Получение углеродных наномодификаторов для смазочных материалов с использованием кавитационной технологии

В последние годы одной из наиболее бурно развивающихся областей науки является физика и химия наноструктур. Среди наноструктур наибольший интерес вызывают прежде всего объекты, основанные на углероде – фуллерены, углеродные нанотрубки (УНТ), графены, ультрадис-персные алмазы детонационного синтеза. Фуллерен (новая аллотропная форма углерода) – полая молекула сферической формы (рис. 1), напоминающая футбольный мяч и состоящая из 60 и более атомов углерода.

Самый распространенный метод синтеза фуллеренов – распыление графитового анода в плазме дугового разряда в атмосфере инертного газа (метод Хаффмана-Кречмера). Молекулы

Рис. 1. Фуллерен C 60

фуллеренов являются сильными окислителями. Первые зарубежные публикации, а также патенты Японии и США, выданные в начале 90-х годов, показали, что фуллерены C 60 перспективны в качестве антифрикционных покрытий, твердых смазок и присадок к смазочным маслам. Фуллереновая сажа (ФС) – материал, экономически более доступный чем фуллерен, по своему строению и свойствам близка к фуллеренам C 60 . Фуллерен C 60 рассматривают как универсальный молекулярный подшипник. Он может использоваться и в маслах, и в твердых покрытиях при различных нагрузках и скоростях движения трущихся поверхностей.

В работе [1] и др. показано положительное влияние C₆₀ в качестве антиизносной и антифрикционной присадки к индустриальному маслу И-40А на характеристики трения пары сталь– медь. Результаты трибологических испытаний с использованием ФС в качестве присадки к маслу И-40А были практически такие же, как и в случае присадки к маслу И-40А чистого C 60 . В [2] исследовано влияние фуллеренов на изнашивание фторопластов от давления. Выявлено 30%-ое повышение несущей способности при введении 1% фуллереносодержащей сажи. Эффективность введения малых добавок фуллереносодержащей сажи в пластичную смазку ЦИАТИМ-201 изучена в работе [3]. Наблюдается снижение коэффициента трения порядка 15% и уменьшение износа на 50%. В работе сообщается о том, что малые добавки фуллереносодержащей сажи вызывают резкое уменьшение интенсивности изнашивания. Рассматривается механизм «залечивания» микротрещин, если наночастицы состоят из фрагментов фуллерена. Весьма перспективными в смазочных материалах различного назначения оказались ультрадисперсные алмазографитовые порошки детонационного синтеза (УДП-АГ). Результаты исследований [4] подтвердили целесообразность и высокую эффективность использования УДП-АГ в качестве твердых добавок к смазочным материалам.

Цель работы – путем кавитационной обработки сажевых водных суспензий улучшить эксплуатационные свойства саж с целью их дальнейшего использования в смазочных материалах. Техника гидродинамического кавитационного воздействия детально описана в [5]. Суть гидродинамического воздействия может быть сведена к действию 2 механизмов: распространению ударных волн вблизи схлопывающегося кавитационного микропузырька и ударному действию кумулятивных микроструек при несимметричном коллапсе кавитационных микропузырьков. За счет трения внутри жидкости наблюдается электризация пузырьков. При схлопывании пузырьков возникают локальные области сверхвысоких давлений и температуры как в горячей плазме ( T max ~ 1000-15000 K, P max ~ 1000 МПа; окрестность вокруг кавитационного пузырька после схлопывания можно рассматривать как плазму), делая локальную область около него уникальным реактором для проведения различных реакций и процессов. Таким образом, кавитационная технология включает в себя элементы технологии получения фуллеренов и ультрадис-персные алмазов детонационного синтеза. Однако следует учитывать тот факт, что кавитация происходит в воде и ее состояние играет большую роль. Время релаксации для ряда процессов в воде при Т = 20 ° С, t = 10 ^-11 ^ 10^{- 13} с, а для некоторых – до t≈10 ^{^14} c. В связи с тем, что продолжительность конечной стадии коллапса пузырька t = 10 ^-% 10 ^-8 с, становится возможным механолиз воды с образованием ионов Н и ОН , молекулярного кислорода, перекиси водорода H 2 О 2 ) Это активизирует процессы передачи энергии и перезарядки с участием молекул воды.

Получение образцов для исследования. Кавитационная обработка проводилась на водных суспензиях саж с помощью кавитационного миксера с блоком управления и питания [6]. Мощность двигателя составляет 1 кВт, объем рабочей камеры 3∙10 ^-4 м ³ . В качестве рабочего органа использовалась двухлопастная крыльчатка с клиновидным профилем, с углами раскрытия клина от 10 до 90º, регулируемым числом оборотов до 15000 об/мин., что обеспечивает получение чисел кавитации до χ=0,05. После окончания обработки суспензия отстаивалась в течение нескольких часов, при этом часть сажи выпадала на дно (фракция 1); часть оставалась в состоянии устойчивой взвеси (фракция 2). Взвесь выливали в чашку Петри и высушивали на воздухе в течение несколь-ких суток. Диспергирование сажевого порошка осуществлено в эксперименте до нанометровых размеров (рис. 2).

На всех режимах кавитационной обработки исследованных 7 типов саж наименьшая коагуляционная способность или большая сидемента-ционная устойчивость наблюдалась у древесной сажи. Поэтому в дальнейшем использовались образцы древесной сажи после кавитационного воздействия (фракция 2, кавитационно-обработанный материал КАУМ) – те сажевые частицы, которые большее время находились в зоне интенсивного кавитационного воздействия.

Рис. 2. Электронно-микроскопический снимок диспегированного сажевого порошка. Увеличение х30000, микроскоп JEOL JEM-2100

В таблице приведен состав используемой сажи (рентгеновский флуоресцентный спектрометр S-4 Pioneer фирмы Bruker, точность 0,001% в зависимости от элемента). Несмотря на то, что в образце присутствовало до 5% примесей, эти примеси в результате турбулентного перемешивания выпадают в осадок. Это было исследовано в работах [7, 8]. Поэтому количество примесей в КАУМ не более чем в фуллерено содержащих сажах.

Таблица. Состав сажи

Трибологический эксперимент. Приготовление смазочных композиций осуществлялось путем добавления в 50 мл индустриального масла И-20А порошка КАУМ, предварительно растворенных в капле бензина, с последующим механическим перемешиванием в течение 1-2 минут. Используемые концентрации порошков до 3% по массе. Трибологические испытания проводились на машине трения КТ-2 (рис. 3). Испытуемая пара сталь ШХ15–сталь 45 (подставка–подшипник). Нагрузка Р составляла 25 H, скорость вращения 800 об/мин. Испытывалось 5 однотипных образцов при одинаковых условиях испытаний. В результате проведенных экспериментов получено, что наиболее эффективно использование КАУМ в малых дозах концентрации (до 0,1% по массе). Износ стальных поверхностей уменьшается почти в 2 раза.

Рис. 3. Четырехшариковая машина трения КТ-2: 1 – неподвижная подставка, 2 – испытуемый подшипник

Выводы. Полученные результаты показали, что при определенных режимах обработки сажевой взвеси путем гидродинамической кавитации можно диспергировать сажевый порошок вплоть до наноразмеров. Использование такого порошка в качестве добавок в малых весовых концентрациях приводит к значительному уменьшению (почти в 2 раза) износа трущихся стальных поверхностей. При этом концентрации вводимого порошка на порядок меньше используемых концентраций углеродных наномодификаторов трения, описанных в литературе.