روانکارها و نانوذرات الماس

فناوری نانو در زمینه‌های مختلف علم وارد شده و در صنایع مختلف نیز، محصولاتی بر این پایه ایجاد شده است. در این میان، افزودنی‌های روغن‌موتور و سوخت نیز تحت تأثیر فناوری نانو قرار گرفته و محصولات مربوطه وارد بازار شده است. نانوافزودنی‌های روغن به طور اساسی بر صرفه‌جویی سوخت و بازدهی موتور تأثیر دارند. به طور کلی، خواصی که برای این افزودنی‌ها ذکر شده است عبارت‌اند از کاهش ضریب اصطکاک، کاهش ساییدگی، ترمیم سطوح درگیر و بهبود خواص سطحی، افزایش بازده موتور در اثر افزایش عمر موتور، کاهش هزینه تعمیر و نگهداری، کاهش صدای موتور و گازهای آلاینده، جلوگیری از اکسیداسیون روغن، تمیز کردن سیستم سوخت‌رسانی و… . با توجه به ورود فناوری نانو در سال‌های اخیر، گروهی از انواع نانوافزودنی‌های روغن نیز پا به عرصه ظهور گذاشته و در این میان نانوالماس نیز به عنوان یکی از جدیدترین و مؤثرترین این مواد مطرح بوده است. ویژگی‌های منحصربه‌فرد ذرات نانوالماس، موجب شده انواع و درجه‌های مختلف این ماده، کاربردهای متنوعی را در بخش‌های مختلف صنعت به خصوص صنعت روانکارها به خود اختصاص دهند.

کلمات کلیدی: روانکارها؛ افزودنی نانوالماس؛ روغن موتور؛ اصطکاک

1. مقدمه

روانکار ماده‌ای است که با قرار گرفتن بین سطوح باعث پایین آوردن نیروی مقاومت در برابر حرکت و به تعبیری نیروی اصطکاک بین آن‌ها شده و در نتیجه کاهش نیروی لازم برای شروع و تداوم حرکت نسبی سطوح می‌شود. چنانچه بتوان به طور مطلق از تماس سطوح دارای حرکت نسبی با یکدیگر جلوگیری کرد، در این صورت می‌توان اصطکاک و ساییدگی را از میان برد. از وظایف اصلی یک روانکار از بین بردن اصطکاک و ساییدگی است و با استفاده از نانوافزودنی‌ها در این فرایند علاوه بر کارکرد بهتر قطعات، از فرسودگی زودرس آن‌ها کاسته و هزینه‌های تحمیلی کاسته خواهد شد. با استفاده از نانوذراتی که خاصیت نشر و انتقال حرارت زیادی داشته باشند، این مهم به‌طور محسوسی نمایان می‌شود و به دلیل پایداری یکسان بودن نانوذرات در تمام فضاهایی که روغن در آن جریان دارد، حرارت یکنواخت انتشار می‌یابد و در عین حال اکسیدکنندگی روغن یا روانکار را کاهش می‌دهند [1].

پرمصرف‌ترین و معروف‌ترین روغن‌های روانکار، روغن‌های موتور هستند که علاوه بر کاهش اصطکاک بین قطعات و جلوگیری از سائیدگی قطعات موتور، وظایف دیگری چون خنک کردن موتور، گرفتن ضربه، انتقال ذرات ریز فلزات و گردوخاک از داخل موتور به فیلتر روغن و جلوگیری از رسوب دوده در رینگ‌ها، سوپاپ‌ها و تمیز نگاه داشتن قطعات موتور را نیز به عهده دارند. به منظور حصول به روانکار با خصوصیات مطلوب و مناسب برای هر کاربرد مشخص، امروزه انواع افزودنی‌ها با عملکردهای مختلف، به روغن پایه افزوده می‌شوند. این افزودنی‌ها می‌توانند هر یک از وظایف بهبود روانکاری، خواص ضدخوردگی و ضداکسیداسیون، گرانروی، پاک‌کنندگی و… را در ترکیب، به عهده داشته باشند. امروزه تمامی روانکارها با پایه معدنی و یا با پایه سنتزی، برای داشتن کارایی مناسب و مطلوب، نیازمند مواد شیمیایی دیگر یا در واقع افزودنی‌هایی هستند که بتواند خواص موردنظر را در آن‌ها ایجاد کند. این مواد شیمیایی سنتزی، ضمن اینکه خواص جدیدی به روانکار می‌دهند می‌توانند برخی ویژگی‌های موجود در روانکار را تقویت و از بروز برخی پدیده‌های نامطلوب در سیستم روانکاری جلوگیری کنند. برخی از نانوافزودنی‌های روغن موتور موجود در بازار به شرح زیر هستند:

• افزودنی حاوی نانوالماس؛
• افزودنی حاوی نانوفلوئور؛
• افزودنی حاوی نانوذرات طلا.

پودر نانومتری الماس نوع جدیدی از پودرهای سنتزی نانومتری بسیار سخت محسوب می‌شود. از بررسی‌های میکروسکوپی انجام شده روی پودر نانومتری الماس مشخص شده است که ذرات پودر نانومتری الماس به صورت یک مجموعه بوده و شکل ذرات نانوالماس کروی است (شکل 1). در واقع، یک ذره الماس از یک هسته فشرده بلورین از جنس الماس و یک لایه سست خارجی حاوی انواع پیوندهای کربن – کربن تشکیل شده است [2,3].

شکل 1- افزودنی نانوالماس [2].

30 درصد اتم‌های نانوالماس روی سطح آن قرار گرفته‌اند و همین مسئله خواص ویژه‌ای به آن داده است. حداکثر اندازه تک دانه‌های نانوالماس 10 نانومتر و متوسط اندازه ذرات بین 4 تا 6 نانومتر است. همچنین بررسی‌های انجام شده با استفاده از اشعه  Xروی پودر نانومتری الماس نشان می‌دهد که ذرات موجود در این پودر از جنس الماس با ساختار مکعبی هستند. مطالعات مربوط به شناسایی کیفیت سطح پودر نشان می‌دهد که سطح ذرات با گروه‌های عامل پوشیده شده است که نوع و مقدار این گروه‌ها در محصولات مختلف متفاوت‌اند. این گروه‌ها اغلب از نوع گروه‌های اکسیژن‌داری هستند که روی سطوح ذرات، بار منفی ایجاد می‌کنند. پودر نانومتری الماس در هوا تا دمای 500 درجه سانتی‌گراد و در خلأ یا محیط الکلی تا دمای 1000 الی 1100 درجه سانتی‌گراد مقاوم است. دمای 1100 درجه دمای شروع تبدیل‌شدن الماس به گرافیت است. این پودر نانومتری الماس از نظر شیمیایی در برابر محیط‌های اسیدی، قلیایی، مواد اکسیدکننده و حلال‌های آلی در شرایط محیطی و دمای بالا مقاوم است. نتایج بررسی وضعیت ناخالصی‌های احتمالی موجود در پودر نانومتری الماس نشان می‌دهد که میزان ناخالصی موجود در هر پودر نانومتری الماس به نوع آن پودر بستگی دارد و بر اساس شرایط فنی تولید بین 1 الی 3 درصد وزنی متغیر است. ناخالصی‌های غیرکربنی که معمولاً شامل آهن، مس، کلسیم، سیلیکون، کروم، تیتانیم و همچنین مقادیر جزئی از سایر فلزاتی است که به نحوی در فرایند تولید و تخلیص نانوالماس حضور دارند، معمولاً بر اساس خاکستر باقی‌مانده پس از سوزاندن تعیین می‌شوند. مواد کربنی غیر از الماس، ناخالصی محسوب نشده و ترکیبات مفیدی برای کاربردهای نانوالماس محسوب می‌شوند. در جدول 1، برخی از خصوصیات پودر نانومتری الماس ارائه شده است [4].

2. افزودنی نانوالماس

نانوالماس از جمله افزودنی‌های روغن و مواد روانکار است. این نانوذرات در ترکیب با روانکارها، ضریب اصطکاک سطوح درگیر را به طور چشمگیری کاهش می‌دهند. نانوالماس نوع جدیدی از الماس‌های سنتزی است که ضمن عمل روانکاری، لایه نازکی روی سطح تماس ایجاد می‌کند و نانوالماس ذرات منافذ ریز موجود بر سطوح را پر می‌کند. یکی دیگر از خصوصیات نانوالماس، شکل کروی این ذرات نانویی است که اندازه این ذرات ۴ تا ۶ نانومتر است. علاوه بر آن، این نانوذرات دارای خاصیت نشر و انتقال حرارت بالایی است [5].

3. نحوه عملکرد نانوافزودنی الماس در کاربرد بهبود روانکاری
   پودر نانوالماس، به روغن موتور افزوده می‌شود و سوسپانسیون پایداری ایجاد می‌کند. نانوالماس موجود در روغن روی سطوح در تماس با روغن، لایه‌ای تشکیل می‌دهد و دانه‌های فوق‌العاده ریز آن در خلل و فرج سطح جای می‌گیرند و سطح کاملاً صافی را تشکیل می‌دهند. با اضافه کردن پودر سیاه نانوالماس (۰٫۵درصد وزنی) در روغن‌های روانکار مایع، ضریب اصطکاک روانکار کاهش می‌یابد. نانوالماس توزیع شده در روانکار، لایه فیلمی روی سطح تماس ایجاد می‌کند و نانوذرات منافذ ریز موجود روی سطح را پر می‌کنند، علاوه بر آن نانوالماس به صورت ذرات کروی شکل و فوق‌العاده سخت است که به صورت حرکت چرخشی عمل می‌کنند؛ بنابراین با تبدیل حرکت اصطکاکی لایه‌ها روی هم به حرکت چرخشی، نانوذرات سبب کاهش قابل توجه اصطکاک می‌شوند [5].

4. نانوالماس‌ها در روغن موتور

نانوالماس‌ها در بین سطوح کشویی نفوذ کرده و آن‌ها را نسبت به سایش مقاوم‌تر می‌کنند، یا به عبارت دیگر با فعال کردن روغن‌کاری، اصطکاک و سایش بین سطوح را کاهش می‌دهند. وقتی نانوالماس به روغن موتور افزوده می‌شود اصطکاک تا حد زیادی کاهش می‌یابد و با خواص میکرو پولیشینگ آن‌ها سازگار است که از سرعت نفوذ آن‌ها در زمان اولیه کارکرد موتور و پر کردن خلل زبری و ایجاد سطوح صاف به هم چسبیده نتیجه می‌شود. خاصیت میکروپولیشینگ نانوالماس‌ها در روغن موتورهایی که مدتی کارکرده‌اند کم‌اهمیت می‌شود، جایی که نرخ سایش و زبری سطوح به همراه عواملی مانند آلودگی روغن موتور وجود دارند، از آنجایی که سایندگی نانوالماس‌ها با دوره اولیه کارکرد موتور از بین نمی‌رود خطر ابتلا به سایش بیش از حد در یک دوره زمانی طولانی‌تر وجود دارد. آنالیز روغن موتور خودروهایی که با روغن موتور حاوی نانوالماس کارکرده‌اند سطوح بالای غیرمنتظره‌ای از فلزات سایشی مانند آلومینیوم، مس و کروم را آشکار می‌کند که نشان‌دهنده افزایش شتاب سایش رینگ پیستون و یاتاقان است [5,6].

یکی دیگر از مزایای فناوری نانوالماس به تعویق انداختن زمان اکسیداسیون روغن است که باعث افزایش عمر سرویس‌دهی آن می‌شود. برای محافظت در هنگام روشن شدن موتور خودرو که لایه روغن بسیار نازک بوده و به اصطکاک لغزشی و فرسایش زیاد بین قطعات موتور منجر می‌شود، بسیار مهم است. این مزیت به استارت سریع موتور، تولید حرارت کمتر، افزایش طول سرویس‌دهی روغن و مصرف کمتر سوخت می‌انجامد. همچنین قابل استفاده در انواع خودروهای بنزینی، دوگانه‌سوز و دیزلی توربوشارژ
است.

5. شرکت‌های فعال در این زمینه

1-5- شرکت پردیس شیمی باختر تولیدکننده انواع روانکار با نام تجاری اولکا نانو

اولکا نانو اولین روغن موتور استاندارد نانویی ایران دارای نشان استاندارد و گواهی ثبت اختراع

شرکت پردیس شیمی باختر در سال ۱۳۸۰ فعالیت خود را با هدف تولید و تأمین نیاز بازار داخل و خارج کشور به انواع روانکارهای خودرو و صنعتی آغاز کرد و در یک دهه گذشته با تولید انواع روانکارهای سطح بالا و نسل جدید با نام تجاری اولکا نانو OLCKA NANO، توانسته است پس از سال‌ها تلاش و تحقیقات گسترده، اولین روغن موتور با فناوری نانو مبتنی بر استانداردهای روز دنیا را تولید کند.
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 جزء تولیدکننده‌های روغن موتور استاندارد نانویی در ایران و مورد تائید ستاد توسعه فناوری نانو و دارای گواهی نانومقیاس 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 بیشترین ظرفیت تولید محصولات نانویی کشور را دارد و هم‌اکنون تأمین نیاز برخی سازمان‌های داخلی برای روانکارهای فناوری نوین و پیشرفته هوایی و نظامی در دستور کار این شرکت است.

مزایای فناوری اولکا نانو:

• کاهش ضریب اصطکاک تا ۸۰%؛
• افزایش توان و شتاب خودرو؛
• افزایش طول سرویس‌دهی روغن موتور؛
• کاهش حرارت پنهان موتور؛
• کاهش مصرف سوخت؛
• کاهش گازهای آلاینده خروجی موتور.

2-5- شرکت فناوران مهر رضوی

شرکت فناوران مهر رضوی نانوذرات الماس مکمل روغن موتور تولیدی خود را به چند شرکت تولیدکننده

روغن موتور به عنوان نمونه اولیه ارائه داده است. نانوذرات الماس به عنوان روانکار روغن موتور به افزایش بازده آن کمک می‌کند. بهره‌گیری از نانوذرات الماس در روغن‌های موتور، مواردی چون افزایش طول عمر موتور، افزایش طول عمر روغن موتور و ترمیم قطعات آسیب‌دیده موتور، کاهش اصطکاک تا ۸۰ درصد و کاهش مصرف سوخت تا ۸ درصد را در پی خواهد داشت.

برخی محصولات دیگر:

• نانوذرات الماس خاکستری با خلوص بیش از ۹۸%؛
• نانوذرات الماس مشکی؛
• مکمل روغن موتور نانو با خاصیت فوق روانکاری.

3-5- کمپانی Shenzhen jingangyuan

شرکت چینی است که کار تولید و فروش نانوالماس و محصولات مرتبط با آن را انجام می‌دهد. طبق ادعای شرکت سازنده این افزودنی تغییرات زیر را در روانکار ایجاد می‌کند:

افزایش طول عمر موتور ماشین حدود 2 تا 3 برابر، صرفه‌جویی سوخت از 5 تا 8 درصد، کاهش ضریب اصطکاک تا 80 درصد، ایجاد لایه نانوالماس روی سطح و ترمیم خودکار سطح، ایجاد آب‌بندی بسیار قوی و افزایش توان موتور در هنگام استارت در اثر آب‌بندی، افزایش طول عمر روغن موتور تا 30000 کیلومتر، کاهش صدای موتور، کاهش گازهای آلاینده تولیدی و کاهش هزینه تعمیرات تا حد زیاد.

مقدار مصرف این محصول، 10 تا 200 گرم در برابر 1000 کیلوگرم روغن موتور است. مقدار افزودنی به شرایط کار موتور بستگی دارد.

4-5- شرکت Fenom

شرکت روسی Fenom تولیدکننده افزودنی روغن موتور حاوی نانوالماس با نام اختصاری FN 949 است. خصوصیاتی که برای این افزودنی ادعا شده است عبارتند از تأثیرات زیستی بالا (کاهش ضریب اصطکاک)، جلوگیری از اکسید شدن روغن، بهبود خواص دمایی روغن، پایداری بالای نانوالماس در روغن موتور و جلوگیری از ساییدگی سطح. ساخت نانوالماس از طریق انفجار قوی مخلوط قابل انفجار کربن صورت می‌گیرد. اندازه نانوالماس به دست آمده 4-6 نانومتر بوده و سطح ویژه آن 350 تا 400 مترمربع به ازای یک گرم نانوالماس است [7].

6. نتیجه‌گیری

در این مقاله، خواص منحصربه‌فرد نانوالماس و اثرات استفاده از افزودنی حاوی نانوالماس بر بهبود عملکرد روانکارها اجمالاً مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به تأثیر چشمگیر مصرف این افزودنی در بهبود عملکرد روانکارها، کاهش اصطکاک، خوردگی و…، اهمیت این محصول در رابطه با مقوله‌های بحث‌برانگیزی چون کاهش مصرف سوخت و انرژی، بهبود راندمان و کاهش هزینه‌های تولید و همچنین مباحث کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی، امری کاملاً مشخص و انکارناپذیر است. بررسی‌های انجام شده نشان
می‌دهد با مصرف افزودنی نانوالماس در روغن موتور می‌توان علیرغم صرف هزینه بسیار کم اولیه، در
هزینه‌های جاری مربوط به سوخت و روغن، تعمیرات و نگهداری و تعویض قطعات موتور خودرو صرفه‌جویی کرد.
 

7. مراجع
8. 1. Myshkin N, Kovalev A. Adhesion and surface forces in polymer tribology—A review. Friction 6(2): 143–155 (2018).
9. Peng D X, Kang Y, Chen C H, Chen S K, Shu F C. The tribological behavior of modified diamond nanoparticles in liquid paraffin. Ind Lubr Tribol 61(4): 213–219 (2019).
10. Ghaednia H, Hossain M S, Jackson R L. Tribological Performance of Silver Nanoparticle–Enhanced Polyethylene Glycol Lubricants. Tribol Trans 59(4): 585–592 (2016).
11. Braceras I, Ibáñez I, Dominguez-Meister S, Velasco X, Brizuela M, Garmendia I. Electro-tribological properties of diamond like carbon coatings. Friction 8(2): 451–461 (2020).
12. Hisakado T, Tsukizoe T, Yoshikawa H. Lubrication Mechanism of Solid Lubricants in Oils. J Lubricat Technol 105(2): 245–252 (2015).
13. Padgurskas J, Rukuiza R, Prosyčevas I, Kreivaitis R. Tribological properties of lubricant additives of Fe, Cu and Co nanoparticles. Tribol Int 60: 224–232 (2019).
14. Standard Method of Sampling Petroleum and Petroleum Products”, ASTM Designation 270 – 65.

———————————————————————

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]

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