نانو ذرات فلزی در روانکارها

چکیده

روانكارها و مواد افزودني به آن‌ها كه سبب افزايش طول عمر و كيفيت روغن می‌شوند، به دليل مسائل زيست محيطي بسيار مورد توجه هستند. پیش بینی‌های بسیاری درباره رفتار زیستی روانکارها با نانو ذرات مختلف به عنوان افزودنی به آن‌ها صورت گرفته است و تحقیقات فراوانی از تاثیر افزودن نانو ذرات در جهت کاهش سایش و ضریب اصطکاک گزارش شده است. نانو ذرات فلزی مانند نانو ذرات اکسید مس، اکسید تیتانیوم، نانو ذرات مغناطیسی اکسید آهن از جمله این افزودنی‌ها هستند. نانو روانکاری به عنوان هنر و علم لازم برای کنترل چسبندگی، سختی، اصطکاک و سایش سطوح در حال تماس در مقیاس نانو تعریف شده است.

 

 

 

 

کلمات کلیدی: روانکارها؛ مواد افزودنی فلزی؛ اصطکاک؛ سایش؛ روغن

 

 

 

 

 

 

1. مقدمه

روانکاری دانش آسان سازی حرکت نسبی سطوح در تماس با یکدیگر است. این علم به عنوان یکی از
رشته‌های بسیار مهم در علوم مهندسی شناخته می‌شود. به طور کلی به لایه‌های گاز، مایع و یا جامد که میان دو سطح قرار می‌گیرند و یکنواختی حرکت یک سطح روی دیگری را بهبود می‌بخشند و از ایجاد آسیب روی سطوح جلوگیری می‌کنند روانکار گفته می‌شود.  در سامانه های روانکاری، بسته به شرایط متفاوت، از رژیم های روانکاری هیدرودینامیک، روانکاری الاستو هیدرودینامیک[1]، روانکاری جامد و روانکاری مرزی استفاده می شود. در سامانه روانکاری مرزی، بیشترین مقدار اصطکاک رخ می‌دهد. کم بودن روغن، سرعت بسیار کم سطوح و یا زیاد بودن بار باعث می‌شود که لایه بسیار نازکی از روانکار (در حد ابعاد مولکولی)  تمامی نیروی وارده را تحمل کند. در بسیاری از موارد وقتی روانکاری تحت شرایط مرزی صورت می‌گیرد، چون لایه کامل روغن نمی‌تواند روی سطح فلز باقی بماند، در نتیجه اصطکاک و به دنبال آن ساییدگی افزایش می‌یابد و ممکن است جوش خوردگی موضعی اتفاق بیفتد. برای جلوگیری از جوش خوردگی و کم کردن سایش، مواد افزودنی ضدسائیدگی مورد نیاز است. سیالات فلزکاری، سیالات هیدرولیک، روغن‌های موتور و گریس‌ها از جمله روانکارهایی هستند که به این مواد افزودنی نیازمندند [1].

در شرایطی که دو سطح تحت شرایط بار و دمای زیاد روی یکدیگر بلغزند، اصطکاک و سایش سطوح تماس زیاد است که برای جلوگیری از آن باید از مواد افزودنی فشارپذیر استفاده کرد. به طور کلی افزودنی‌های ضدسایش بیشتر برای کاهش اصطکاک در شرایط فشار متوسط و افزودنی‌های فشارپذیر که واکنش پذیرتر هستند زمانی که فشار روی سامانه زیاد باشد استفاده می‌شوند. با افزایش دما افزودنی‌های ضدسائیدگی و فشار پذیر با سطح واکنش داده و لایه هایی را در سطح فلز به وجود می‌آورند. این لایه‌ها که باعث کاهش اصطکاک و سایش می‌شوند، بسته به ترکیب افزودنی ممکن است لایه‌های فسفید، سولفید، سولفات، اکسیدها و کاربیدهای آهن باشند [2].

امروزه فناوری نانو با به کار بردن ذرات نانو به عنوان افزودنی در روانکارها (نانوسیال با پایه روغن) مقدار ساییدگی و اصطکاک با روغن را کاهش می‌دهد و سبب افزایش طول عمر و کیفیت روغن می‌شود. ذرات نانو در فاصله بین دو سطح درگیر شده و در منافذ بسیار ریز سطوح قرار می گیرند و خواص ضد اصطکاک و ضدسایش بالایی در سطوح ایجاد می‌کنند. این ویژگی‌ها ناشی از اندازه بسیار کوچک و سطح ویژه بسیار زیاد این نانوذرات است  [1]. از طرفی ذرات نانو ویژگی‌های کاربردی قابل توجهی به سیالی که به آن افزوده
می‌شوند، می‌دهند که از آن جمله می‌توان به بهبود انتقال گرما و پایداری، کاهش توان لازم برای انتقال سیال، کاهش گرفتگی و انسداد مجاری، کاهش اندازه سامانه‌های انتقال گرما و کاهش هزینه‌ها اشاره کرد. انواع متفاوتی از ذرات نانو به عنوان افزودنی در روانکارها مورد استفاده قرار می‌گیرند [3].

خواص فيزيکي و شيميايي منحصر به فرد نانو ذرات فلزي موجب شده اين تركيبات در سال هاي اخير مورد توجه زيادي قرار بگيرند و کاربرد گسترده‌ای در صنايع اپتيک، الکترونيک، شيميايي و پزشکي داشته باشند [4].  اين خصوصيات ناشي از اندازه بسيار کوچک و سطح ويژه بسيار زياد اين نانوذرات است [2]. با وجود کاربردهای گسترده‌ای که با احتساب زير شاخه‌های هر يک از رشته‌های فوق برای نانو ذرات می‌توان در نظر گرفت، به ندرت از آن‌ها به عنوان مواد افزودنی به روغن‌های روانکار استفاده شده است چرا که لازمه اين کاربرد توانايی پراكنده شدن نانوذره در روغن روانکار است[5].  به همين جهت مي‌توان از آن‌ها در فرمولاسيون روغن استفاده نمود. در واقع اين توانايی نانو ذرات به کروی بودن آن‌ها مربوط می‌شود که بين دو سطح مانند ساچمه (شکل1) قرار گرفته و سبب کاهش اصطکاک می شوند [6].

شکل 1. عملکرد نانو ذرات در روغن [6].

 

 

به دليل ابعاد بسيار ريز يک نانوذره، انتظار می‌رود بتواند تا حدودی در روغن به حالت معلق باقی بماند. ولی با گذشت زمان نانو ذرات به يكديگر چسبيده و با ايجاد ذرات بزرگ‌تر، رسوب مي‌كنند. پوشش دار کردن نانو ذرات به کمک گروه‌های آلی می‌تواند پراكندگي آن‌ها را افزايش دهد. البته اين گروه‌ها بايد از يک طرف قابليت اتصال به مولکول‌های سطحی نانو ذره را دارا بوده و پيوند فيزيکی نسبتا محکمی برقرار نمايند و از طرف ديگر دارای زنجيره‌های هيدروکربنی طويلی باشند، به نحوی که بتوانند در روغن حل شده و نانو ذره را با خود به صورت معلق نگه دارند [5].

در برخي موارد با تشکيل نانوذره، خواصي در آن ايجاد می‌شود که مطلوب نبوده و لازم است به نحوي کنترل شود. مثلاً نانو ذرات فلزي در مقابل اکسايش ناپايدارند، تا حدي که در مجاورت هوا خود به خود آتش گرفته و سريعاً اکسيد مي شوند. بنابراين، اين نانو ذرات بايد تحت جو بی‌اثر نگهداري شوند. پوشش‌دار کردن اين نانو ذرات باعث  پايدار شدن آن‌ها می‌شود، به طوري‌که می‌توان آن‌ها را به راحتی در هوا نگهداری کرد. علاوه بر اين در مواردي نيز پوشش دهی مي‌تواند خواص و کاربردهاي جديدي براي نانو ذره ايجاد کند.

 

 

2. نانو ذرات اکسید آهن

در سال های اخیر، توجه زیادی به بهبود کیفیت سوخت در موتور خودروها شده است. بنابراین، در فرمول بندی روغن موتور به روانکارهایی توجه شده که باعث کاهش گرانروی و اصطکاک می شوند. در این بین،
فرو سیال های بر پایه  Fe₃O₄و  Fe₂O₃ به دلیل ویژگی‌های مغناطیسی و زیست سازگاری، بهبود ویژگی‌های روغن مورد استفاده در خودرو، حجم زیادی از مطالعات و بررسی‌ها را به خود اختصاص داده‌اند [8]. تصویر این نانوذرات در شکل 2 آمده است.

شکل 2. تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نانو ذرات مغناطیسی آهن  [8].

 

 

3. نانو ذرات اکسید نیکل

 

نانو ذره نيكل به عنوان يك ضد سايش و ضد اصطكاك در روغن‌هاي روانکار به كار مي رود. همچنين نانو ذره نيكل به عنوان يك كاتاليست مهم در فرآيندهاي هيدروژناسيون [2]، هيدرودي كلراسيون [3] و تصفيه هيدروژني [4] شناخته می‌شود كه فعاليت كاتاليستي، انتخاب پذيري و پايداري آن با افزايش فلزات ديگر بهبود می‌یابد [9]. به طور كلي ساخت نانو فلزات به دليل واكنش سريع آن‌ها با اكسيژن و تبديل به اكسيد فلزي مشكل است. بنابراين در روش ساخت بايد به گونه‌اي عمل شود كه اكسيداسيون اتفاق نيفتد. روش‌هاي مختلفي برای ساخت اين نانو ذره در منابع ذكر شده  [9]كه برخي از آنها عبارتند از:

واكنش‌هاي فوتوليتيكي[5]، سونوشيمي[6] ، احياء استخراجي حلالي [7]، ميكروامولسيون[8]،  و پيروليز پاششي[9].

يكي از روش هاي موجود، استفاده از پيروليز به همراه اسپري كردن نيترات نيكل است. استفاده از فشار و گاز حامل در اين روش براي احيا كردن اكسيد نيكل به نيكل عنصري اهميت زيادي دارد. كاربرد كمك حلال هايي مثل اتانول و فرميك اسيد نيز مي تواند در اين احيا نقش داشته باشد. روش ميكروامولسيون يكي از روش هاي گسترده و مورد توجه براي تهيه نانو ذرات نظير اكسيدهاي فلزي، كريستال هاي نيمه هادي و نانو ذرات پوشش دار مي باشد. از مزاياي اين روش مي توان به سادگي، امكان كنترل اندازه ذرات و قابليت افزايش مقياس اشاره كرد.

 

4. نانو ذرات اکسید مس و اکسید تیتانیوم

در یکی از پژوهش های انجام شده از دو نوع نانو سیال با درصد وزنی 1/0 درصد تهیه شده است. نانو سیال اول شامل روغن موتور 20w50 به عنوان سیال و نانو اکسید کروی مس 20 نانومتری و نانو سیال دوم شامل روغن موتور مذکور به همراه نانو ذرات کروی اکسید تیتانیوم 21 نانومتری است. روغن موتور مذکور از شرکت بهران تهیه شده است. برخی از ویژگی ها و مشخصات این مواد در جدول (1) و (2) و تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری آن ها در شکل 3 آورده شده است.

 

 

جدول 1. ویژگی های روغن موتور [10]

 

 

 

 

جدول 2. مشخصات نانو ذرات استفاده شده [10]

 

 

شکل 3. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری نانو ذرات اکسید مس و اکسید تیتانیوم  [10].

 

نانو ذرات کروی اکسید مس 20 نانو متری و نانو ذرات کروی اکسید تیتانیوم 21 نانومتری که در روغن موتور بهران 20w50 توزیع شده بودند، ویژگی‌های کاهش اصطکاک و سایش خوبی، نسبت به روغن موتور بدون نانو ذره مشاهده شد. این امر بدلیل نشستن نانو ذرات کروی در خلل فرج قطعه چدنی و پر کردن این فضاها است که به کاهش ضریب اصطکاک و سایش ایجاد شده که توسط پین فولادی در حال سایش روی این سطح است، منجر شده است [10].

 

5. وضیعت تولید و مصرف روانکار در جهان

روانکارها کاربردهای بسیار مهمی در موتورهای احتراق داخلی، وسایل نقلیه، چرخ دندهای صنعتی، کمپرسورها، توربین‌ها، سیستم‌های هیدرولیک و … دارند. ۹۰ % از روانکارهای مصرفی را روغن های روانکار تشکیل
می‌دهند که در بین آن ها روغن های خودرو بیشترین مصرف را دارند.

در حال حاضر بیش از ۱۷۰۰ تولید کننده روانکار در سراسر جهان وجود دارند که حدود ۲۰۰ شرکت به صورت جانبی و در کنار تولیدات دیگر روانکار تولید می‌کنند و حدود ۱۵۰۰ شرکت به طور اختصاصی به تولید روانکار پرداخته اند. بیش از ۶۰ % از روانکارهای مصرفی در سراسر دنیا توسط کمتر ۲ % این شرکت‌ها تولید می شود.

امروزه، دنیای صنعت نیازمند دانش فنی جامع و کاربرد صحیح و اصولی روانکارهاست. اگر روند مصرف روانکارها در بعضی مناطق جهان رو به کاهش است، بدین معنی است که روانکارهای جدید قابلیت‌ها و پایداری بیشتری یافته‌اند و تحقیقات پژوهشگران این صنعت به سمت استفاده کمتر و بازدهی بیشتر روانکارها سوق پیدا کرده است.

در بین قاره های جهان، اروپای غربی و آمریکای شمالی با اینکه فقط ۷/۱۰ % از جمیعت جهان را تشکیل
می دهند، بیش از ۶/۴۰ % از کل مصرف روانکارها را  به خود اختصاص داده اند.

مسئله مهم دیگر اهمیت میزان زیست تخریب پذیری و مسائل زیست محیطی روانکارهاست. متأسفانه بیش از ۵۰% از روانکارایی که امروزه در جهان تولید می شوند آلوده کننده محیط زیست هستند. به همین دلیل، پژوهش های نوین به سمت تولید روانکارهای زیست تخریب پذیر پیش می روند.

 

6. شرکت های فعال در این زمینه

• شرکت پردیس شیمی باختر تولید کننده انواع روانکار با نام تجاری اولکا نانو

اولکا نانو تمام استاندارهای اجباری ایران، تاییده‌های خاص و گواهی ثبت اختراع را از مراکز علمی و تحقیقاتی داخلی و خارجی دریافت کرده است و هم اکنون جزء تولید کننده‌های روغن موتور استاندارد نانویی در ایران و مورد تائید ستاد توسعه فناوری نانو و دارای گواهی نانو مقیاس است. محصولات اولکا نانو طی دو سال پیاپی به عنوان برترین محصول صادراتی ایران و رتبه اول صادرات محصولات نانویی خودرو شناخته شده و به بیش از ۱۵ کشور دنیا صادرات کالا یا دانش فنی داشته است. این شرکت با دارا بودن دو واحد تولیدی مجزا در غرب و مرکز کشور و یک واحد تولید روانکارهای تخصصی و ویژه دارای بیشترین ظرفیت تولید محصولات نانویی کشور را دارد و هم اکنون تامین نیاز برخی سازمان‌های داخلی برای روانکارهای فناوری نوین و پیشرفته هوایی و نظامی در دستور کار این شرکت است.

وبسایت :  www.psb-oil.com

ایمیل :  info@psb-oil.com

آدرس دفتر مرکزی : تهران، مالک اشتر، بین جیحون و کارون، خرم بخت، پلاک ۱۰، واحد ۲

آدرس کارخانه : کرمانشاه، شهرک صنعتی بیستون )شهر شیمی(

تلفن دفتر : ۶۶۸۴۵۴ ۷۳ – ۰۲۱

تلفن کارخانه:67 ۰۹۳۹۱۰۳۳۳

 

شرکت‌های خارجی

 

 

• شرکت Nanoshel

 

Nanoshel LLC یک شرکت مبتنی بر فناوری نانو است که در تجاری سازی طیف وسیعی از نانوذرات و مواد نوآورانه قرن 21 تخصص دارد. شرکت Nanoshel یک شرکت فناوری پیشرفته است که بر تحقیق و توسعه فناوری نانو متمرکز است. در این شرکت “متخصصان نانومواد” انواع بسیار زیادی از نانو ذرات را در انواع مختلف آن‌ها تولید می‌کنند. این شرکت با دانشگاه‌های تحقیقاتی معروف، آزمایشگاه‌های ملی و شرکت‌های خلاق همکاری نزدیک و پیوسته دارد.

نانوشل با انواع مواد نانو که ممکن است در هر شکلی مانند نانوپودرها، مواد نانوحفره ای، نانوسیم ها، نانولوله ها، نقاط کوانتومی، چارچوب های فلزی- آلی ، نانوذرات هسته ای و … باشند سر و کار دارد.

در حال حاضر ، Nanoshel به شرکت ها و آزمایشگاه های تجاری مختلف در سطح جهان مانند IISER ، DRDO ، NASA INST ، Samsung ، Apple ، Micromax ، Boss ، Maruti Suzuki و بسیاری دیگر خدمات ارائه می دهد. این کمپانی در هند، آمریکا و ایرلند نمایندگی دارد.

📌Website: www.nanoshel.com
📌 E-mail: sales@nanoshel.com
📌Direct Dial: (India) +91 9779 550077

📌Direct Dial: (USA) +1 6464704911

📌Direct Dial: (Ireland) +353719853714

 

 

 

• شرکت Skyspring Oil and Gas Services

شرکت Skyspring Oil and Gas Services یکی از پیشگامان محصولات و خدمات تخصصی نفت و گاز واقع در هوستون تگزاس است. SkySpring OAG محصولات و خدماتی را توسعه می‌دهد که باعث افزایش بهره وری و افزایش ارزش عملیات تجاری مشتری می‌شود. این شرکت از طریق تکنولوژی پیشرفته خود متعهد به ارائه محصولات و خدمات ایمن و مقرو ن به صرفه به صنعت نفت و گاز است.

نام محصولات:

• محلول نانو
• افزودنی روانکار

کاربرد:

پمپ‌ها

وب سایت : http://ssoag.com

 

 

• شرکت Curve Oil and Gas

Curve Oil and Gas شرکتی خصوصی و مستقل دارای ۱۳ مجموعه با کیفیت بالا و یکی از فعال‌ترین اپراتورها در کشور اندونزی است. شرکت Curve Oil and Gas بخشی از گروه Curve است و متعهد به عرضه محصولات و خدمات تخصصی در صنعت نفت و گاز است که بر راندمان بالاتر، ایمنی محیط زیست و موفقیت مشتریان متمرکز شده است.

 

نام محصولات:

• محرک چاه تزریق
• افزودنی روانکار

کاربرد:

• پمپ‌ها

 

وب‌سایت: http://www.curveoil-gas.com

 

 

 

 

 

 

• شرکت ARCHOIL

ARCHOIL یک تیم حرفه‌ای است که سال‌ها فعالیت در زمینه روانکاری، سوخت، مهندسی و درمان سطوح را

تجربه کرده است و با موفقیت با سازمان‌های سراسر جهان همکاری می‌کند. ARCHOIL متعهد به سرمایه‌گذاری در محصولات و تخصصی کردن فرمول‌ها با استفاده از فناوری نانو برای رفع چالش روانکاری است.

 

نام برخی محصولات:

• گریس مصنوعی زیست تجزیه پذیر
• گریس
• نانو روانکار خشکWS₂

کاربرد:

• لاستیک
• فلزات
• چوب
• قالب‌ها
• اکستروژن‌ها

 

وب‌سایت : http://www.archoil.com

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. مراجع

 

1. Alang, M.B., Ndikontar, M.K., Sani, Y.M., Ndifon, P.T. Synthesis and characterisation

of a biolubricant from Cameroon palm kernel seed oil using a locally produced base catalyst from plantain peelings. Green Sustain. Chem. 8 (3), 275-287, (2018).

2. Singh, Y., Farooq, A., Raza, A., Mahmood, M.A., Jain, S. Sustainability of a nonedible vegetable oil based bio-lubricant for automotive applications: a review. Process Saf. Environ. Protect. 111, 701-713, (2017).
3. Dehghani Soufi, M., Ghobadian, B., Atashgaran, M., Mousavi, S.M., Najafi, G. Biolubricant production from edible and novel indigenous vegetable oils: mainstream methodology, and prospects and challenges in Iran. Biofuels, Bioproducts and Biorefining 13 (3), 838-849, (2019).
4. Mousavi, S.B., Heris, S.Z., Estell_e, P. Experimental comparison between ZnO and MoS 2 nanoparticles as additives on performance of diesel oil-based nano lubricant. Sci. Rep. 10 (1), 1-17, (2020).
5. Papadaki, A., Fernandes, K.V., Chatzifragkou, A., Aguieiras, E.C.G., da Silva, J.A.C., Fernandez-Lafuente, R., Papanikolaou, S., Koutinas, A., Freire, D.M.G. Bioprocess development for biolubricant production using microbial oil derived via fermentation from confectionery industry wastes. Bioresour. Technol. 267, 311-318, (2018).
6. Myshkin N, Kovalev A. Adhesion and surface forces in polymer tribology—A review. Friction 6(2): 143–155 (2018).
7. Hisakado T, Tsukizoe T, Yoshikawa H. Lubrication Mechanism of Solid Lubricants in Oils. J Lubricat Technol 105(2): 245–252 (2015).
8. Song H J, Jia X H, Li N, Yang X F, Tang H. Synthesis of α-Fe2O3 nanorod/graphene oxide composites and their tribological properties. J Mater Chem 22(3): 895–902 (2018).
9. Chou R, Battez A H, Cabello J J, Viesca J L, Osorio A, Sagastume A. Tribological behavior of polyalphaolefin with the addition of nickel nanoparticles. Tribol Int 43(12): 2327–2332 (2017).
10. Behran Company, “Application Guide and specifications of Behran Oil company’s products”, 2018, Behran Oil Company, 46, Tehran, Iran.

 

 

 

[1] Elasto-Hydrodynamic Lubrication

[2] HydroGenation

[3] Hydrodechlorination

[4] Hydrotreating

[5] Photolytic Reduction

[6] Sonochemical

[7] Solvent Extraction Reduction

[8] Microemulsion

[9] Spray Pyrolysis

 

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

• شرکت نوآوران صنعت و فناوری معین

بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================