کاربرد گرافن در گریس - ایران گرافن

در این بخش به کاربرد گرافن در گریس خواهیم پرداخت:

روان کننده ها مانند روغن ها و گریس ها نقش کلیدی در بسیاری از صنایع از جمله خودروسازی، حمل و نقل، صنایع شیمیایی و صنایع غذایی دارند. عامل محرک رشد بازار این محصولات در جهان، توسعه پویای فناوری است. تولیدکنندگان روانکار باید با وسایل نقلیه پیشرفته تر و همچنین ماشین آلات و دستگاه های نوآورانه همگام باشند، جایی که دقت و عملکرد روان برای عملکرد کارآمد و سودآور آن ها بسیار مهم است.

در طی فرآیندهای مکانیکی در نتیجه اصطکاک شدید بین سطوح، سایش عناصر مکانیکی محل اتصال اصطکاکی ایجاد می شود و حرارت ایجاد می شود که در نهایت باعث کاهش راندمان کار و کاهش عمر دستگاه می شود. تخمین زده می شود که حدود 23 درصد (119 (EJ  از مصرف انرژی جهانی به دلیل ضد اصطکاک و بازسازی عناصر اصطکاکی است. کاهش اصطکاک نه تنها به کاهش مصرف انرژی کمک می کند، بلکه باعث صرفه جویی در سوخت و مزایای مالی و زیست محیطی مربوطه، به ویژه کاهش انتشار CO2 می شود.

گریس چیست؟

گریس یک روان کننده نیمه جامد است که شامل یک روغن روان کننده و یک غلیظ کننده است، یعنی گریس یک روغن غلیظ شده است. قوام دهنده ممکن است صابون فلزی (لیتیوم، آلومینیوم، سدیم، کلسیم و غیره)، صابون کمپلکس فلزی (کمپلکس لیتیوم، کمپلکس کلسیم و غیره) یا غلیظ کننده غیر صابونی (بنتونیت، سیلیکا ژل، پلی پروپیلن(PP)  و غیره( باشد. علاوه بر این، گریس ممکن است شامل چندین افزودنی با خواص و عملکردهای متفاوت باشد.

به عنوان مثال می توان به اصلاح کننده های ویسکوزیته و رئولوژی، بازدارنده های اکسیداسیون و زنگ زدگی، فشار شدید، افزودنی های ضد سایش و کاهش اصطکاک اشاره کرد. افزودنی‌های معمولی با خواص ضد سایش(AW)  عمدتاً مبتنی بر ترکیبات گوگرد، کلر یا فسفر هستند که سازگار با محیط‌زیست نیستند.

بنابراین، توسعه اجزاء، اصلاح‌کننده‌ها و افزودنی‌های نوآورانه به روان‌کننده‌ها با بهبود قابل‌توجه خواص تریبولوژیکی و کاهش اثرات منفی بر محیط طبیعی ضروری است. مشخص شده است که یکی از این مواد افزودنی ممکن است گرافن پولکی باشد، از جمله مشتقات آن (اکسید گرافن-GO؛ اکسید گرافن کاهش یافته-(RGO هستند، به دلیل خواص منحصر به فرد آن، مانند ضخامت تنها یک یا چند لایه کربن، ساختار لایه ای، اندازه پوسته کوچک با در نظر گرفتن ضخامت مواد گرافن پولکی، اکثر آنها به عنوان نانوافزودنی طبقه بندی می شوند.

افزودنی های معمولی EP و AW با جذب گروه های فعال به سطح اصطکاک یا واکنش شیمیایی با سطح فلز برای تشکیل یک لایه مرزی اصلاح شده عمل می کنند. از سوی دیگر، نانوافزونه‌های EP و AW می‌توانند از سطوح جفت اصطکاکی عمدتاً از طریق: اثر ترمیم، اثر پرداخت، مکانیسم تشکیل لایه محافظ و اثر یاتاقان نورد محافظت کنند.

گرافن پولکی که یک نانو ماده کربنی دوبعدی شناخته شده است، از گرافیت به دست می آید. در عین حال، باید تاکید کرد که گرافیت با خاصیت گریس‌کنندگی مشخص می‌شود و به طور گسترده به عنوان یک عامل ضد سایش استفاده می‌شود.

گرافن یکی دیگر از انواع کربن آلوتروپیک در کنار گرافیت است. GO شکل اکسید شده گرافن است که با گروه های عاملی اکسیژن (مانند گروه های هیدروکسیل، کربوکسیل یا آلکوکسی) تزئین شده است. ذرات GO بسیار آبدوست هستند و پراکندگی های پایداری در آب و برخی از حلال های آلی ایجاد می کنند. RGO با کاهش گروه های عملکردی اکسیژن GO به دست می آید. بر خلاف GO، rGO آبگریز است و استحکام مکانیکی بالا، سطح ویژه بزرگ و رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا را نشان می دهد.

استفاده از گرافن پولکی در حال حاضر موضوع بسیاری از تحقیقات علمی در زمینه های مختلف مانند کامپوزیت ها، پوشش های کاربردی، الکترونیک، ذخیره انرژی، حسگرها و حتی پزشکی و مهندسی بافت است. یکی از زمینه های به شدت توسعه یافته و امیدوارکننده در کاربرد گرافن پولکی، تریبولوژی است.

مشخص شد که معرفی گرافن پولکی به عنوان یک افزودنی به روان کننده مخصوصا افزودن گرافن در گریس تأثیر مثبتی بر خواص تریبولوژیکی آن دارد و مقدار ضریب اصطکاک و درجه سایش سطح را کاهش می دهد. روانکاری بهتر با آرایش نانوساختار دانه های گرافن و حتی با گرافیت شدن به دست می آید. علاوه بر این، وجود یک لایه محافظ در سطح عناصر اتصال اصطکاکی، که به موازات جهت حرکت چیده شده‌اند، پیدا شد که نشان می‌دهد که تکه‌های گرافن به دلیل اصطکاک بین یکدیگر می‌لغزند.

گرافن به دلیل ساختار لایه ای منحصر به فرد و استحکام مکانیکی عالی، به عنوان یک افزودنی امیدوارکننده در روان کننده ها توجه فوق العاده ای را به خود جلب کرده است. با این حال، بر خلاف استفاده از آن در روغن و روان کننده های آب، مقدار افزودنی گرافن باید در هنگام وارد شدن به گریس که یک کلوئید دو فازی است در نظر گرفته شود.

گزارش شده است که هنگام استفاده گرافن در گریس و زمانی که به عنوان روان کننده جامد استفاده می شود، اصطکاک و سایش را کاهش می دهد. سایر مواد مبتنی بر گرافن مانند اکسید گرافن(GO)  و اکسید گرافن احیا شده(rGO)  نیز اصطکاک و سایش را کاهش می دهند. اثرات هر کدام از این مواد، زمان افزودن و مقدار اضافه شده با هم متفاوت است.

از دلایلی که می توان برای استفاده از گرافن در گریس به آن ها اشاره کرد:

روانکاری پیشرفته: گرافن دارای خواص روانکاری عالی است که می تواند اصطکاک بین سطوح را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. این به کاهش ساییدگی و افزایش طول عمر تجهیزاتی که در آن گریس استفاده می شود کمک می کند.

مقاومت در برابر حرارت: گرافن دارای رسانایی حرارتی بالایی است که به آن اجازه می دهد به طور موثر گرما را دفع کند و از گرم شدن بیش از حد قطعات متحرک جلوگیری کند. این آن را برای گریس های مورد استفاده در کاربردهای با دمای بالا ایده آل می کند.

پایداری بهبود یافته: گرافن می تواند ثبات و قوام گریس را افزایش دهد. این می تواند از جدا شدن اجزای گریس مانند روغن پایه و عوامل غلیظ کننده جلوگیری کند و عملکرد روانکاری ثابت و قابل اعتمادی را تضمین کند.

ضریب اصطکاک کمتر: ترکیب گرافن در گریس می تواند ضریب اصطکاک را کاهش دهد و منجر به عملکرد نرم و کارآمدتر سیستم های مکانیکی شود. این می تواند به بهبود بهره وری انرژی و کاهش مصرف برق کمک کند.

خاصیت ضد سایش: گرافن دارای استحکام مکانیکی عالی و مقاومت در برابر سایش است که می تواند سطوح را از آسیب های ناشی از اصطکاک و سایش محافظت کند. قابلیت های حفاظتی کلی گریس را افزایش می دهد.

بطور کلی تأثیر افزودن نانوشیت‌های گرافن در گریس روان‌کننده صنعتی نشان می‌دهد که این افزودنی می‌تواند ویژگی‌های تریبولوژیکی (مطالعه تأثیر اصطکاک و سایش در تماس‌های مکانیکی) گریس را بهبود بخشد. به عبارت دیگر، از طریق افزودن نانوشیت‌های گرافن در گریس، اصطکاک در تماس‌های سطحی کاهش می‌یابد و توانایی تحمل بار اجزای مکانیکی نیز افزایش می‌یابد. به همین دلیل، نانوشیت‌های گرافن به عنوان یک افزودنی قوی برای بهبود کارایی گریس به عنوان روان‌کننده مورد توجه قرار می‌گیرند.

نتیجه گیری

خواص نانو شیت گرافن در گریس به شرح زیر می‌پردازد: گرافن به عنوان یک افزودنی جامد به خوبی در گریس روغنی پراکنده می شود و ضریب اصطکاک کمتر و سایش کمتری نسبت به گرافیت و مایعات یونی در تماس سطوح فولاد/فولاد فراهم می‌کرد. این توانایی کاهش اصطکاک به طور اصلی توسط تشکیل فیلم روغنی مرزی تحت شرایط اصطکاک کنترل می‌شود. گرافن برای بهبود ویژگی‌های تریبولوژیکی روان‌کننده‌ها نسبت به مایعات یونی بسیار مفیدتر است و دارای توان بالایی به عنوان افزودنی برای روان‌کننده جامد دوست‌دار محیط زیست با کیفیت بالا در دسته‌وسیعی از کاربردها می‌باشد.

گروه ایران گرافن با تولید این ماده ارزشمند در مقیاس نیمه صنعتی و قیمن مناسب سعی دارد کیفیت تولیدات صنعتی کشور را تا حد امکان در راستای استفاده از گرافن بهبود بخشد .

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043164821004919

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9657073/