Анализ тепловых процессов при механоактивации MOS2 и МУНТ

Развитие современной транспортной индустрии предъявляет повышенные требования к надежности и экономичности автотранспортной техники, а также ужесточение экологических нормативов. Это касается не только совершенствования элементов двигателя внутреннего сгорания (ДВС), трансмиссии и подвески, но и улучшения свойств топлива и моторного масла.

Необходимым и важным условием для повышения качества дизельного топлива до требований нормативных документов ТР ТС 013/2011 и ГОСТ Р 52368–2005 (EН 590:2009) является использование различных функциональных присадок. Тоже самое относится и к моторным маслам.

Влияние различных типов присадок на свойства биодизельного или дизельного топлива в контексте повышения производительности ДВС и снижения концентрации газообразных

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License вредных веществ при работе ДВС было всесторонне рассмотрено в работе [1]. Рассмотренные в работе присадки были разделены на пять категорий, то есть кислородсодержащие добавки, добавки на металлической и неметаллической основе, вода, антиоксиданты и добавки на полимерной основе. Кислородсодержащие добавки увеличивают задержка зажигания и уменьшают теплоту сгорания готовых топливных смесей, что негативно сказывается на работе ДВС. В тоже время добавки на металлической основе и углеродных нанотрубках (УНТ) оказались многообещающими с точки зрения их влияния на характеристики ДВС и параметры выбросов. Их положительные качества были связаны с уменьшением задержки зажигания и особенностями поверхности УНТ приводящих к более чистому горению [1].

В работе [2] также рассмотрены наноматериалы, которые могут быть использованы, как топливные присадки для улучшения характеристик дизельного двигателя [2]. В качестве наноматериалов могут быть использованы наночастицы оксида алюминия и многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) [3]. Применение наноматериалов в топливе позволяет добиться снижения выбросов выхлопных газов и повышения эффективности двигателей [4].

Для синтеза МУНТ может быть использована технология на основе СВЧ [5].

Снижение содержания серы в дизельном топливе решается с помощью каталитической окислительной десульфуризации. Каталитическая окислительная десульфуризация дизельного топлива может быть осуществлена в течение нескольких циклов реактивного периодического действия с помощью катализаторов на основе Mo и/или V для получения дизельного топлива с низким содержанием серы. Для объяснения результатов каталитической активности оксиды Mo и/или V использованы гранулы оксида алюминия [6].

Наиболее распространенным химическим элементом, который может быть использован для улучшения свойств моторных масел относится – дисульфид молибдена (МоS 2 ) [7]. В различных типах моторных масел его массовая концентрация может варьироваться в диапазоне от 0,08 до 0,16 мас.%. При этом используется такая дисперсия МоS 2 при которой размер отдельных частиц менее 0,5 мкм. Распределение МоS 2 в моторном масле с размером частиц менее 0,5 мкм позволяет беспрепятственно прокачиваться в моторном масле с МоS 2 через перегородки масляного фильтра с размером фильтрующих отверстий в пределах 15–25 мкм.

МоS 2 также может быть использован для улучшения свойств дизельного топлива [8].

В работе [9] проведены исследования характеристик трения для дисульфида молибдена и температурно-зависимый коэффициент трения (COF). COF: 0,0005, который может быть сверхсмазочным состоянием для покрытий из МоS 2 или тонких пленок. Рассматривая смазку на основе дисульфида молибдена, авторы применяли подход переходного состояния для расчета характеристик трения в зависимости от температуры.

Улучшить свойства дисперсных структур вкобчающих в себя МУНТ и МоS 2 можно с помощью процесса механоактивации. Механоактивация может привести к изменению аспектного отношения, степени дефектности и разбиения или выравнивания агломератов в МУНТ. При этом механоактивация позволит создать некомпенсированные химические связи или свободные радикалы с запасом «избыточной» энергии [10–20].

Реализовать процесс механоктивации дисперсных структур возможно непосредственно в жидкости – топливе или моторном масле, а также сухом состоянии с последующей стадией – перемешивания в топливе или моторном масле. В этом отношение приобретает актуальность исследования распределения температурного поля при механической активации, таких материалов, как дисульфид молибдена (МоS2) и МУНТ.

Цель работы – оценка температурных режимов при механоактивации с помощью цилиндрических и сферических тел помола в аппарате вихревого слоя и планетарной мельнице.

Материалы и методы

Для механоактивации МУНТ и Мо S 2 был использован аппарат вихревого слоя АВС - 150 - механическое воздействие которого, осуществляется благодаря перемещению тел помола ( цилиндрической формы ) в переменном электромагнитном поле, а также планетарная мельница Пульверизетте 5 ( сферические тела ) .

При перемешивании в ротационном смесителе WF-20В (Китай) с фиксированной частотой вращения ротора смесителя 25000 об/ мин – происходит перераспределение МУНТ и МоS 2 в объеме, что объясняется ростом гомогенизи-рованности многокомпонентной дисперсной системы. Это оказывает влияние на эффективность второй – основной стадии, где используются механоактивационные установки АВС-150 или Пульверизетте 5. Вторая стадия обеспечивает уменьшение размеров МУНТ и МоS 2 .

На рисунке 1 показаны тела помола .

(a)                           (b)

Рисунок 1. Тела помола (а) – сферические; (b) – цилиндрические

Figure 1. Grinding bodies (a) are spherical;

(b) - cylindrical

Морфологию МУНТ изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа «TESCAN LYRA 3» (Чехия).

Исследование распределения температурных полей проводили с использованием тепловизора Testo-875–1 (Германия). Для обработки получаемых тепловизионных снимков использована программа testo IRSоft v4.7 SР1.

Результаты

На рисунке 2 представлены СЭМ МУНТ.

Температурное поле МУНТ и МоS2 после 40 с механоактивации в АВС-150 представлено на рисунке 3.

Рисунок 2. СЭМ МУНТ

Figure 2. SAM MOUNT

Рисунок 3. Температурное поле МУНТ и МоS 2 после механоактивации в АВС-150

• Figure 3.    Temperature field of MWCNTs and MoS 2 after mechanical activation in ABC 150

  

  Рисунок 4. Диаграмма температурного поля МУНТ и МоS 2

  
  

• Figure 4.    Temperature field diagram for

MWCNTs and MoS 2

Рисунок 5. Температурное поле МУНТ и МоS 2 после механоактивации в Пульверизетте 5

Figure 5. Temperature field of MWCNTs and MoS2 after mechanical activation in Pulverisetta 5

Рисунок 6. Диаграмма температурного поля МУНТ и

МоS 2 после механоактивации в Пульверизетте 5

Figure 6. Diagram of the temperature field of MWCNTs and MoS2 after mechanical activation in Pulverisetta 5

Обсуждение

Проведенные исследования показывают, что механоактивация вызывает нагрев диспергируемых МУНТ и МоS2, что при реализации диспергирования в потоке жидкости требует лимитирования этого процесса именно по температурному параметру. При этом следует отметить возможность одновременной механоактивации и распределения в топливе или моторном масле МУНТ и МоS2, что обеспечивает высокую технологичность процесса и снижает затраты связанные с необходимость применения дополнительного оборудования. Механоактивация в планетарной мельнице сопровождается более высокой равномерностью температурного поля, но при этом в АВС процесс механоактивации является более интенсивном и требует меньших затрат времени (рисунки 4 и 6).

Заключение

Представленная технология механоактивации может быть использована для повышения эффективности распределения МУНТ и МоS 2 , как в топливе, так и моторном масле. Контроль температурного режима может быть осуществлен путем варьирования, как временем механоативи-рования, так и количеством и типом тел помола.

Работа выполнена при поддержке управления образования и науки Тамбовской области в рамках

Соглашения № 10‑МУ‑20 о поддержке победившего проекта № 23‑МУ‑20 (02) областного конкурса «Гранты для поддержки прикладных исследований молодых учёных 2020 года»