Пластичные смазки широко используются в различных машинах и механизмах, а также в резьбовых соединениях для уменьшения износа и трения, например при бурении нефтяных и газовых скважин.
Широкое применение смазок приводит к тому, что ежегодно миллионы тонн смазочных материалов сбрасываются в окружающую среду в результате утечек и замены отработанного смазочного материала.
Некоторые из этих отходов устойчивы к биодеградации и являются угрозой для окружающей среды.
Таким образом, существуют 2 основные проблемы у производителей смазочных материалов:
- поиск возобновляемых сырьевых ресурсов,
- создание материалов, которые являются биоразлагаемыми [1, 2].
Для улучшения эксплуатационных свойств в состав смазок вводят присадки различного функционального назначения и твердые добавки.
Таким образом, смазки представляют собой сложные многокомпонентные системы, основные свойства которых определяются свойствами дисперсионной среды, дисперсной фазы, присадок и добавок.
В качестве дисперсионной среды смазок используют различные смазочные масла и жидкости.
В смазках, работающих в экстремальных условиях, применяют кремнийорганические жидкости, сложные эфиры, фтор- и фторхлоруглероды, полифениловые эфиры.
Применение таких смазок ограничено прежде всего их высокой стоимостью.
В отдельных случаях в качестве дисперсионной среды применяют растительные масла, например касторовое, но в этих случаях возникают проблемы, связанные с низкими трибологическими характеристиками этих смазок.
Высокой биоразлагаемостью и низкой токсичностью обладают сложные эфиры на базе синтетического или растительного сырья [3].
Вполне вероятно, что структура сложных эфиров, близкая к природным соединениям, способствует высокой биоразлагаемости, поскольку микробы в процессах своей жизнедеятельности используют вещества только со знакомым химическим строением.
Многие эксплуатационные характеристики смазок зависят от свойств не только дисперсной среды, но и от загустителя.
Диапазон применения смазок будет сильно зависеть от температур плавления и разложения загустителя, степени его растворимости в масле и величины его концентрации в композиции.
От природы загустителя зависят антифрикционные и защитные свойства, водостойкость, коллоидная, механическая и антиокислительная стабильности смазок.
На наш взгляд, при создании экологически безопасных смазок весьма перспективными материалами являются такие производные графита, как графен и оксид графена.
Данное предположение основано на том, что графен и оксид графена одновременно являются эффективными загустителями, то есть дисперсной фазой и присадкой, которая существенно улучшает трибологические характеристики смазки.
Нами экспериментально установлено, что добавки в индустриальное масло И-20А 7–8 % многослойного или 10–12 % малослойного графена, который производит ООО «НаноТехЦентр» (г. Тамбов), приводят к образованию консистенции, идентичной консистенции пластичной смазки.
С другой стороны, добавки 0,1 % графена в пластичные смазки Солидол-Ж и Литол-24 снижают коэффициент трения скольжения в 1,5 - 2 раза [4].
Кроме того, результаты экспериментальных исследований [5] показывают, что 1- слойный графен выдерживает порядка 6400 циклов скольжения, сохраняя очень низкое значение коэффициента трения скольжения, а 3 - 4- слойный графен выдерживает 47 000 циклов.
Таким образом, на практике смазки, модифицированные многослойным графеном, по всей видимости, будут работать более продолжительный срок, сохраняя высокие трибологические показатели.
По нашим предположениям, в процессе эксплуатации под воздействием сдвиговых напряжений, возникающих в смазке, находящейся в малом зазоре между поверхностями пары трения, происходит постепенное уменьшение количества слоев многослойного графена.
В ряде исследований [6–8] экспериментально доказано, что графен, в том числе многослойный, улучшает не только трибологические характеристики материалов, но и их прочностные свойства.
Следует отметить, что равномерность распределения графена в пластичной смазке существенно влияет на ее трибологические характеристики [9].
Целью настоящей работы является разработка методики модифицирования пластичной смазки многослойным графеном и определение трибологических характеристик этой смазки.
Экспериментальная часть
Многослойный графен был выбран в качестве модификатора по 2м основным причинам:
- относительно низкая себестоимость производства;
- продолжительное действие антифрикционных свойств.
Поскольку многослойный графен в отличие от малослойного получают эксфолиацией интеркалированного графита в роторно-импульсном аппарате, а не в ультразвуковой установке, его себестоимость намного ниже.
На рис. 1 показаны изображения многослойного графена в сканирующем (SEM) и просвечивающем (TEM) электронном микроскопе.
Прежде всего исследовали влияние многослойного графена на трибологические характеристики базового масла И-20.
В базовое масло добавляли водную суспензию многослойного графена из расчета, что после удаления воды в сушильном шкафу массовая концентрация графена будет составлять 0,1 - 0,5 %. После удаления воды проводили гомогенизацию смеси в роторном смесителе, схема которого показана на рис. 2.
Смеситель состоит из цилиндрического корпуса 1 и ротора 2, установленного в корпусе и соединенного с приводом вращения 3.
Внутренний диаметр цилиндрического корпуса Ø 60 мм, а высота ротора - 20 мм.
За счет использования сменных роторов зазор между цилиндрическими поверхностями корпуса и ротора составлял 0,1 - 0,05 мм.
Скорость вращения ротора варьировалась приводом 3 в диапазоне 20 - 150 c-1.
Смесь подавалась в цилиндрический корпус шприцом 4 с объемной производительностью 0,3 - 0,6 см3 /cек.
Цикл обработки смеси повторяли от 2 до 5 раз.
Для сравнения аналогичные образцы готовили с углеродными нанотрубками и графитом.
Модифицирование пластичной смазки проводили в 2 этапа.
- на 1 этапе готовили графеновый концентрат, с содержанием многослойного графена от 7 до 8 % по массе,
- на 2 этапе смешивали графеновый концентрат с базовой пластичной смазкой.
Гомогенизацию смазки с графеном проводили на роторном смесителе при геометрических и режимных параметрах, указанных выше.
В процессе модифицирования смазки графеном установлено, что все трибологические характеристики улучшаются при увеличении циклов обработки в роторном смесителе.
Наилучшие характеристики достигаются в результате 3х циклов обработки.
Последующая обработка повышает эксплуатационные свойства всего на 2 - 3 %.
Учитывая данное обстоятельство, обработку смазки проводили 3 раза.
Трибологические исследования проводили по ГОСТ 9490 - 75 и определяли:
- несущую способность - по критической нагрузке PK;
- предельную нагрузку - по нагрузке сваривания PС;
- противоизносные свойства - по диаметру пятна износа DИ.
Испытания по определению противоизносных свойств смазочных материалов проводились на 4-шариковой машине трения с микропроцессором модели TE 82 производства компании Phoenix Tribology Ltd., Великобритания (рис. 3а).
Диаметр пятна износа замеряли с помощью микрометрической цифровой головки, встроенной в микроскоп Mitutoyo.
Узел трения 4-шариковой машины представляет собой пирамиду из 4х контактирующих друг с другом стальных шариков.
3 нижних шарика закрепляют неподвижно в чашке машины с испытуемым смазочным материалом (рис. 3б).
Верхний шарик, закрепленный в шпинделе машины, вращается относительно 3х нижних под заданной нагрузкой с частотой вращения 1460 ± 70 мин-1.
После проведения испытания с помощью микроскопа измеряли диаметр пятна износа каждого из 3х нижних шариков, среднее арифметическое от суммы полученных значений является диаметром пятна износа испытуемого образца.
Результаты и обсуждение
Результаты по изменению противоизносных свойств масел с различными нанонаполнителями приведены в табл. 1.
Из таблицы 1 видно, что только графен способствует снижению диаметра пятна износа.
Уменьшение Ø пятна износа наблюдалось при концентрации графена в масле начиная с 0,1 %.
Максимальное уменьшение диаметра пятна износа на 33 % было зафиксировано при концентрации многослойного графена 0,25 %.
При дальнейшем увеличении концентрации до 0,5 % уменьшение диаметра пятна износа не зафиксировано.
Поскольку при концентрации графена 0,1 %, диаметр пятна износа уменьшился на 30%, было принято решение при модифицировании резьбовых смазок добавлять в них 0,1 % многослойного графена.
Следует отметить, что эта концентрация намного ниже по сравнению с диалкилдитиофосфатом цинка, дозировка которого составляет до 2 масс. %.
Результаты по изменению трибологических свойств пластичных смазок с различными наполнителями приведены в табл. 2.
Как видно из табл. 2 наилучшие результаты по всем показателям получены при добавлении к комплексной кальциевой смазке 0,1 % многослойного графена.
Диаметр пятна износа уменьшился на 50 %, индекс задира увеличился почти в 2,9 раза, несущая способность увеличилась в 3,8 раза.
Необходимо отметить, что смазка с 0,1 % многослойного графена не уступает смазкам, содержащим одновременно цинк, медь, графит и свинец в концентрациях до 30 %.
Графен является не только экологически безопасным материалом, но и способствует поглощению вредных примесей из жидких сред, в частности свинца [11, 12].
В работе [9] получили снижение коэффициента трения скольжения при использовании смазки, содержащей всего 0,05 % графена, что подтверждает целесообразность проведения дальнейших исследований по модифицированию пластичных смазок графеном.
Заключение
Разработана методика модифицирования пластичной смазки многослойным графеном.
Установлено, что при добавлении к пластичным смазкам многослойного графена в количестве порядка 0,1 % по массе существенно улучшаются все трибологические характеристики.
Основными преимуществами присадки на базе многослойного графена являются:
- низкие рабочие концентрации,
- простота стабилизации алкилсукцинимидами в отличие от графита и дисульфида молибдена,
- совместимость с трансмиссионными маслами,
- низкая токсичность.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки в приоритетных областях научно-технического комплекса России на 2014 - 2020 годы» (Государственный договор № 14.577.21.0253, 2017, «Уникальный идентификатор прикладных научных исследований» RFMEFI57717X0253).
Список литературы
1. Kreivaitis R., Padgurskas J., Spruogis B., Gumbyte M. Investigation of environmentally friendly lubricants // Environmental engineering The 8th International Conference. 2011, Vilnius, Lithuania. P. 174–177.
2. Петров Н.А., Вакилов А.Ф. Исследование экологически безопасной смазочной добавки для буровых растворов // Нефтегазовое дело: электрон. науч. журн. 2017. № 1. С. 6–20.
3. Karmakar G., P. Ghosh P., Sharma B.K. Chemically modifying vegetable oils to prepare green lubricants // Lubricants. 2017. V. 5. P. 1–17.
4. Al-Saadi D.A.Y., Pershin V.F., Salimov B. N., Montaev S.A. Modification of graphite greases graphene nanostructures // J. Friction Wear. 2017. V. 38. P. 418–422.
5. Berman D., Deshmukh S.A. Extraordinary macroscale wear resistance of one atom thick graphene layer // Adv. Funct. Mater. 2014. V. 24. P. 6640–6646.
6. Mindivan F. Effect of graphene nanoplatelets (GNPs) on tribological and mechanical behaviors of polyamide 6 (PA6) // Tribol. Ind. V. 39. P. 277–282.
7. Jia Z., Chen T., Wang J., Ni J., Li H., Shao X. Synthesis, characterization and tribological properties of Cu/reduced graphene oxide composites // Tribol. Int. 2015. № 88. P. 17–124.
8. Guo Y., Zhang S. The tribological properties of multi-layered graphene as additives of PAO2 oil in steel–steel contacts // Lubricants. 2016. V. 4. P. 30–41.
9. Sawyer W.G., Argibay N., Burris D.L., Krick B.A. Mechanistic studies in friction and wear of bulk materials // Ann. Rev. Mater. Res. 2014. V. 44. P. 395–427.
10. Много- и малослойные ГНП. http://www.nanotc.ru/ producrions/162-gnp-3
11. Кучерова А.Е., Буракова И.В., Бураков А.Е., Брянкин К.В. Изотермы адсорбции ионов свинца (II) графеновыми нанокомпозитами // Вестник ТГТУ. 2017. № 4. С. 698–706.
12. Kucherova A., Burakova I., Burakov A.. Graphene materials for lead (II) extraction: an equilibrium study // MATEC Web of Conferences. 2017. V. 1
Автор: В. Першин, К.Овчинников, З. Алсило, Р. Столяров, Н. Меметов
