Nanomaziva v praxi
Nanomaziva nacházejí významné možnosti uplatnění v technické praxi díky rychlému rozvoji nových technologií výroby a způsobů použití nanomateriálů. V současnosti je můžeme nalézt v nejrůznějších sférách lidské činnosti, zejména v nejnáročnějších aplikacích v průmyslu, v dopravě a také v extrémních podmínkách prostředí i zatížení v kosmickém prostoru.
V článku jsou stručně popsány základní fyzikálně-chemické definice a principy s ohledem na vliv velikosti částic. Pozornost je věnována prakticky používaným metodám stabilizace nanočástic v koloidních systémech a praktickým aspektům využití nanočástic jako aditiv do maziv. Diskutovány jsou nejčastěji používané skupiny nanoaditiv z hlediska jejich složení a struktury a hlavní výhody a nevýhody jejich aplikace v tribologických systémech.
Definice nanočástic
Jednoduše můžeme nanočástice definovat jako částice o maximálních rozměrech 100 nm v kterémkoli směru, spíše však o řád nebo o dva řády menší. Svými rozměry jsou srovnatelné s velikostí malých až středních molekul. Částice o velikosti pod 100 nm vykazují zcela specifické fyzikálně-chemické chování oproti obdobným strukturám běžné velikosti. Speciálním příkladem mimořádných vlastností jsou unikátní mazivostní účinky.
Jako příklad můžeme uvést srovnání vynikající mazivostní přísady - sulfidu molybdeničitého MoS2, tzv. molyky. Běžná velikost částic jemně mleté molyky se pohybuje na úrovni 2000 nm a více (obr. 1). Oproti tomu nanočástice molyky, připravované speciálními postupy reakcemi v plynné nebo pevné fázi, vykazují rozměry maximálně 40 nm (obr. 2). Tato nanoforma molyky, stejně jako dalších disulfidů kovů (např. WS2, NbS2), je označována jako IF forma (IF = anorganické fullereny).
Stabilizace koloidních systémů
Hlavní výzvou při aplikaci nanočástic do kapalných maziv je vytvoření dlouhodobě stabilní suspenze v použitém olejovém základu. Stabilita suspenze je přímo závislá na tendenci částic sedimentovat. Sedimentace se dá ovlivnit několika faktory. Největší vliv na potlačení rychlosti sedimentace má právě extrémně malá velikost částic. Usazování může být dále zpomaleno použitím oleje o vyšší viskozitě, malým rozdílem hustot pevné a kapalné fáze a vyšší teplotou. V praxi je nutné posílit stabilitu koloidních systémů nanočástic omezením jejich shlukování do větších celků, které mají výraznou tendenci sedimentovat. Zamezení shlukování nanočástic se provádí nejčastěji pomocí sterického odpuzování částic, tj. přídavkem polymerů nebo elektrostatickým odpuzováním v micelárních systémech.
Druhy nanomaziv a mechanismus mazání
Obecně můžeme nejčastěji používané nanočástice dělit z hlediska jejich struktury na cibulové a lamelární struktury, nanovlákna a micelární nanostruktury. Z pohledu chemického složení se v nanomazivech uplatňují zejména sulfidy a selenidy kovů, uhlíkové struktury, elementární měkké kovy. Zajímavé tribologické působení vykazují také nanostruktury sloučenin boru.
Mechanismus mazání IF disulfidy s cibulovou strukturou využívá schopnosti nanočástic tvořit mazací pláty v místě tribokontaktu. Mazivostní vlastnosti IF disulfidů můžeme prezentovat na výrazném snížení koeficientu tření při nízkém dávkování (tab. 1). Rozbalování cibulových nanostruktur působením střihového zatížení a jejich narušování při vysokých statických zatíženích však vede k jejich degradaci.
Neaditivovaný PAO * 1 % IF-WS2 * 1 % IF-MoS2 * 1 % IF-NbS2 * 1 % IF-TaS2
0,25 * 0,04 * 0,06 * 0,07 * 0,09
Tab. 1 Snížení koeficientu tření při aditivaci polyalfaolefinového (PAO) základového oleje IF disulfidy (tlak: 0,83 GPa, rychlost: 2,5 mm/s, teplota: 20 °C)
Uhlíkové nanostruktury se odvozují od známých přírodních struktur grafitu a diamantu, které doplňují moderní synteticky připravované struktury fullerenů a uhlíkových nanotrubic. Jejich výhodou oproti IF disulfidům a selenidům je nižší degradace uhlíkových nanostruktur a extrémně nízké dávkování. Nevýhodami jsou jejich horší disperzní vlastnosti a nižší afinita k třecím povrchům v důsledku jejich nepolárního charakteru.
Velký potenciál pro praktické aplikace vykazují nanočástice měkkých kovů. Měkké kovy, jako je Au, Ag, Cu, Zn, Pb, Bi, Sn, In, jsou běžně využívány v tribotechnice. Pro praktickou aplikaci v nanomazivech se využívají nanočástice Cu, Pb, Bi, Ag a slitin In-Sn, Bi-In, Pb-In. Stabilizace nanočástic kovů je založena na principu tvorby tzv. reverzních micel - v centru micelární struktury je polární nanočástice kovu, homogenizace v olejovém základu je zajištěna nepolárními uhlovodíkovými řetězci.
Micelární struktury vznikají chemickou modifikací nanočástic kovů, ke které se používají např. dialkyldithiofosfáty nebo deriváty vyšších mastných kyselin. Tvorba mazacího filmu nanovrstev kovů je zajištěna prostřednictvím vratné redoxní reakce, která probíhá výhradně v místě tribokontaktu podle třífázového modelu (obr. 3).
Z hlediska mazivosti jsou zajímavé také nanočástice sloučenin boru, které rovněž výrazně snižují koeficient tření. Jako mazivostní nanoaditiva byly úspěšně testovány sloučeniny kyseliny borité a její estery, nanočástice nitridu boru i další sloučeniny boru.
Praktické aplikace nanomaziv
Počátek syntéz chemických látek ve formě nanočástic a experimentování s nimi spadá do doby před několika desítkami let. Praktické uplatnění nanočástic v oblasti mazání však začíná být rozšířené až v posledních letech. Důvodem je především náročná příprava nanočástic a potíže při stabilizaci jejich koloidních roztoků, které se mohou prakticky použít jako aditiva do maziv. Největších úspěchů je v praxi dosahováno s nanostrukturami IF disulfidů a diselenidů kovů a s micelárními strukturami měkkých kovů. Při výrobě všech typů nanomaziv je nutné brát v úvahu, mimo známá toxikologická rizika vyplývající z jejich chemického složení, i praktický bezpečnostní aspekt. Většina nanočástic dodávaných v práškové formě totiž vyžaduje speciální postupy při manipulaci s nimi z hlediska bezpečnosti práce a rizik působení prachu na lidské zdraví.
Nanomaziva dnes nalezneme ve všech myslitelných typech maziv od vodou mísitelných obráběcích kapalin, olejů, plastických maziv, mazacích past, kluzných laků až po moderní konstrukční materiály, ve kterých jsou nanomaziva zabudována přímo v jejich struktuře. V současnosti se uplatňují přímo ve formulacích motorových olejů i v aditivech, kdy je při jejich použití dosahováno reálné úspory paliva kolem 5 %. Další oblastí praktického využití jsou automobilové i průmyslové převodové oleje, ve kterých výrazně přispívají k snížení opotřebení i o více než 50 %, a tím k několikanásobnému prodloužení životnosti zařízení. S výhodou jsou nanočástice aplikovány ve formulacích plastických maziv pro nejnáročnější podmínky průmyslového provozu, kde je možné běžně dosahovat trojnásobného prodloužení servisních intervalů ložisek. Z dostupných případových studií je zřejmé, že zejména nanočástice na bázi kovů mají díky svým excelentním mazivostním vlastnostem a současně vysoké stabilitě v nejtvrdších podmínkách potenciál pro uplatnění v celém spektru formulací automobilových a průmyslových maziv.
Ing. Olga Křížová, Chematribos
459
.gif)
