شیمی دان زیرک

کاربرد فناوری نانو در روانکارها

در این مقاله به کاربرد فناوری نانو در روانکارها به خصوص روانکارهای مورد استفاده در صنعت خودرو اشاره شده است . ابتدا به مقدمه ای در مورد روانکارهای رایج پرداخته شده است . سپس به صورت اجمالی به مزایای استفاده از فناوری نانو در این زمینه اشاره شده است . سپس به طور نمونه دو روانکار با افزودنی نانو مورد بررسی قرار گرفته است .

مقدمه :
نانو تکنولوژی یا آرایش اتم‌ها در مقیاس نانومتری ، همان کنار هم قرار گرفتن صدها اتم در ابعاد چند نانومتر است که خصوصیات جدید و ممتازی را نتیجه می‌دهد. این تکنولوژی در زمینه‌های مختلف علم وارد شده و در صنایع مختلف نیز، محصولاتی بر این پایه ایجاد شده است. در این میان، افزودنی‌های روغن موتور و سوخت نیز تحت تاثیر نانوتکنولوژی قرار گرفته و محصولات مربوطه وارد بازار شده است. نانوافزودنی‌های روغن به طور اساسی بر صرفه‌جویی سوخت و بازدهی موتور تاثیر دارند. به طور کلی، خواصی که برای این افزودنی‌ها ذکر شده است عبارتند از: کاهش ضریب اصطکاک، کاهش میزان ساییدگی در اجزاء موتور ، ترمیم سطوح درگیر و بهبود خواص سطحی، افزایش بازده موتور در اثر افزایش فشار درسیلندر ، کاهش هزینه تعمیرات و نگهداری ، کاهش صدای موتور و گازهای آلاینده ، جلوگیری از اکسیداسیون روغن ، تمیز کردن سیستم سوخت‌رسانی و افزایش قدرت خروجی موتور و غیره.

عنوان : کاربرد نانوفناوری در کاهش آلایندگی اتومبیل

توضیحات : از کاربردهای مهم نانوفناوری در صنعت اتومبیل، کاهش آلودگی محیط زیست می باشد که بسیار حائز اهمیت است. در این میان، افزودنی های روغن موتور و سوخت تحت تاثیر نانوتکنولوژی، علاوه بر صرفه جویی سوخت و افزایش بازده، باعث کاهش گازهای آلاینده می شوند. همچنین استفاده از مبدل کاتالیستی در اتومبیل برای تبدیل گازهای خروجی مضر به محصولات بی ضرر نظیر آب و دی اکسید کربن و اکسیژن، با استفاده از نانوکاتالیزورهای جدید با ساختار کریستالی(Perovskite) بسیار موثر می باشد که این نانوکاتالیست ها از مخلوط اکسیدهای فلزی مثل لانتانیوم منگنز اکساید(LaMnO3) منیزیوم اکساید(MgO) تشکیل شده است.

روان کننده های جامد معمولی ، ترکیبات لایه ای مانند گرافیت ، سولفید مولیبدیوم (MoS) و سولفید تنگستن (WS)هستند که لغزش لایه های آنها روی یکدیگر موجب کاهش اصطکاک می شود.  اما لبه لایه ها به تدریج تجزیه شده و در نتیجه باعث چسبیدن آنها به سطح فلز می شود. اندازه نسبتاً بزرگ این پولک های لایه ای، مانع ازورود آنها به حفره های سطح فلز شده و لذا این مواد روی سطح فلز انباشته شده و به سطح می چسبند و کارایی روان کنندگی خود را از دست می دهند. این کار در نهایت موجب فشرده شدن قطعه های فلزی به یکدیگر و فرسودگی آنها می شود. بنابراین لازم است تا از روان کننده های جامد کوچکتر و محکم تری استفاده شود.
روانکارهای مایع نمی توانند تمامی ویژگی های مورد نیاز یعنی کاهش اصطکاک ، فشارپذیری بالا ، ایجاد مقاومت به خوردگی ، خنک کاری و ضد فرسایش بودن در موتور یا ماشین را داشته باشند. این موضوع تولید کنندگان را مجبور کرده تا برای اصلاح خواص از دیرباز افزودنی هایی به آنها بیافزایند. از سوی دیگر، نانوفناوری در زمینه های مختلف افق های جدیدی را پیش روی پژوهشگران باز کرده است. از این منظر، نانوافزودنی ها چنان خواص نوید بخشی نشان داده اند که منجر به تجاری شدن آنها شده است.
داشتن سطح فعال نانومواد چالش هایی را هم به وجود می آورد که تمایل به تجمع ذرات مهمترین آنها است که برای برطرف کردن آن راهکارهایی اندیشیده شده است. پرداختن به استفاده از نانومواد و ساز و کارهای آنها از آن جهت بیشتر اهمیت پیدا می کند که در حال حاضر نتایج خوبی از نانو افزودنی ها در عمل حاصل شده است.
پر مصرف‌ترین و معروف‌ترین روغن های 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 گرد و خاک از داخل موتور به فیلتر روغن و جلوگیری از رسوب دوده در رینگ‌ها ، سوپاپ‌ها و غیره 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 ضد خوردگی و ضد اکسیداسیون ، گرانروی، پاک کنندگی و غیره را در ترکیب ، به عهده داشته باشند.
امروزه کلیه روانکارها با پایه معدنی و یا با پایه سنتزی ، برای داشتن کارآیی مناسب و مطلوب ، نیازمند مواد شیمیایی دیگر یا در واقع افزودنی‌هایی هستند که بتواند خواص مورد‌نظر را در آنها ایجاد نماید. این مواد شیمیایی سنتزی، ضمن این که خواص جدیدی به روانکار می‌دهند می‌توانند برخی ویژگی‌های موجود در روانکار را تقویت و از بروز برخی پدیده‌های نامطلوب در سیستم روانکاری جلوگیری کنند.

سازوکارهای عملکرد نانوافزودنی ها در روانکارهای مایع
افزودنی هایی که در قدیم برای روانکارهای مایع به کار می رفت، موادی محلول در آن بود که تحت شرایط کاری در دما و فشار بالا دچار تخریب شده و لایه ای از فیلم ضد فرسایش بر روی سطوح درگیر به وجود می آورد. این مواد دارای عناصر فعالی (از نظر تریبولوژیکی) بوده که در آنها عناصری مانند P، S ، Cl ،Zn و N وجود دارد و می توانند در سطوح درگیر در اثر واکنش با ماده سازنده آن ، لایه ای محافظ تشکیل دهند . نخستین مرحله عملکرد آنها با جذب فیزیکی و یا شیمیایی در سرتاسر سطح فلز آغاز می شود و واکنش های شیمیایی تنها هنگامی که فرایند فرسایش رخ می دهد آغاز می شود . افزودنی های مونومری فشارپذیر معمولا یک تا پنج جزء از عناصری که ذکر شد را دارند و تا 5 درصد وزنی اضافه می شوند . می توان با افزودن ذرات ریز جامد و بهره گیری از موادی چون گرافیت، مولیبدن دی سولفاید (MoS2)، پلی تترا فلورو اتیلن ( PTFF )، الماس، فولرین (C60)، بورون نیترید (BN) و سایر فلزات ، اکسیدها و آلیاژهای آنها ، کاستی های روانکاری را برطرف کرد.

به طور کلی سه ساز و کار را می توان بیان کرد :
تشکیل لایه انتقال ، عملکرد بلبرینگی و تبدیل اصطکاک لغزشی به اصطکاک غلتشی و ساز و کار ترمیم با وارد شدن نانو ذرات به خلل و فرج به وجود آمده بر سطح اجزای درگیر و ایجاد سطحی صاف و صیقلی.

شکل 1- سازوکار تشکیل لایه روانکار در مورد پلی تترا فلورو اتیلن

سازوکار تشکیل لایه روانکار
با حضور و پیشرفت نانوفناوری، روانسازی شتاب بیشتری گرفت. در این راستا نانوافزودنی هایی مانند بورات تیتانیوم، اکسید تیتانیوم، بورات روی، اکسید آهن ، کربنات کلسیم ، بورات منیزیم، نفتانات های زمین، نانوذرات آلومینیوم قلع، مواد پلیمری، سیلیکات های معدنی و... نیز مورد استفاده قرار گرفتند. سنتز نانوذرات برای استفاده به عنوان افزودنی در روان کارهای مایع به تنهایی کافی نیست زیرا نانوذرات دارای سطح فعال بسیار بالایی هستند که در آنها تمایل به تجمع ایجاد می کند. برای جلوگیری از تجمع، آماده و پایدارسازی نانوذرات، روش های گوناگونی وجود دارد. این کار با اصلاح و پوشش دهی سطحی و یا قرار گرفتن در یک بستر خنثی انجام می شود . در یک محیط مایع ، پایدارسازی دشوارتر است و این کار با کمک واکنش گرهای الکترون دهنده یا الکترون گیرنده انجام می شود . در بستر مایع حرکات کاتوره ای مولکول ها و کوچک بودن ذرات به پایداری آنها کمک می کند اما این مستلزم آن است که پوسته خارجی که سطح با آن اصلاح یا پوشش دهی شده است در مایع محلول باشد و بنابراین باید در یک محیط آبی از مواد آبدوست و در یک محیط آلی از مواد آبگریز استفاده کرد . نانو ذره جامد در هیچ کدام از این مایعات قابل حل نیست و به همین دلیل به جای استفاده از واژه هایی همچون محلول یا پراکنش، از عبارت "سامانه نانوکامپوزیتی مایع" در مورد آنها استفاده می شود. 
سازوکار عملکرد نانوذرات فلزات نرم در روانکارهای مایع 
یکی از کارکردهای مایعات روان کننده به ویژه آنها که در موتور خودرو استفاده می شوند خنک کاری است . روان کننده مایعی که حاوی نانو ذرات است یک نانوسیال است . یکی از خواص مهم نانو سیالات ، قابلیت انتقال حرارت بسیار بالای آنها است زیرا ذرات جامد ، هدایت حرارتی بهتری نسبت به مایعات دارند . برای مثال هدایت حرارتی آب برابرWatt/m K 0.613 است در صورتی که این مقدار در مورد نانوتیوب کربن در راستای طولی 2000  Watt/m.K  است (یعنی 3000 برابر آب و10000 برابر روغن) . پارامتر کلیدی در هدایت حرارتی ، نسبت سطح به حجم است بنابراین ذرات نانو بیشتر از ذرات میکرو بر این قابلیت می افزایند. 
با توجه به قیمت بالا و فزاینده انرژی در جهان، استفاده از نانو افزودنی ها می تواند باعث صرفه جویی زیادی در مصرف انرژی ، کاهش آلاینده ها و حفظ محیط زیست شود.
در زمینه روانکارهای مایع که در آن از نانوافزودنی ها استفاده شده ، سه ساز وکار ترمیم سطح ، ایفای نقش بلبرینگی و تشکیل فیلم پیشنهاد شده است. با این حال در مورد سازوکارهایی که این مواد عمل می کنند ، نیاز به تحقیقات بیشتری است زیرا نتایج بررسی ها نشان می دهد تطابق کاملی بین سازوکارهای ادعا شده توسط پژوهشگران و تولیدکنندگان وجود ندارد.

برخی از نانوافزودنی‌های روغن موتور موجود در بازار به شرح زیر می باشند:
افزودنی حاوی نانوالماس ، افزودنی حاوی نانو فلوئور ، افزودنی حاوی نانو ذرات طلا ، افزودنی روغن موتور حاوی فولرین

افزودنی روغن موتور حاوی فولرین
عنصر کربن دارای ساختارهای گوناگونی از جمله کربن بی شکل ، گرافیت و الماس دارد. فلورین ساختاری جدید از کربن می باشد که به اسم Bucky ball نیز نامیده می شود و ساختاری کاملاً شبیه به توپ فوتبال دارد. فلورین ها مولکول های بسیار پایداری بوده و کاملاً کروی شکل می باشند که این امر سبب می شود بتوان از آن ها به عنوان افزودنی در روان کننده ها استفاده نمود.
اندازه مولکول های فلورین بسیار کوچک و در حد چند نانومتر می باشد که سبب می شود آنها بتوانند در منافذ ریزسطح اصطکاکی وارد شده و لایه فلز- سرامیکی تشکیل دهند که سبب بهبود خواص اصطکاکی سطح بشود.
مکانیسم عمل بدین صورت است که به علت شکل کروی و پایدار و مقاوم بودن آن‌‌، وقتی بین دو سطح درگیر قرار می گیرند به صورت بلبرینگهای کوچک عمل می نمایند و عمل لغزندگی سطح را از حالت لغزیدن دو لایه روان کننده بر روی همدیگر به حالت لغزش چرخشی در می آورند و ضریب اصطکاک را تا حد زیادی بهبود می بخشند.

افزودنی روغن موتور حاوی نانو الماس
نانوالماس نیز به عنوان یکی از جدیدترین و موثرترین این مواد نانوافزودنی‌ روغن مطرح بوده است. ویژگی‌های منحصر به فرد ذرات نانوالماس ، موجب شده انواع و گریدهای مختلف این ماده ، کاربردهای متنوعی را در بخش‌های مختلف صنعت به خود اختصاص دهند. نانوالماس به عنوان افزودنی در پوشش های کامپوزیتی ، مواد ضد ساییدگی و ضد اصطکاک ، روغن های روان کننده و پلیمرها )ابر، پلاستیک و (...و همچنین به عنوان ماده کاربردی در عملیات داروسازی ، کاتالیستها و غیره استفاده می شود. پودر نانومتری الماس نوع جدیدی از پودرهای سنتزی نانومتری بسیار سخت(SuperHard) محسوب می‌شود. از بررسی‌های میکروسکوپی انجام شده بر روی پودر نانومتری الماس مشخص شده است که ذرات پودر نانومتری الماس به صورت یک مجموعه (Cluster) بوده و شکل ذرات نانو الماس کروی است (شکل 2). در واقع، یک ذره الماس از یک هسته فشرده بلورین از جنس الماس و یک لایه‌ سست خارجی حاوی انواع پیوندهای کربن - کربن و Heterobonds تشکیل شده است. 

شکل2- ذرات کروی نانو الماس

30 درصد نانو اتم‌های الماس 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 ایکس‌ (XRD) بر روی پودر نانومتری الماس نشان می‌دهد که ذرات موجود در این پودر از جنس الماس با ساختار مکعبی می‌باشند. مطالعات مربوط به شناسایی کیفیت سطح پودر نشان می‌دهند که سطح ذرات با گروه‌های عامل پوشیده شده است که نوع و مقدار این گروه‌ها در محصولات مختلف متفاوتند. این گروه‌ها اغلب از نوع گروه‌های اکسیژن‌داری هستند که بر روی سطوح ذرات ، بار منفی ایجاد می‌کنند.
پودر نانومتری الماس در هوا تا دمای ºC 500 و در خلاء یا محیط الکلی تا دمای ºC 1000 الی 1100 درجه سانتی گراد مقاوم است. دمای ºC 1100 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 فرآیند 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. 

نحوه عملکرد نانو افزودنی الماس در کاربرد بهبود روانکاری
نحوه‌ مصرف و عملکرد نانوالماس( شکل 3 ) در این کاربرد به این صورت است که پودر نانو الماس، به روغن موتور افزوده می‌شود و سوسپانسیون پایداری ایجاد می‌کند. نانوالماس موجود در روغن بر 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 نمودن پودر سیاه نانوالماس (0.5 درصد وزنی ) در روغن های روان کننده مایع، ضریب اصطکاک روان کننده کاهش می یابد . نانوالماس توزیع شده در روان کننده، لایه فیلمی بر روی سطح تماس ایجاد می نماید و نانوذرات منافذ ریز موجود بر روی سطح را پر می نمایند، علاوه بر آن نانوالماس به صورت ذرات کروی شکل و فوق العاده سخت می باشد که به صورت حرکت چرخشی عمل می نمایند. بنابراین با تبدیل حرکت اصطکاکی لایه ها بر روی هم به حرکت چرخشی، نانوذرات سبب کاهش قابل توجه اصطکاک میشوند.

شکل 3 - نحوه‌ عملکرد نانوالماس

با توجه به تاثیر چشمگیر مصرف این افزودنی در بهبود عملکرد روانکار، کاهش اصطکاک، خوردگی و غیره، اهمیت این محصول در رابطه با مقوله های بحث برانگیزی چون کاهش مصرف سوخت و انرژی، بهبود راندمان و کاهش هزینه های تولید و همچنین مباحث کاهش آلودگی های زیست محیطی، امری کاملا مشخص و انکار ناپذیر می باشد. بررسی های انجام شده نشان می دهد با مصرف افزودنی حاوی نانو الماس در روغن موتور می توان علیرغم صرف هزینه بسیار کم اولیه، در هزینه های جاری مربوط به سوخت و روغن، تعمیرات و نگهداری و تعویض قطعات موتور خودرو صرفه جویی نمود. 

منابـــــع :

• 1. ابوالقاسم کوچکی، علی عباسی، حامد افشاری، حسین شکی، عمادالدین هراتی فر،امیرحسین میردامادیان ، "فناوری نانو در صنعت خودرو و کاربردهای آن" ، چاپ دوم ، تهران ، دبیرخانه ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

Development of world with chemistry