این مقاله به استفاده از نانو صفحات دی‌سولفید تنگستن برای کاهش اتلاف انرژی و بهبود روانکاری در آسانسورهای هیدرولیک پرداخته است.
کاهش اتلاف انرژی و اصطکاک و بهبود روانکاری در آسانسورهای هیدرولیک با نانوصفحات دی سولفید تنگستن WS2
امیر خرمی، میترا مهدوی – «روانکاری» به عنوان علم تسهیل‌کننده حرکت نسبیِ سطوحِ در تماس با یکدیگر، تعریف شده اسـت. در هر کجا که سطوحِ همجوار و در تماس با یکدیگر، دارای حرکتی نسبی هستند، روانکاری نقش مهمی در انجام حرکت به نحـو صحیح، مداوم و اقتصادی ایفا می‌کند. روانکاری در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک نقش بسزایی دارد. عدم روانکاری صحیح ماشین‌آلات علاوه بر آنکه باعث کاهش راندمان مکانیکی و پایین آمدن بازده زمانی ماشین میشود، سبب فرسایش بیش از حد، فرسودگی و از کار افتادگی زودرس نیز میشود.
در این مقاله، به بررسی چگونگی بهبود روانکاری و کاهش اصطکاک و اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک با استفاده از نانو صفحات دی‌سولفید تنگستن (WS2) پرداخته‌ایم. همراه ما باشید تا به نتایج جالب این روش نوین دست پیدا کنیم.
اصطکاک و ساییدگی: چالش‌های کاهش عمر و کارایی قطعات
هر زمان که سطوح اجسام در جوار و در تماس با یکدیگر حرکت نسبی داشته باشند، دو پدیده اصطکاک و ساییدگی هر دو وجود خواهد داشت. اصطکاک، عبارت از نیروی مقاومت در برابر حرکت نسبی و گذر سطوح در تماس نسبت به یکدیگر است. ساییدگی، عمل تخریب و گسستگی ذرات ماده است که در نتیجه تماس سطوح در حرکت نسبی و به دلیل اثر نیروی اصطکاک پدید می‌آید.
به غیر از موارد خاصی که وجود اصطکاک برای وقوع حرکت و یا ایجاد سکون در حرکت مورد نیاز و مطلوب است، در اکثر موارد و به‌خصوص در اغلب مکانیسم‌های متحرک در ماشین‌آلات که برای تحمل بار و انتقال نیرو و حرکت طراحی شده‌اند، دو پدیده اصطکاک و ساییدگی؛ پدیده‌های نامطلوبی به‌حساب می‌آیند. به عنوان مثال، در سیستم‌های مکانیکی خاص مانند آسانسورهای هیدرولیک، کاهش اتلاف انرژی اهمیت ویژه‌ای دارد.
اصطکاک موجب از بین رفتن انرژی مکانیکی و تبدیل آن به حرارت ناخواسته میشود و کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک، نقش مهمی در افزایش کارایی این سیستم‌ها دارد. ساییدگی نیز سبب از دست رفتن هم‌شکلی و تجانس قطعات با یکدیگر و درنهایت تقلیل عمر مفید ماشین میشود.
تاریخچه روانکاری و اهمیت آن در کاهش اصطکاک
دانش عملی روانکاری از نوع روانکاری حدی و روانکاری با لایه نازک از زمان‌هـای دیرینـه به وسیله بشر شناسایی و به‌کار برده شده است. در حقیقت، تاریخ بشر پر از شواهدی اسـت کـه نشـان مـی‌دهـد در روزگـاران گذشته به طور معمول از چربی حیوانات و روغن‌های گیاهی به عنوان روان‌کننده محور ارابه‌ها و گاری‌ها استفاده می‌شده اسـت و حتی روان‌کننده‌های جامد نظیر گرافیت و پودر تالک برای تسهیل حرکت روی سطوح در تماس با یکـدیگر مالیـده مـی‌شدند.
بر دیوارهای مقبره فرعون مصری توتی هتاپ، که به تاریخ ۱۶۵۰قبل از میلاد (بیش از ۳ هزار و ۶۰۰ سال پیش)، نقوشی وجود دارد که روش مالیدن روغن زیتون روی الوارهای چوبی برای آسان کردن جابه‌جایی قطعات بزرگ سنگ و مجسمه‌ها و مصالح ساختمانی را نشان می‌دهد. ظاهراً روان‌کننده‌های معمول از اعصار گذشته تا قرن نوزدهم شامل انواع روغن‌های نباتی و حیـوانی که دارای پایـداری نسبی در هوا بوده و به‌راحتی تبخیر و خشک نمی‌شوند، بوده است و به‌خصوص روغن زیتون، برزک، کرچـک و روغـن درخـت نخل و همچنین روغن نهنگ، خوک دریایی و چربی خوک، پاچه گاو و پشم گوسفند مورد استفاده قرار می‌گرفته است. با اختراع ماشین بخار به وسیله «جیمز وات» نیاز به روغن‌ها و گریس‌های روان‌کننده پایـدار و در عـین حـال ارزان‌قیمت یکباره به‌شدت بالا گرفت.
بهبود عملکرد با انتخاب روانکار مناسب
انتخاب روانکار مناسب تأثیر ویژه‌ای بر عملکرد ماشین‌ها دارد. روان‌کارها با ایجاد یک لایه نازک مناسب روی سطوح دارای اصطکاک، آن‌ها را از یکدیگر جدا می‌کنند و گرما و سایش ایجاد شده را برطرف می‌کنند. در این راستا، کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک یکی از چالش‌های مهم است که می‌تواند با انتخاب روانکار مناسب بهبود یابد. به‌تازگی تحقیقات بسیار زیادی روی روش‌های گوناگون، به منظور بهبود خواص روانکاری روغن پایه اختصاص یافته است. یکی از روش‌های بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی روان‌کارهای پایه، بهره‌گیری از مواد افزودنی مختلف با خواص منحصر به فرد است.
استفاده از فناوری نانو در بهبود روانکنندهها
در این راستا به منظور افزایش و بهبود عملکرد روانکنندهها و کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک از فناوری نانو نیز بهره برده شده است. به عبارتی کارایی یک روانکار به مقدار زیادی به نوع و مقدار ماده افزودنی مورد استفاده در روغن پایه بستگی دارد. در سال‌های اخیر استفاده از نانو مواد در روانکنندهها به دلیل بهبود خواص سطحی و قابلیت انتقال حرارت، افزایش بازده موتور و کاهش هزینه‌های تعمیرات، به عنوان یک ایده نو بسیار مورد توجه واقع شده است. سنتز نانوذرات و جایگزینی مولکول‌های آلی با ذرات بسیار کوچک مواد جامد به آسانی امکان‌پذیر نیست. همچنین به دلیل آنکه محلول‌های کلوئیدی اساساً ناپایدار هستند، بهره‌گیری از این فناوری در روانکنندهها را با چالش بزرگی رو به‌رو کرده است.
تاثیر نانو مواد در بهبود عملکرد روان‌کارها
پژوهشگران انواع مختلفی از نانومواد ساخته شده از مواد فلزي، آلی و معدنی را براي ساخت نانو روان‌کارها مورد استفاده قرار داده‌اند. مهم‌ترین مزیت استفاده از نانو مواد در روان‌کارها به دلیل اندازه کوچک آن‌هاست. در محدوده نانومتري، پوشش کامل سطح مشترك غلتکی صورت می‌گیرد. همچنین سنتز ذرات کامپوزیت با ویژگی‌هاي مختلفی چون کاهش اصطکاك، سایش و خوردگی امکان‌پذیر میشود.
نانوافزودنی‌ها نسبت به افزودنی‌هاي معمول، تا حدودي به دما حساس نیستند و واکنش‌هاي اصطکاکی در آن‌ها بسیار محدود است. همچنین اندازه نانومتري این مواد سطوح تماس را بیشتر می‌کند و در دماي محیط نیز کارآمد نیست. مکانیسم ضدسایشی نانو افزودنی‌ها به دو صورت شکل می‌گیرد: نانوذرات ممکن است ذوب شوند و به سطح اصطکاکی بپیوندند و یا اینکه با واکنش با سطح، تشکیل یک لایه محافظ دهند.
در این راستا انتظار مي‌رود استفاده از نانوساختارهاي متخلخلي مانند سیلیکات‌هاي متخلخل به دلیل داشتن ویژگی‌هاي ساختاری از قبیل سطح ویژه بسیار بالا، داشتن حفراتي در ابعاد نانو، ظرفیت جذب بالا، نفوذپذیري زیاد و گزینش‌پذیري خوب، کارایي نانوذرات را به میزان زیادي افزایش دهند.
تأثیر افزودنی‌های شیمیایی بر خواص روان‌کارها
خواص روان‌کارها با اضافه کردن افزودني‌هاي شيميايي مخصوص به روغن پايه تغيير مي‌کند. براي مثال پايداري روغن موتور دربرابر اکسايش با افزودن مواد ضداکسايش مانند زينک دي آلکيل ديسيو فسفات بهبود مي‌يابد، همچنين فسفرها و سولفورها به عنوان مواد بهبوددهنده فشار نهايي و خواص ضدسايشي در روغنهاي چرخ‌دنده استفاده مي‌شوند. در این زمینه، استفاده از افزودنی‌های شیمیایی در بهبود خواص روانکاری و کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک بسیار حائز اهمیت است.
نانوذرات به عنوان افزودنی‌های نوین در روانکاری
به‌تازگی نيز نانوذرات به دليل اندازه، شکل و ديگر خواص منحصر به فردشان به عنوان افزودني جديد پديدار شده‌اند. نانو روان‌کارها نوعي روانکار مهندسي شده از نانوذرات، پراکنده‌کننده‌ها و روانکار پايه‌اند که خواص روانکاري و خواص انتقال حرارت بهبوديافته نسبت به روان‌کارهاي متداول دارند. استفاده از روان‌کارهاي حاوي نانوذرات مختلف به دليل بهبود خواص سطحي، قابليت انتقال حرارت، افزايش بازده موتور و کاهش هزينه تعميرات بسيار جذاب و مورد توجه‌اند. این نانو روان‌کارها در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک نیز تاثیر زیادی دارند.
تأثیر نانوذرات بر بهبود خواص روانکاری و کاهش اصطکاک
پژوهشگران زیادی گزارش کرده‌اند نانو روان‌کارها در کاهش اصطکاک و سایش و نیز انتقال حرارت بهتر، مؤثرند. آن‌ها انواع مختلفی از نانوذرات ساخته شده از مواد پلیمری، فلزی، آلی و غیر آلی را برای ساخت نانو روان‌کارها استفاده کرده‌اند. برای نمونه خواص روانکاری دو نوع روغن، شامل روغن موتور API-SF و روغن پایه حاوی نانو ذرات TiO2،CuO و نانو الماس را بررسی شد، آزمایش‌های اصطکاک و سایش به کمک یک دستگاه آزمون لغزشی رفت و برگشتی انجام گرفت.
نتایج آن‌ها نشان داد نانوذرات افزوده شده به روغن‌ها تأثیر به‌سزایی در کاهش اصطکاک و سایش داشتند، به‌گونه‌ای که ضریب اصطکاک در روغن‌های API-SF و روغن پایه حاوی نانو ذرات CuOبه‌ترتیب ۱۸/۴درصد و ۵/۸ درصد کاهش یافت. این نتایج می‌تواند در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک نیز بسیار مؤثر باشد. در سایر آزمایش‌ها خواص روانکاری نانو ذرات فولرن افزوده شده به روغن معدنی به عنوان تابعی از غلظت حجمی نانو ذرات بررسی شد.
آزمایش‌ها با یک دستگاه آزمون دیسک روی دیسک تحت بارهای عمودی مختلف و غلظت‌های حجمی مختلف نانو ذرات فولرن انجام گرفت. در این مطالعه خواص روانکاری از طریق اندازه‌گیری دمای سطح و ضریب اصطکاک ارزیابی شدند. نتایج نشان داد نانو روغن‌های با غلظت حجمی بیشتر نانو ذرات، ضریب اصطکاک کوچک‌تر و سایش کمتری را در دیسک ثابت نتیجه می‌دهد، که این نشانه بهبود خواص روانکاری روغن معدنی بر اثر افزودن نانوذرات است.
تأثیر نانوذرات بر بهبود خواص روانکاری و انتقال حرارت
علاوه بر این، رفتارهای روانکاری نانو ذرات فولرن (C60) افزوده شده به روغن معدنی بررسی شدند، خواص فشار نهایی و ضد سایش آن‌ها با استفاده از آزمون چهار ساچمه و نیز دستگاه آزمون دیسک روی دیسک تحت بارهای عمودی مختلف، ارزیابی شد و نتایج آن‌ها بیانگر بهبود خواص روانکاری نانو روغن‌ها نسبت به روغن‌های بدون نانوذرات بود. نانوسیالات به‌تازگی به دلیل گزارش‌های پرشمار درباره افزایش چشمگیر خواص حرارتی به‌شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند. مطالعات اخیر آشکار می‌کنند برخی از ساختارهای کربنی، هدایت حرارتی خیلی خوبی دارند.
بنابراین تعداد چشمگیری از مطالعات با استفاده از نانوساختارهای کربنی، مانند گرافیت، فولرن، نانو لوله‌های کربنی تک دیواره، نانو لوله‌های کربنی چند دیواره، نانو الماس و گرافن روی خواص حرارتی نانوسیالات انجام گرفته است. قابلیت هدایت حرارتی نانوسیال ساخته شده از اتیلن گلیکول و نانو لوله‌های تک دیواره بررسی شدند. بیشترین افزایش هدایت حرارتی، ۱۴/۸ درصد در غلظت حجمی ۰/۲ درصد وزنی با استفاده از روش سیم داغ گذرا تعیین شد. این پیشرفت‌ها می‌توانند در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک نیز مؤثر باشند.
بیشتر بخوانید:
انواع افزودنی‌ها به روان‌کارها
روان‌کننده‌هاي مورد مصرف در صنعت را می‌توان به روان‌کننده‌هاي گازي، روان‌کننده‌هاي مایع، روان‌کننده‌هاي نیمه جامد و روان‌کننده‌هاي جامد دسته‌بندي کرد. اصلی‌ترین وظایف روان‌کارها شامل روانکاري، انتقال حرارت، حفاظت از سطوح، ضربه‌گیري، انتقال ذرات و آب‌بندي است. کلیه روان‌کارها از دو قسمت روغن پایه و مواد شیمیایی موسوم به مواد افزودنی تشکیل شده‌اند. براي اینکه روغنهاي روان‌کننده همه خواص لازم را داشته باشند و بتوانند وظایف خود را به طور کامل انجام دهند، به آن‌ها مواد افزودنی اضافه میشود. مهم‌ترین موادي که به منظور تأمین ویژگی‌هاي مناسب به روغن پایه افزوده می‌شوند، عبارتند از:
پاك‌کننده‌ها و معلق‌کننده‌ها
این مواد افزودنی با روغن پایه مخلوط می‌شوند تا قطعات موتور را تمیز کرده، آلودگی‌ها را رفع و ذرات حاصل از احتراق را به صورت معلق در روغن نگه‌دارند. نتیجه این عمل جلوگیري از تشکیل لجن و ایجاد رسوب، روي قطعات مختلف موتور است. مواد افزودنی پاك‌کننده که در روغن موتور به کار برده می‌شوند، از نوع ترکیبات آلی- فلزي (فلزات کلسیم، باریم و منیزیم) هستند. مواد معلق‌کننده مورد استفاده در روغن موتور از نوع مواد پلیمري بدون خاکستر است.
مواد افزودنی ضدسایش
این مواد افزودنی از سایش قطعات موتور که در اثر تماس فلز با فلز رخ می‌دهد، جلوگیري می‌کنند.
مواد افزودنی ضداکسیداسیون
این مواد از جمله اکسیژن به روغن پایه که باعث اکسید شدن روغن پایه و در نتیجه افزایش گرانروي آن میشود، جلوگیري می‌کنند. اکسید شدن روغن، سبب تولید اسیدهاي آلی و در نتیجه ایجاد خوردگی در یاتاقان‌هاي از جنس مس- سرب خواهد شد.
مواد افزودنی بهبوددهنده شاخص گرانروي
این دسته مواد افزودنی باعث کم شدن تغییرات گرانروي در برابر تغییرات درجه حرارت می‌شوند. این مواد در کاهش مصرف سوخت، بهبود خواص جریان در درجه حرارت‌هاي پایین و جلوگیري از تشکیل کریستال‌هاي واکس در روغن نقش دارند.
مواد افزودنی ضدزنگ‌زدگی و ضدخوردگی
این مواد از طریق خنثی کردن اسیدهاي آلی و جلوگیري از رسیدن رطوبت به سطوح فلزي باعث کاهش زنگ‌زدگی و خوردگی می‌شوند.
مواد ضدکف
این مواد افزودنی، کشش سطحی روغن را کم کرده و اجازه می‌دهند هواي حبس شده در روغن، از درون آن فرار کند. همچنین این مواد به علت کم کردن تماس روغن با اکسیژن، تا حدودي از اکسید شدن روغن نیز جلوگیري می‌کنند.
بهبوددهنده اصطکاك
این دسته از مواد باعث کاهش اصطکاك داخلی روغن شده و در نتیجه با کم شدن اصطکاك، مصرف سوخت نیز کاهش می‌یابد.
مواد افزودنی پایین آورنده نقطه ریزش
این مواد از تشکیل کریستال در روغن جلوگیري کرده و باعث می‌شوند روغن در درجه حرارت‌هاي پایین یخ نزده و به خوبی جریان داشته باشد.
نانو افزودنی‌هاي مورد استفاده در روان‌کارها
در ادامه این مطلب درباره انواع نانو افزودنی‌هاي مورد استفاده در روان‌کارها صحبت می‌کنیم.
نانو ذرات فولرن (C60)
فولرن‌ها، خانواده‌اي از کربن‌هاي چندشکل با شبکه سه بعدي از این اتم‌ها هستند. فولرن انواع گوناگون و متعددي دارد و می‌تواند به صورت کره‌ای، بیضی‌گون یا استوانه باشد. مولکول‌هاي فولرن معمولاً به صورت قفسه‌هایی متشکل از ۶۰ اتم هستند که به صورت شش‌ضلعی و پنج‌ضلعی به یکدیگر متصل شده‌اند. شکل (۱) ساختار سه بعدي فولرن را نشان می‌دهد. فولرن یا C60 می‌تواند به عنوان افزودنی در روغنهاي روان‌کننده به کار برده شود.
مولکول‌هاي فولرن سبب جدا کردن سطوح در حال تماس از یکدیگر می‌شوند. این دسته از ترکیبات به دلیل مقاومت و پایداري بالا، در شرایط بارگذاري زیاد نیز خصوصیات چرخش بلبرینگ مانند خود را حفظ می‌کنند. استفاده از نانو ذرات فولرن در سیستم‌های هیدرولیک مانند آسانسورهای هیدرولیک می‌تواند به کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک کمک کند.
شکل (۱): ساختار سه بعدی فولرن
اثر افزودن نانو ذرات فولرن روي ویژگی‌هاي روانکنندگی روغن معدنی بر اساس غلظت حجمی نانو ذرات بررسی شدند. در این مطالعه خواص روانکاري با اندازه‌گیري دماي سطح اصطکاك و ضریب اصطکاك از طریق آزمون دیسک روي دیسک انجام شد. این آزمون تحت بارهاي عمودي و غلظت‌هاي حجمی مختلف نانو ذرات فولرن صورت گرفت. نتایج بیانگر نقش ویژه نانو ذرات فولرن با غلظت حجمی بالاتر است.
حضور این نانو ذرات، ضریب اصطکاك کوچک‌تر و سایش کمتري را موجب شده است. بنابراین، خصوصیات روانکاري روغن معدنی با افزودن نانو ذرات فولرن بهبود یافته است. این بهبود در خواص روانکاری می‌تواند در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک مؤثر باشد.
همچنین ، نقش نانو ذرات فولرن افزوده شده به روغن معدنی ارزیابی شد. آزمون‌هاي چهار ساچمه و دیسک روي دیسک با اعمال بارهاي عمودي مختلف، انجام گرفت. نتایج حاکی از بهبود قابل ملاحظه خواص روانکاري روغن حاوي این نانو ذرات نسبت به روغن معدنی بود، از روغن حاوي فولرن براي بهبود عملکرد کمپرسورهاي یخچالی خانگی استفاده شد که با تحقیق صورت گرفته، مشخص شد ضریب اصطکاك نانوروغن با افزایش غلظت نانوذرات در روغن پایه معدنی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.
نانو الماس‌ها
نانو الماس‌ها معمولاً با انفجار ناگهانی تری نیتروتولوئن در یک محفظه بسته بدست می‌آیند. متوسط اندازه این نانو ذرات ۶-۴ نانومتر بوده و دارای سطح ویژه ۴۰۰-۳۵۰ m²/g هستند. هدف از به کار بردن نانو الماس‌ها به عنوان افزودنی روانکنندهها، اندودکاری سطوح لغزشی است. این اندودکاری موجب افزایش مقاومت در مقابل سایش، توانمندسازی روانکاری لغزشی میان سطوح و کاهش اصطکاک میشود. استفاده از نانو الماس‌ها در سیستم‌های هیدرولیک مانند آسانسورهای هیدرولیک می‌تواند به کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک کمک کند.
نانو الماس‌ها با پوشش سطح تماس موجب کاهش قابل توجه ضریب اصطکاک می‌شوند. پوشش نانو الماس موجب کاهش سطح تماس شده و درنتیجه نیروی کششی میان فصل مشترک دو سطح نیز کم میشود. نانو الماس به عنوان یک ماده افزودنی به روغن موتور، موجب کاهش مصرف بنزین و افزایش عمر موتور میشود. این خواص می‌توانند در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک بهینه‌سازی عملکرد سیستم را به همراه داشته باشند. شکل (۲) تصویر روند کاهش اندازه نانو الماس‌ها را نشان می‌دهد.
شکل (۲): روند کاهش اندازه نانو الماس‌ها
با افزودن ppm ۵۰-۱۰۰ نانو الماس به روانکنندهها، کاهش سایش در آزمون میله روی صفحه مشاهده شد. همچنین نقش افزودن نانو الماس‌ها روی ویژگی‌های روغن‌های موتور و سایش بخش‌های داخلی موتور بررسی شده است و افزودن نانو الماس، موجب بهبود چشمگیر خواص و عملکرد روغن موتور نسبت به نمونه روغن موتور بدون نانو ذرات الماس شده است. این بهبودها همچنین می‌تواند در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک موثر باشد.
خواص تریبولوژیکی مایع پارافین حاوی نانو الماس روی مقدار سایش و افزایش طول عمر قطعات نشان داد که با افزایش ذرات نانو الماس به پارافین، ضریب اصطکاک کاهش می‌یابد. دلیل این رفتار ساختار کروی و هشت‌ضلعی این ذرات است که همانند یک عنصر تماس حلقوی بین دو سطح عمل می‌کند.
نانو ذرات فلزي
براساس نتایج اکثر محققان، دسته دیگر از نانو افزودنی‌هاي مورد استفاده در روان‌کارها، نانو ذرات فلزي گروه طلا، نقره و مس است. نانو ذرات فلزي ناپایدار بوده و به راحتی به شکل توده درمی‌آیند. به عبارت دیگر نانو ذرات در اثر تماس با یکدیگر، به هم چسبیده و رشد کرده و ساختار نانومتري و خواص منحصر به فرد خود را از دست می‌دهند. هنگامی که این نانو ذرات به روغن افزوده می‌شوند، رسوب می‌کنند.
پایداري، قابلیت انحلال و توزیع ضعیف این سه نانو ذره در روغنهاي روان‌کننده، کاربرد مضاعف آن ها را به عنوان ماده افزودنی در فرمولاسیون روانکنندهها محدود کرده است. یکی از روش‌هاي انحلال مؤثر، پوشش دادن آن‌ها با لایه‌اي از مولکول‌هاي آلی است؛ به صورتی که ترکیبی از یک گروه قطبی و یک زنجیره بلند آلکیل ایجاد شود.
گروه قطبی پوشش باید توانایی جذب شیمیایی بسیار قوي ترکیب فعال سطحی را که روي سطح نانو هسته‌هاي معدنی وجود دارد، داشته باشد. در صورتی که زنجیره بلند آلکیلی پوشش باید طول و ساختار مناسبی داشته باشد تا نانو ذرات معدنی در روغن قابل حل باشند. شکل (۳) نمونه‌ای از پوشش‌دهی ذرات توسط ملکول‌های آلی را نشان می‌دهد.
شکل (۳): پوشش سطح نانوذرات فلزی با لایه‌ای از ملکول‌های آلی
غالب عامل‌هاي پوششی، تیول‌هاي آلکیلی بلندزنجیر ، اسید اولئیک و آمین‌ها هستند. تحقیقات بسیار زیادي به ارزیابی ویژگی‌هاي روانکنندگی نانو ذرات مس پوشش داده شده، اختصاص یافته است. نانو افزودنی مس پوشش‌دار شده به طور چشمگیري می‌تواند سبب بهبود مقاومت سایشی، افزایش توان تحمل اعمال بار روغن و نیز موجب کاهش ضریب اصطکاك شود.
بررسی نقش اندازه و مقدار نانو ذرات مس روی خصوصیات روانکنندگی آن‌ها نشان داد نانو ذرات مس با اندازه ذرات ۲ تا ۵ نانومتر که با دی آلکیل دی تیوفوسفات پوشش‌دار شده‌اند، خواص ضدسایشی پارافین مایع را بهبود بخشیده‌اند. در حالی که نانو ذرات مس با اندازه ذرات ۱۲ نانومتر موجب کاهش بهبود این خاصیت گردیده‌اند. یک استدلال منطقی از این پدیده را شاید بتوان به اندازه کوچک‌تر نانو ذرات مس نسبت داد که دارای نقطه ذوب پایین‌تر و واکنش‌پذیری بالاتر هستند. نانوذرات کوچک‌تر می‌توانند با سطوح تماسی برهم‌کنش بیشتری داشته و در نتیجه لایه‌ای تشکیل دهند که موجب بهبود خواص ضدسایشی شوند.
در تحقیق دیگري که انجام شد با استفاده از احیاي فاز مایع، نانوذرات مس را سنتز کردند. براساس نتایج حاصله، ذرات مس با اندازه ۳۰ نانومتر پراکندگی بهتري در روغن روان‌کننده داشته و در نتیجه عملکرد بهتري را از خود نشان داده‌اند. نقش نانو ذرات اکسید مس، دی اکسید تیتانیوم و نانو الماس را در خواص روانکاري روغن موتور API-SF و روغن پایه بررسی شد. براساس تحقیقات، روغن API-SF حاوي نانو ذرات، داراي ویسکوزیته بالاتري نسبت به روغن بدون نانوذرات بوده است. روغن API-SFحاوي نانوذرات TiO2 داراي بالاترین ویسکوزیته نسبت به سایر روغن‌ها بوده و همچنین پایین‌ترین ضریب اصطکاك را از خود نشان داده است.
همچنین آزمایش‌هاي اصطکاك و سایش به کمک یک دستگاه لغزشی رفت و برگشتی انجام شد. نتایج نشان داد نانوذرات افزوده شده به روغنهاي پایه، تأثیر بسزایی در کاهش اصطکاك و سایش دارند. این نتایج حاکی از تشکیل یک لایه محافظ روي سطح سایشی است که از تماس مستقیم سطوح جلوگیري کرده و موجب کاهش ضریب اصطکاك و رفع چسبندگی سطوح تماسی میشود.
ویسکوزیته بالاتر، عدد زومرفلدرا افزایش می‌دهد، به صورتی که رژیم روانکاري ممکن است از شرایط مرزي به روانکاري درهم یا هیدرودینامیک تغییر کند. بنابراین در دماهاي پایین، کاهش در ضریب اصطکاك می‌تواند مشاهده شود و در دماهاي بالاتر به دلیل آنکه ویسکوزیته روغن خیلی پایین است، برقراري لایه روغنی میان سطوح اصطکاکی آسان نیست.
تأثیر افزودن نانوذرات فلزي آهن، مس، کبالت و ترکیب آن‌ها با روغن معدنی بررسی شد و نتایج آزمایش نشان داد افزودن هر کدام از این نانوذرات موجب کاهش قابل توجه اصطکاك و سایش میشود. همچنین نانو ذرات مس بیشترین نقش را در کاهش ضریب اصطکاك نشان می‌دهند.
بنابراین می‌توان این اثر را به نقش پر رنگ مس در تشکیل لایه بسیار نازك روانکاري و کاهش سطح تماس نسبت داد و متوجه شد استفاده از مخلوط نانو ذرات بسیار مؤثرتر از نانو ذرات خالص است. تأثیر سوسپانسیون نانوافزودنی‌هاي اکسید روي، مس و زیرکونیوم در روان‌کننده‌هاي روغنی بررسی شد.
همچنین تأثیر افزایش نانوذرات اکسید روي، مس و زیرکونیوم در کاهش ضریب اصطکاك و سایش روغن روان‌کننده پلی آلفااولفین بررسی شد. تحقیقات نشان داد افزودن همه نانو ذرات، موجب کاهش اصطکاك و سایش نسبت به روغن پایه شده است. همچنین نقش نوع و مقدار نانوذرات در کاهش ضریب اصطکاك و سایش نشان داده شده است. نتایج نشان داد اکسید روي و دی اکسید زیرکونیوم رفتار ضدسایشی یکسانی را از خود نشان داده‌اند. همچنین محتواي ۵۰ درصد وزنی از ZrO2 و ZnO بهترین عملکرد را در کاهش ضریب اصطکاك و سایش دارا هستند.
طلا بهترین و مناسب‌ترین پوشش براي جداره داخلی سیلندرهاست، ولی به دلیل قیمت بسیار بالاي طلا و محدودیت در روش‌هاي ریزکردن آن، کمتر از آن استفاده میشود. به‌کارگیري نانو ذرات طلا در روان‌کارها موجب افزایش پایداري دمایی، افزایش پایداري شیمیایی، آب‌بندي بسیار مناسب به دلیل نرمی طلا، افزایش رسانایی حرارتی، افزایش قابلیت جذب سطحی و در نتیجه فعالیت بالاتر روان‌کارها شده است.
کاهش اصطکاك و رفتارهاي ضدسایشی نانو ذرات به اندازه، شکل و غلظت آن‌ها بستگی دارد. اندازه آن‌ها غالباً در محدوده ۱۲۰-۲۰ نانومتر است. تأثیر اندازه ذرات با استفاده از نانوذرات طلاي ۵ تا ۲۰ نانومتر بررسی شد و نتایج نشان داد نانو ذرات طلاي ۲۰ نانومتري اثر بیشتري در کاهش اصطکاك و سایش نسبت به نانوذرات طلاي ۵ نانومتري دارند.
اثر نانوذرات مس، روي سطوح اصطکاکی با استفاده از روش دینامیک مولکولی بررسی شد و نتایج تحقیق نشان داد تأثیر نانوذرات مس، روي کاهش اصطکاك در سرعت هاي پایین بیشتر از سرعت هاي بالاست که علت آن تشکیل فیلم نانو ذرات مس روي سطح است.
تحقیق دیگري روي پایه سیلیکون با استفاده از فیلم اکتان تیول خودآرایی شده شبه ساندویچی حاوي نانو ذرات نقره صورت پذیرفته است. آزمایش‌هاي تریبولوژي انجام شده نشان‌دهنده تشکیل یک فیلم سه‌لایه‌هاي است. این فیلم سه‌لایه‌اي به علت ساختار شبه ساندویچی خود باعث کاهش اصطکاك و سایش میشود.
لایه درونی این فیلم سه لایه‌اي به عنوان یک بستر اولیه براي چسبیدن نانوذرات روي پایه سیلیکونی عمل می‌کند. لایه وسطی که حاوي نانوذرات نقره است قادر به افزایش ظرفیت حمل بار و لایه بیرونی، فیلم اکتان تیول خودآرایی شده است که نرم بوده و می‌تواند تنش برشی را کاهش دهد.
نانو ذرات کلوئیدي
مکانیسم کاهش اصطکاك و خواص ضدسایشی نانو ذرات در روانکنندهها به صورت تأثیر کلوئیدي، تأثیر غلتشی، لایه محافظ و جسم سوم گزارش شده است مکانیسم عمل نانوذرات جامد کلوئیدي را در روغنهاي روانکار بررسی شده است. مطالعات نشان می‌دهد در فیلم نازك، نانو ذرات کلوئیدي به صورت تماس‌هاي هیدرودینامیک کشسانی از طریق مکانیسم به تله افتادن مکانیکی نفوذ می‌کنند.
کلوئیدها در سرعت‌هاي پایین تماس‌هاي غلتکی، لایه مرزي به ضخامت حداقل یک یا دو برابر اندازه ذره تشکیل می‌دهند. ، محدوده وسیعی از نانوذرات جامد کلوئیدي را با استفاده از آزمون چهار ساچمه مورد ارزیابی قرار دادند. رسوب محصولات واکنش اصطکاکی تولیدشده توسط نانو ذرات در طول فرایند می‌توانند منجر به تشکیل لایه مرزي و کاهش تنش برشی شود.
باید به این نکته نیز توجه کرد که همه محصولات واکنش در فرایند روانکاري نمی‌توانند سبب بهبود مقاومت در مقابل سایش شوند. براي مثال نانو ذرات CeF3 فشار بسیار خوبی از خود نشان داده‌اند و عملکرد مناسبی نسبت به کاهش اصطکاك داشته‌اند، ولی خواص ضدخوردگی خوبی را دارا نیستند. دلیل این رفتار سطح اتم‌های F- درCeF3 است که خاصیت شیمیایی فعال‌تري داشته و در نتیجه خوردگی افزایش می‌یابد.
نانو افزودنی اسید بوریک (H3BO3)
ساختار لایه‌اي بلوري اسید بوریک موجب خاصیت خود روانکنندگی آن میشود. آزمون‌هاي اصطکاك و سایش با قرص‌هاي اسید بوریک توسط دستگاه میله روي صفحه انجام میشود. پاشش پودرهاي اسید بوریک به سطوح لغزشی به طور چشمگیري موجب کاهش ضریب اصطکاك شده است. نتایج نشان می‌دهد پاشش پودرهاي اسید بوریک به سطوح تماسی، موجب کاهش ضریب اصطکاك از ۰/۸ به کمتر از ۰/۵ شده است.
همچنین نتایج عملکرد روانکاري از طریق اندازه‌گیري ضریب اصطکاك توسط آزمایش میله روي صفحه تعیین شده است. هنگامی که از PAO خالص استفاده شده، متوسط ضریب اصطکاك حدود ۰/۱۵ بوده است، ولی هنگامی که از ۵ درصد وزنی نانو ذرات اسید بوریک استفاده شده، ضریب اصطکاك ۰/۴۰ کاهش یافته است . اثر افزودنی‌هاي بور روي عملکرد روغن موتور بررسی شده است.
از روغن پایه‌هاي حاوي دو نوع ترکیب بور با غلظت‌هاي مختلف استفاده شد و نتایج، نشان‌دهنده تشکیل یک تریبو فیلم در شرایط مرزي یا روانکاري مخلوط است. همچنین نتایج بدست آمده نشان داد افزایش ترکیبات بور، سبب کاهش ضریب اصطکاك از ۱۰ تا ۵۰ درصد در شرایط آزمایشی متفاوت میشود. غلظت بهینه ۴ درصد براي اسید بوریک و نیز نیترید بور شش‌وجهی بدست آمد.
نانو ذرات و نانو صفحات دی سولفید تنگستن (WS2)
نانو افزودنی WS2 را به عنوان روان‌کننده جامد نه تنها در شرایط متعارف بلکه تحت شرایط دشوار، مانند دما و فشار بالا، بار زیاد، خلأ زیاد، تابش و محیط خورنده می‌توان به کار برد. این نانو افزودنی دارای ساختار لایه‌ای بسته شش‌ضلعی است که در شکل (۴) نشان داده شده است. هر اتم تنگستن به دو اتم سولفور متصل است. اتم تنگستن و سولفور با پیوندهای قوی شیمیایی به یکدیگر متصل شده‌اند، در حالی که اتم‌های سولفور با پیوند ضعیف مولکولی به یکدیگر اتصال دارند.
استفاده از نانو افزودنی WS2 در سیستم‌های هیدرولیک می‌تواند به کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک کمک کند. این نانو افزودنی، با کاهش اصطکاک و بهبود روانکاری، موجب بهینه‌سازی مصرف انرژی در این سیستم‌ها میشود.
نانو افزودنی WS2 یک ترکیب شیمیایی بی‌اثر است که به سختی در محیط‌هایی مثل آب، روغن، الکل و اسید حل میشود ولی به گاز فلوئور، اسید سولفوریک داغ و اسید فلوئوریدریک حساس است. این ترکیب غیر سمی بوده و موجب زنگ‌زدگی و خوردگی فلزات نمی‌شود. همچنین دارای مقاومت حرارتی بالایی بوده و نسبت به اکسید شدن مقاوم است.
شکل (۴): ساختار کریستالی دی اکسید تنگستن
اثر افزودن نانوذرات WS2 به روغن‌های پایه در بهبود خواص تریبولوژیکی
بررسی اثر افزودن WS2 به روغن‌های پایه در محدوده گسترده‌ای از شرایط عملیاتی برحسب فشار تماس، سرعت لغزشی و ویسکوزیته انجام شد. افزایش نانوذرات WS2 به روغن‌های پایه، باعث کاهش 50 درصدی ضریب اصطکاک در شرایط مختلف روانکاری میشود. بنابراین WS2 دارای خصوصیات برجسته‌ای است که می‌توان در زیر ذکر کرد:
- نانو افزودنی WS2 دارای قابلیت نفوذ بسیار خوبی در منافذ بسیار ریز است.
- مانع تخریب سطوح در تماس با یکدیگر میشود.
- باعث ایجاد سطوح خود روان‌کننده میشود.
این ویژگی‌ها می‌توانند در کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک بسیار موثر باشند، به‌ویژه در کاهش اصطکاک و سایش در سیستم‌های هیدرولیک که منجر به بهبود عملکرد و صرفه‌جویی انرژی میشود.
از فیلم کامپوزیت WS2-Ni برای بهبود خواص تریبولوژی و مقاومت استفاده شد. نتایج نشان داد فیلم کامپوزیت حاوی مقادیر کم نیکل (۵ درصد) دارای مقاومت سایشی بالاتری نسبت به فیلم WS2 است. همچنین مشخص شد مقادیر بالای نیکل (۱۰ درصد) دارای نتیجه معکوس بوده و سبب کمتر شدن مقاومت سایشی نسبت به فیلم WS2 میشود. این تغییرات در مواد افزودنی همچنین می‌تواند به کاهش اتلاف انرژی در آسانسورهای هیدرولیک کمک کرده و کارایی سیستم را افزایش دهد.
در مطالعه دیگری این محقق و همکارانش از فیلم کامپوزیت WS2-Ag برای بهبود خواص تریبولوژی و مکانیکی استفاده کردند که فیلم کامپوزیت حاوی ۹ درصد نقره از مقاومت سایشی و قدرت چسبندگی بهتری نسبت به فیلم WS2 برخوردار است.
مطالب مرتبط
مطالب اخیر
