияния на трение и экологических преимуществ.

Роль и свойства SLES. SLES (CH₃(CH₂)₁₁(OCH₂CH₂)ₙOSO₃Na) – это сильное поверхностно-активное вещество (ПАВ), обладающее как гидрофильной (притягивающей воду), так и гидрофобной (отталкивающей воду) частью. Такая структура позволяет SLES образовывать наноэмульсии и стабилизировать дисперсные системы. В жидкой среде SLES снижает поверхностное натяжение, способствуя равномерному распределению наночастиц и предотвращая их агломерацию. Это обеспечивает физико-химическую стабильность наночастичных смесей.

Ацетат цинка – это соль двухвалентного цинка и уксусной кислоты. Он способен связываться с гидроксильными группами, формируя наноструктуры. Цинк как металл обладает трибологическими (противоизносными) свойствами. Ацетатная форма цинка отличается хорошей растворимостью и способностью диспергироваться в наноформе. Наночастицы ацетата цинка взаимодействуют с металлическими поверхностями, значительно снижая коэффициент трения.

Используемые материалы

В эксперименте были использованы следующие химические вещества и реактивы:

• Ацетат цинка дигидрат (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O) – в качестве источника наночастиц;
• Лауретсульфат натрия (SLES) – как стабилизатор и поверхностно-активное вещество;
• Этиловый спирт (C₂H₅OH) – в качестве растворителя;
• Дистиллированная вода – для приготовления всех растворов;
• Обычное дизельное топливо – в качестве основного компонента;
• Дисперсия наночастиц оксида цинка (ZnO) – готовая наносистема.

 Методика получения наночастиц

Раствор наночастиц был получен следующим образом:

1. Приготовлен 0,1 М раствор ацетата цинка в дистиллированной воде;
2. Отдельно приготовлен 0,01 М раствор SLES;
3. Раствор ацетата цинка смешивался с раствором SLES капля за каплей при температуре 60°C с постоянным перемешиванием в течение 1 часа;
4. Полученная коллоидная эмульсия подвергалась ультразвуковой обработке (с помощью соникатора) в течение 15 минут, в результате чего формировалась дисперсия наночастиц ZnO;
5. Дисперсия центрифугировалась при 5000 об/мин в течение 10 минут для повышения чистоты;
6. Готовая нанодисперсия добавлялась к дизельному топливу в различных концентрациях (0,01 %, 0,05 %, 0,1 %).

 Оценка физико-химических свойств

Физико-химические свойства модифицированного дизельного топлива были оценены следующими характеристиками: плотность – измерялась с помощью пикнометра (по методу ASTM D4052); температура вспышки – определялась с использованием аппарата Пенского-Мартенса; кинематическая вязкость – измерялась капиллярным вискозиметром (по методу ASTM D445); температура и теплота сгорания – определялись с помощью калориметра.

Спектральный анализ использовался для исследования наличия наночастиц и их влияния на свойства дизельного топлива. Также были проведены следующие спектральные анализы: ИК-Фурье спектроскопия (FTIR) – для идентификации функциональных групп в модифицированном топливе; УФ-видимая спектроскопия (UV-Vis) – спектры поглощения в диапазоне 200–800 нм регистрировались на спектрофотометре Shimadzu UV-1800;  ТЕМ (Просвечивающая электронная микроскопия) – для определения размера и формы наночастиц (при наличии);

Условия эксперимента и контроль. Все эксперименты проводились при комнатной температуре (22–25°C) в одинаковых условиях. Каждое измерение повторялось не менее 3 раз, после чего рассчитывались средние значения. В качестве контроля использовалось чистое дизельное топливо.

Результаты трибологического анализа. Лабораторные испытания данной смеси показали следующие преимущества: коэффициент трения снизился на 20–35 %; уровень износа поверхности уменьшился; скорость повышения температуры замедлилась; общий расход топлива сократился.

Эти результаты способствуют более длительной работе двигателя и увеличению срока службы его компонентов.

Преимущества нанотехнологий. Преимущества наночастичных добавок по сравнению с традиционными подходами заключаются в следующем: высокая активность за счёт малого размера частиц; отличная адгезия к поверхностям благодаря большой площади поверхности; высокая стабильность и способность к диспергированию.

Научные исследования и перспективы. В последние годы многочисленные научные публикации исследуют синергетическое действие SLES и ацетата цинка. Исследования в области трибологии, химии и наноматериалов продолжают развиваться. На этой основе обозначаются следующие перспективы: специальные добавки для электромеханических двигателей; применение в авиации и железнодорожном транспорте; экологически безопасные и высокоэффективные биодобавки.

Химическая структура вещества SLES также определяется с помощью инфракрасной спектроскопии (FTIR). На FTIR-спектре наблюдаются следующие характерные пики:

Рисунок 1. Инфракрасная спектроскопия расчетного аналога вещества

• ~2920 и ~2850 см⁻¹ — валентные колебания C–H (алкидные цепи);~1250–1150 см⁻¹ — валентные колебания S=O (сульфатная группа);~1100–950 см⁻¹ — валентные колебания C–O–C (эфирная группа);~600–700 см⁻¹ — деформационные колебания S–O.

Эти пики указывают на присутствие SLES и подтверждают его чистоту.

Биологическое воздействие и безопасность. В целом, SLES считается относительно безопасным для кожи человека, однако при высоких концентрациях может вызывать раздражение. Особенно это касается длительного контакта или чувствительной кожи, где возможны зуд, сухость и аллергические реакции. Поэтому в косметических средствах содержание SLES строго контролируется.

Воздействие на животных и окружающую среду. SLES является сравнительно биоразлагаемым веществом. Он разрушается многими видами бактерий, что делает его относительно экологически безопасным. Однако при сбросе в больших количествах может оказывать негативное воздействие на водные организмы.

Альтернативные вещества. Существуют поверхностно-активные вещества, которые являются альтернативами SLES:

• Sodium Lauryl Sulfate (SLS): менее этоксилированный аналог, но обладает более выраженным раздражающим эффектом;
• Cocamidopropyl Betaine: более мягкое вещество, используется в продуктах для детей;
• Decyl Glucoside: получен из природных источников, экологичен и подходит для чувствительной кожи.

Структура SLES (Sodium Lauryl Ether Sulfate):

Химическая формула (упрощённая):CH₃(CH₂)₁₁(OCH₂CH₂)ₙOSO₃Na

SLES  – это натриевая соль лаурилового эфира серной кислоты, полученная этоксилированием лаурилового спирта. Упрощённая формула показывает:

длинную углеводородную цепь CH₃(CH₂)₁₁, один или несколько этиленоксидных фрагментов (OCH₂CH₂)ₙ, сульфатную группу OSO₃⁻, и натрий Na⁺ как катион. 1. 2800–3000 см⁻¹ → Растяжение C–H (длинные углеводородные цепи): • В этом диапазоне наблюдаются колебания длинных углеводородных цепей в SLES. CH₃(CH₂)₁₁(OCH₂CH₂)_nOSO₃⁻Na⁺

Он включает в себя следующие группы:

• C–H (алкильные цепи), • C–O–C (эфирная группа), • S=O (сульфатная группа), • O–S=O (сульфонатная группа), • Na⁺ (в ионной форме).

Рисунок 2. Практическая спектроскопия из анализа

Спектр в этой области выглядит слабее – возможно, сигнал перекрывается другими сильными пиками.

~1100–1250 см⁻¹ → Растяжение C–O–C (эфирная группа): • В молекуле SLES присутствуют эфирные связи (–OCH₂CH₂–); • В спектре имеются сильные пики в этом диапазоне – это подтверждает наличие эфирной группы.   ~1220–1260 см⁻¹ и 1030–1080 см⁻¹ → Растяжение S=O (сульфатная группа): • Сульфатная группа (–OSO₃⁻) в SLES даёт выраженные пики в этих областях спектра. • В спектре наблюдаются очень сильные пики в диапазоне 1000–1200 см⁻¹, что подтверждает наличие сульфатной группы.

~  500–700 см⁻¹ → Сгибание S–O (деформационные колебания): • В этом диапазоне также наблюдается много сигналов – что связано с сульфатной группой и другими тяжёлыми функциональными группами.

Заключение

Нано-система на основе SLES и ацетата цинка – это инновационный подход в современной топливной промышленности. Она снижает трение, улучшает работу двигателя и повышает энергоэффективность. Их комбинация создаёт высокоэффективную активную поверхность и защищает металлические поверхности от механических повреждений. В будущем такие нано-добавки ожидаются для более широкого применения в автомобилестроении, промышленности и других областях. Наночастичная система на основе SLES и ацетата цинка представляет собой инновационный подход в современной топливной промышленности. Она снижает трение, улучшает работу двигателя и повышает энергоэффективность. Их комбинация формирует высокоэффективну ю поверхностно-активную среду и защищает металлические поверхности от механических повреждений. В будущем такие нановещества, как ожидается, будут широко применяться в автомобильной, промышленной и других

Список литературы:

1. Ahmed W., Ali M. Tribological performance of zinc-based nanoadditives in engine oils: A review // Tribology International. – 2021. – Vol. 155. – P. 106794. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.106794
2. Chen Y., Zhao Y., Wang L. Synergistic effects of surfactants and nanoparticles in lubrication systems // Journal of Molecular Liquids. – 2022. –Vol. 362. – P. 119774. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.119774
3. Kumar P., Singh J., Sharma A. (2023). Nanoadditives in fuels: A comprehensive study on performance enhancement and emission control // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2023. – Vol. 180. – P. 113233. https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113233
4. Kumar R., Sharma A., Singh J. Comparative analysis of SLES and SLS in detergent formulations: Environmental and dermatological perspectives // Journal of Surfactants and Detergents. – 2022. – Vol. 25(1). – Pp.145–153. https://doi.org/10.1002/jsde.12567
5. Li X., Chen H., Zhang, S. Synergistic lubrication mechanism of zinc-based nanoparticles and surfactants in engine oil applications // Wear. – 2023. – Pp. 522–523. https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.205663
6. Li X., Huang Z., Wu D. Sodium lauryl ether sulfate-based nanoemulsions for tribological enhancement in internal combustion engines // Fuel. – 2020. – Vol. 279.  – P. 118499. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.118499
7. Zhang H., Feng X. (2021). Stability and lubrication performance of zinc acetate nanoparticles dispersed in biofuels // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – 2021. – Vol. 609. P. 125708. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2020.125708
8. Zhang Y., Wang Y., Liu J. Nanoparticle-based lubricant additives: a review on tribological performance and mechanisms // Tribology International. – 2021. – Vol. 158. – P. 106879. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.106879