تولید نانو روانکارها با قابلیت کاهش مصرف سوخت و آلایندگی اگزوزها

بر اساس برآوردها انتظار می‌رود بازار جهانی افزودنی‌های روانکار مورد نیاز صنایع، در سال ۲۰۲۴ به ۱۸.۸۵ میلیارد دلار برسد، در ایران محققان کشور با کاربرد فناوری نانو در این محصول، روانکارهایی با کارایی بالا برای کاربرد در صنایع و خودروهای دیزلی و بنزینی به تولید رسانده‌اند.

کد خبر: ۵۵۰۴۶۹

تاریخ: ۱۳ آذر ۱۴۰۱ - ۱۴:۳۴

به گزارش ایران اکونومیست، "کاربردهای صنعتی نانوذرات در بهبود خواص روانکاری" مطالعات جدیدی بوده که محققان ستاد نانو اجرایی کردند و در آن جزئیات مربوط به کاربردها و تاثیرات فناوری نانو در بهبود عملکرد روانکارها درج شده است.

روانکاری نقش مهمی در انجام حرکت به نحو صحیح، مداوم و اقتصادی سطوح در تماس با یکدیگر ایفا می‌کند. امروزه تمامی روانکارهای با پایه معدنی و سنتزی، برای داشتن کارایی مفید، نیازمند افزودنی‌هایی هستند که بتوانند خواص موردنظر را در آن‌ها ایجاد کنند.

در سال‌های اخیر، با بهره‌گیری از فناوری نانو و سنتز مواد نانو، نوع جدیدی از افزودنی‌ها برای روانکارها به‌دلیل خواص منحصربه‌فرد پدیدار شده است. این افزودنی‌های جدید به‌سبب داشتن خواص بی‌نظیر و به‌دلیل صرفه‌جویی در انرژی، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند.

با استفاده از این افزودنی‌ها، می‌توان بسیاری از خواص اساسی روغن مانند نقطه اشتعال، گران‌رَوی، نقطه ریزش و مقاومت در مقابل اصطکاک را بهبود بخشید.

روانکاری به عنوان علم تسهیل‌کننده، حرکت نسبی سطوح در تماس با یکدیگر تعریف می‌شود و در هر جایی که سطوح همجوار در تماس با یکدیگر باشند، دارای حرکتی نسبی است و روانکاری نقش مهمی در انجام حرکت به نحو صحیح ایفا می‌کند؛ چرا که هر زمان که سطوح اجسام در تماس با یکدیگر باشند، دو پدیده اصطکاک و ساییدگی هر دو وجود خواهند داشت.

عدم روانکاری صحیح و منظم ماشین آلات علاوه بر کاهش راندمان، موجب فرسایش بیش از حد و از کارافتادگی زودرس خواهد شد و از سوی دیگر انتخاب روانکار مناسب تاثیر ویژه‌ای بر عملکرد ماشین‌ها دارد.

یکی از روش‌های بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی روانکارهای پایه، بهره گیری از مواد افزودنی مختلف با خواص منحصر به فرد است.

در سال‌های اخیر استفاده از مواد نانو در روانکارها به دلیل بهبود خواص سطحی و قابلیت انتقال حرارت، افزایش بازده موتور و کاهش هزینه‌های تعمیرات، به عنوان یک ایده نو بسیار موردتوجه واقع شده است. سنتز نانو ذرات و جایگزینی مولکول‌های آلی با ذرات بسیار کوچک مواد جامد به آسانی امکانپذیر نیست؛ همچنین به دلیل آنکه محلول‌های کلوئیدی ناپایدار هستند، بهره‌گیری از این فناوری در روانکارها با چالش بزرگی روبه‌رو شده است.

در این راستا پژوهشگران انواع مختلفی از مواد نانو ساخته‌شده از مواد فلزی، آلی و معدنی را برای ساخت نانوروانکارها مورداستفاده قرار داده‌اند.

مهمترین مزیت استفاده از مواد نانو روانکارها، اندازه کوچک آنها است. نانو افزودنی‌ها نسبت به افزودنی‌های معمول تا حدودی به دما حساس نیستند و واکنش‌های اصطکاکی در آنها بسیار محدود است. همچنین اندازه نانو متری این مواد موجب افزایش سطح تماس آنها شده و در دمای محیط نیز کارآمد هستند.

انواع روانکارهای صنعتی

برای آنکه روغن‌های روانکار همه خواص لازم را داشته باشند و بتوانند وظایف خود را به طور کامل انجام دهند،‌ به آنها مواد افزودنی، اضافه می‌شود. مهمترین موادی که به منظور تامین ویژگی‌های مناسب به روغن پایه افزوده می‌شود شامل "پاک کننده‌ها و معلق کننده‌ها"، "مواد افزودنی ضد سایش"، "مواد افزودنی ضد اکسیداسیون"، "مواد افزودنی بهبود دهنده"، "ضد زنگ زدگی و خوردگی"، "ضد کف" و "بهبود دهنده اصطکاک" است.

نانو ذرات استفاده شده در روانکارها

فولرن‌ها، خانواده‌ای از کربن‌های چند شکل با شبکه سه‌بعدی که معمولا به صورت قفسه‌هایی متشکل از ۶۰ اتم هستند و به صورت ۶ ضلعی و پنج ضلعی به یکدیگر متصل شده‌اند.

استفاده از فولرن در روانکارها سبب جدا کردن سطوح در حال تماس از یکدیگر می‌شود. این دسته از ترکیبات به دلیل مقاومت و پایداری بالا، در شرایط بارگذاری زیاد نیز خصوصیات چرخش بلبرینگ مانند خود را حفظ می‌کنند.

نانو الماس از دیگر موادی است که در روانکارها استفاده می‌شود. هدف از به کار بردن نانو الماس‌ها به عنوان افزودنی روانکارها، اندودکاری، سطوح لغزشی است. این اندودکاری موجب افزایش مقاومت در برابر سایش،‌ توانمندسازی روانکاری لغزشی میان سطوح و کاهش اصطکاک می‌شود.

پوشش نانو الماس موجب کاهش سطح تماس شده و لذا نیروی کششی میان فصل مشترک دو سطح نیز کاهش می‌یابد؛ از این رو این نانو مواد به عنوان یک ماده افزودنی به روغن موتور، موجب کاهش مصرف بنزین و افزایش عمر موتور می‌شود.

نانو ذرات فلزی

نانو ذرات فلزی (طلا، مس و نقره)،‌ مواد ناپایدار بوده و به راحتی به شکل توده درمی‌آیند؛ از این رو این نانو ذرات در اثر تماس با یکدیگر، به هم چسبیده و رشد کرده و ساختار نانومتری و خواص منحصر به فرد خود را از دست می‌دهند. هنگامی که این نانو ذرات به روغن افزوده می‌شوند، رسوب می‌کنند.

پایداری، قابلیت انحلال و توزیع ضعیف این ۳ نانو ذره در روغن‌های روانکاری،‌ کاربرد مضاعف آنها با را به عنوان ماده افزودنی در فرمولاسیون روانکارها محدود کرده است. یکی از روش‌های انحلال مؤثر، پوشش دادن آنها با لایه‌ای از مولکول‌های آلی است، به صورتی که ترکیبی از یک گروه قطبی و یک زنجیره بلند آلکیل ایجاد شود.

چشم انداز اقتصادی

تقریبا تمام سیستم‌های مکانیکی متحرک، به روانکاری مؤثر برای عملیات روان و طولانی مدت وابسته هستند. استفاده از افزودنی‌های نانو روانکار در صنایع مختلف مانند حمل و نقل، صنایع تولیدی، نیرو، نفت، گاز و پتروشیمی کاربردهای بسیار گسترده‌ای دارد.

بر اساس آمارها مصرف جهانی افزودنی‌های روانکار تا سال ۲۰۱۷ به حدود ۵.۴ میلیون تن رسیده است و انتظار می‌رود بازار جهانی افزودنی‌های روانکار در سال ۲۰۲۴ به ۱۸.۸۵ میلیارد دلار برسد.

بیشترین مصرف افزودنی‌های روانکار با سهم ۳۳ درصد از تقاضای جهانی مربوط به روغن‌های‌ سنگین بوده است و بعد از آن روغن موتورهای اتومبیل‌های سبک با ۲۷ درصد قرار دارند.

از سوی دیگر بررسی‌ها نشان می‌دهد روانکارها نقش و عملکردهای  متفاوتی دارند، به گونه‌ای که از سال ۲۰۱۲ سه نقش پاک کنندگی، پراکندگی و بهبود ویسکوزیته به کارکردهای روانکارها اضافه شده است.

همچنین بازار جهانی نانو روانکارها از حدود ۸۴ میلیون دلار در سال ۲۰۰۷ به ۶۱۸ میلیون دلار در سال ۲۰۱۲ رسیده است.

تولید روانکارها در ایران

از ابتدای سال ۱۳۹۵ تولید شوینده‌ها و روانکارهای صنعتی آغاز شد و یکی از شرکت‌های صنعتی اقدام به تولید کوانتوم دات‌های پایه کربنی در مقیاس صنعتی کرد و با توجه به فناوری بالای تولید کوانتوم دات‌ها و عدم شناخت مناسب صنایع برای مصرف این نانو ساختارها در فرآیند تولید، این ‌شرکت بر آن شد تا از این ترکیبات به عنوان مکمل خواص روانکارها در فرمولاسیون روانکار تولیدی استفاده کند.

پس از آن روانکار نانویی دیگر با خاصیت پخش یکنواخت و پایدار برای مصرف در خودروهای سواری و دیزلی به تولید رسید.

کاهش مصرف سوخت، افزایش توان و شتاب خودرو،‌ کاهش دما و صدای موتور،‌ کاهش گازهای آلاینده خروجی از اگزوز و افزایش طول عمر روغن موتور از ویژگی‌های این نانو روانکار است.

سومین نانو روانکار در سال ۸۹ از سوی یکی از شرکت‌های فناور تولید شد که از ویژگی‌هایی چون حضور ذرات با اندازه کمتر از ۱۰۰ نانو متر و موفولوژی مکعبی شکل، کاهش نرخ سایش و کاهش ضریب اصطکاک از مزایای این نانو روانکار به شمار می‌رود.

تولید نانو روغن موتورهای بنزینی و دیزلی از دیگر دستاوردهای شرکت‌های فناور کشور است.

مطالعات انجام شده نشان می‌دهد که نانو افزودنی‌های متعدد فولرین، الماس‌ها، نانو ذرات فلزی، نانو ذرات جامد کلوئیدی و نانو افزودنی اسید بوریک در سال‌های اخیر در روانکارها مورد استفاده قرار گرفته است و استفاده از این نانو ذرات باعث کاهش اصطکاک و سایش، کاهش مصرف سوخت و انرژی،‌ کاهش هزینه‌های تولید و بهبود عملکرد روانکارها می‌شود که علت آن را می‌توان در ساختار خاص و منحصر به فرد این دسته از مواد افزودنی دانست.

مسیر مطالعات آینده به طور شاخص، بررسی بهبود عملکرد روانکارها و در نهایت کاهش سوخت با استفاده از نانو افزودنی‌های تجاری موجود در بازار است.