کاربرد گرافن در روغن موتور

این بخش به کاربرد گرافن در روغن موتور و خواص بهبود یافته آن اشاره دارد:

روان کننده ها بخش ضروری ماشین آلات مدرن هستند که اصطکاک بین قطعات متحرک مانند موتورها، بلبرینگ ها، اتصالات و چرخ دنده ها و غیره را کاهش می دهند. قسمت های رفت و برگشتی موتورهای احتراق داخلی که در تماس لغزشی هستند باعث اصطکاک و سایش می شود که به نوبه خود منجر به اتلاف انرژی از موتور می شود. امروزه، تقریباً نیمی از خرابی‌های قطعات مکانیکی را می‌توان به روانکاری ناکافی در مجموعه‌های مکانیکی نسبت داد.

برای کاهش سایش و اصطکاک می توان از روان کننده ها استفاده کرد. هنگامی که روان کننده ها معرفی می شوند. به طور موثر خواص روغن را افزایش می دهند و کیفیت آن را بیشتر بهبود می بخشند. در خودروها، این افزودنی ها به سطوح اجزای داخلی موتور نفوذ می کنند که می تواند به تمیز کردن تجمع زباله در حین کار کمک کنند. بهبودهای دیگر شامل هدایت حرارتی بهتر، توانایی حفظ ویسکوزیته تحت بارهای زیاد موتور و روانکاری بهتر بین اجزای موتور است. این امر منجر به عملکرد بهتر موتور، مصرف سوخت بهتر و سایش و پارگی کمتر در قطعات متحرک برای طول عمر بیشتر موتور است.

سرعت کم یا بار سنگین می تواند منجر به عدم تشکیل فیلم روغن روان کننده شود که منجر به سایش شدید سطح تماس در هنگام راه اندازی مجموعه های مکانیکی، مشبک شدن جفت دنده ها یا تغییر جهت پیستون موتور می شود. روغن موتورهای کاملا فرموله شده حاوی مواد افزودنی، به طور گسترده به عنوان روان کننده موتور برای بهبود اصطکاک و ویژگی های سایش اجزای موتور استفاده می شود.

امروزه دانشمندان و مهندسان برای محافظت بهتر موتورها از گرمای بیش از حد، فناوری نانو را برای ادامه نوآوری در روغن موتورهای مورد استفاده در خودروها به کار می برند. نانوذرات پراکنده در روان کننده ها به دلیل توانایی آنها در کاهش اصطکاک و سایش در حال مطالعه هستند. اثرات نانو صفحه گرافن (GN) بر روی خواص رئولوژیکی و تریبولوژیکی روغن پایه مورد بررسی هستند.

گرافن، یک ماده روان‌کننده جدید با خواص تریبولوژیکی برجسته، هدایت حرارتی و استحکام مکانیکی، مورد توجه قرار گرفته است. روان‌کننده‌های جامد مبتنی بر گرافن تنها یکی از نمونه‌های متعدد مقاومت در برابر سایش و خواص کاهش اصطکاک گرافن است. به طور کلی، عملکرد تریبولوژیکی را می توان به طور قابل توجهی با پوشش هایی مانند جفت های تریبو گرافن بر روی مواد فولادی افزایش داد. اکثر روش‌های مرسوم کاهش سایش و اصطکاک در رابط‌های لغزنده از روانکاری روغن برای کاربردهای عملی استفاده می‌کنند. با این حال، بدون مواد افزودنی، روغن پایه نمی تواند روانکاری کافی را ارائه دهد و خواص تریبولوژیکی روغن پایه تحت تأثیر مواد افزودنی قرار می گیرد.

در مقایسه با روان کننده های معمولی، روغن های حاوی نانو مواد دارای خواص حرارتی و تریبولوژیکی عالی هستند. نانو روانکارهای مبتنی بر روغن موتور، اصطکاک و سایش را تا حدی کاهش می‌دهند که استانداردهای صنعتی را برآورده می‌کنند یا از آن فراتر می‌روند. همچنین افزودنی های نانوساختار ویسکوزیته را 10 تا 20 درصد کاهش دادند. GN به دلیل شکل، نسبت سطح بالا و انعطاف پذیری بالا، ماده ایده آلی برای کاهش اصطکاک و سایش است. پس از پراکندگی نانوذرات در روغن پایه، عملکرد و ویژگی های عملیاتی روان کننده به دلیل خواص برتر نانو روانکارها به طور چشمگیری بهبود می یابد.

نقطه ریزش و نقطه اشتعال با افزودن گرافن در روغن موتور

بهره وری کلی با توانایی روانکار در کاهش سایش در مراحل اولیه شروع سرد و در نتیجه بهبود بازده موتور تعیین می شود. پمپاژ روغن به خروجی ها به دلیل عدم گردش روغن دشوار است. هنگامی که یک روان کننده بیش از حد غلیظ می شود و جریان آن متوقف می شود، به دمای نقطه ریزش خود می رسد.

کاهش سایش در مراحل اولیه راه اندازی سرد، عملکرد کلی روان کننده را بهبود می بخشد و راندمان موتور را افزایش می دهد. با توجه به شرایط تست استاندارد، اگر نقطه ریزش زیر یک دمای خاص باشد، روغن می تواند آزادانه و بدون هم زدن جریان یابد. افزودن GN به طور قابل توجهی بر این پدیده ها تأثیر می گذارد. نقطه ریزش روغن پایه با افزودن نانو افزودنی ها (GNs) افزایش می یابد.

رسانایی گرمایی گرافن در روغن موتور

در خنک‌سازی موتورها و ماشین‌ها، جریان‌های حرارتی در اثر اصطکاک یا احتراق ایجاد می‌شوند و روانکار را پایدار نگه می‌دارند. در محدوده نقطه اشتعال، هدایت حرارتی نقش مهمی ایفا می کند. نانوذرات رسانایی حرارتی روغن موتور را افزایش می دهند. این مواد به دلیل اکسید فلزی و نانوذرات، نسبت سطح به حجم بالایی دارند و هدایت حرارتی نانوپرکننده ها را با طیف وسیعی از ساختارهای همگن و پایدار بهبود می بخشند. به لطف هدایت حرارتی عالی و پراکندگی گرمای موثر GN افزودن نانو پر کننده ها وGNها به روغن پایه منجر به افزایش رسانایی گرمایی نانو روغن می شود.

ویسکوزیته سینماتیکی (جنبشی)

در انتخاب روغن موتور مناسب برای هر ماشینی، ویسکوزیته سینماتیکی بسیار مهم است. برش لایه ها یا صفحات روان کننده بر روی یکدیگر به دلیل این خاصیت امکان پذیر است. اثر آب بندی، اصطکاک داخلی و توسعه گرما در اجزای ماشین همگی تحت تأثیر ویسکوزیته سینماتیکی قرار می گیرند. دمای کمتر باعث افزایش ویسکوزیته سینماتیکی می شود، در حالی که دمای بالاتر باعث کاهش آن می شود.

ویسکوزیته سینماتیک با افزایش طول عمر مصرف، قرار گرفتن در معرض روغن های دیگر، آب، ذرات و سایر عوامل محیطی کاهش می یابد. به دلیل توانایی آنها در ایجاد اتصالات کووالانسی غیرقطبی، GN ها باعث افزایش ویسکوزیته سینماتیکی و مقاومت برشی نانوروغن ها شدند. شاخص ویسکوزیته بالاتر (VI)  باعث ایجاد ویسکوزیته پایدارتر در طیف وسیعی از دماها (مستقل از دما) می شود.

متغیرهای زیادی بر ویسکوزیته سینماتیکی روغن‌های روان‌کننده تکمیل‌شده با نانوپرکننده‌ها تأثیر می‌گذارند. علاوه بر این، لایه روان کننده تحت دما، فشار یا سرعت بسیار نازک می شود و به سطوح اجازه می دهد تا با هم تماس پیدا کنند. GN ها می توانند با افزایش ویسکوزیته روغن و شاخص ویسکوزیته، از روانکاری مرزی جلوگیری کنند.

خواص تریبولوژیکی گرافن در روغن موتور

از دیگر خواص مورد نظر روغن ها ضریب سایش و اصطکاک روان کننده ها است. تحت فشارهای شدید، با توجه به فشاری که در آن اعمال می شود، رژیم های انتقالی، هیدرودینامیکی و لایه مرزی روانکاری قابل تشخیص هستند. طبق تحقیقات انجام گرفته ضریب سایش و اصطکاک با افزودن مقداری GN یک فیلم روان کننده هیدرودینامیک ارتجاعی تشکیل می شود که ضریب سایش و ضریب اصطکاک را کاهش می دهد. مکانیسم کاهش ضریب اصطکاک و سایش به این صورت می باشد که یک لایه محافظ از ذرات GN روی سطح تشکیل می شود که با به دام انداختن روغن، نانوذرات و سطوح در کنار هم اصطکاک را کاهش می دهد.

تعداد و فاصله لایه های گرافن با تأثیر بر انرژی پتانسیل سطحی، رفتار تراکم و احتمال ورود به منطقه تماس اصطکاکی، خواص تریبولوژیکی گرافن را تغییر می دهد. درجه اصلی لایه برداری تأثیر حیاتی بر خواص تریبولوژیکی دارد. طبق آزمایش‌های ماکروسکوپی، هرچه تعداد لایه‌های گرافن کمتر و درجه لایه‌برداری بیشتر باشد، عملکرد تریبولوژیکی گرافن بهتر است، زیرا گرافن با لایه‌های کمتر به احتمال زیاد وارد منطقه تماس اصطکاک می‌شود و عملکرد روان‌کاری سطحی را ارتقا می‌دهد.

عملکرد روانکاری بهتر را نه تنها می توان با ساختار یکپارچه و منظم اولیه به دست آورد، بلکه از طریق تکامل نانوساختاری نظم دهی و گرافیتی شدن در رابط اصطکاکی نیز قابل دستیابی است. تحت القای اصطکاک، نانوصفحات گرافن با تعداد کمتر و فاصله لایه‌ها بیشتر مستعد قرار گرفتن در جهت اصطکاک هستند، که به این معنی است که می‌توانند به راحتی بر نیروهای واندروالس غلبه کنند و منجر به لغزش برشی بین لایه‌ای شوند و در نتیجه عملکرد روانکاری را افزایش دهند.

روان کننده های زیست تخریب پذیر

در دهه جدید تقاضا برای روان کننده های زیست تخریب پذیر به دلیل نگرانی های زیست محیطی به طور مداوم در حال افزایش است. یکی از روش‌های دستیابی به خاصیت تجزیه‌پذیری زیستی روان‌کننده‌ها، استفاده از نانوذرات منابع زیستی به عنوان افزودنی‌ها در روغن‌های زیست تخریب‌پذیر است. از جمله نانومواد می‌توان به نانوالیاف، سلولز و نانوپلاکت‌های گرافن اشاره کرد. آنها را می توان در روغن پلی استر (POE)  برای تولید روان کننده برای کاربردهای تریبولوژیکی مخلوط کرد.

افزودنی یکی از موثرترین روش ها برای دستیابی به این هدف است. افزودنی هایی با عملکردهای مختلف را می توان برای بهبود پایداری، ویسکوزیته، هدایت حرارتی و همچنین توانایی تولید یک لایه محافظ بر روی سطح کشویی برای کاهش اصطکاک و سایش طراحی و اعمال کرد. متأسفانه، همه مواد افزودنی سازگار با محیط زیست نیستند.

سولفونات های کلسیم، تری کرسیل فسفات ها و دی آلکیل دی تیوفسفات های روی از جمله افزودنی های بسیار موثر هستند اما به دلیل فلزات سنگین و عناصر سمی اثرات مضری بر محیط زیست دارند. امروزه، به لطف پیشرفت تکنولوژی در زمینه مواد، افزودنی های کاربردی سازگار با محیط زیست را می توان از منابع زیستی مانند مواد تک بعدی از نانوسلولز و مواد دو بعدی از گرافن و MoS2 توسعه داد.

 گرافن عملکرد تریبولوژیکی قابل توجهی را به عنوان یک افزودنی روان کننده نشان داده است. گرافن دو بعدی است، دارای سطح ویژه بالا، برهمکنش بین لایه ای ضعیف و پایداری شیمیایی خوب است. به دلیل تشکیل نانوصفحات در سطح مشترک لغزشی، توانایی تولید فوق روانی در جفت سه‌گانه را دارد.

مقدار کمی گرافن به‌عنوان یک افزودنی روان‌کننده می‌تواند ضریب اصطکاک را به دلیل توانایی آن در تولید لایه‌ای نانومتری کاهش دهد. عملکرد اصطکاکی را می تواند با برهمکنش فیزیکی و عملکرد ضد سایش را می تواند با برهمکنش شیمیایی بین نانوذرات و محیط، مرتبط باشد (دای و همکاران، 2016). مکانیسم روانکاری گرافن شامل تریبوفلم یا تشکیل فیلم محافظ، تبدیل در اهرم مقیاس میکرو، لغزش بین لایه و اثر هم افزایی است.

عملکرد گرافن به عنوان افزودنی در روان کننده های سازگار با محیط زیست مانند پلی آلفائولین (PAO) و روغن زیستی استری شده نشان داده است که افزودنی پایداری پراکندگی خوبی با روان کننده دارد و اصطکاک و سایش مواد را بهبود می بخشد. نانوذرات نانوپلاکت‌های سلولز باکتریایی و گرافن ترکیبی می‌توانند نه تنها عملکرد انتقال حرارت سیال را بهبود بخشند، بلکه خواص تریبولوژیکی سیستم تریبو را نیز بهبود بخشند. از آنجایی که هر دو ماده زیست تخریب پذیر هستند، می توانند عملکرد تریبولوژیکی روان کننده زیستی را نیز افزایش دهند.

براساس مطالب ذکر شده نتیجه می شود به منظور بهبود عملکرد موتور، روغن با نانو افزودنی های نانوگرافن سنتز می شود. این کار بر روی خواص مختلف روغن تاثیر دارد و عملکرد روغن موتور را بهبود می بخشد که می توان به موارد زیر اشاره کرد:

– افزایش نقطه اشتعال

– افزایش رسانایی حرارتی

– کاهش نرخ سایش

– کاهش اصطکاک

– افزایش ویسکوزیته

– قابلیت زیست تخریب پذیری

– افزایش طول عمر موتور

منبع:

https://www.nature.com/articles/s41598-024-61694-z#:~:text=Nano%2Dgraphene%20lubricating%20oil%20with,particulate%20matter%20(PM)%20emissions.