СМАЗОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И НАНОВОЛОКОН
LUBRICANT COMPOSITION WITH USING CARBON NANOTUBES AND NANOFIBRES

Изобретение относится к области производства смазочных материалов для различного рода машин и механизмов и может быть использовано в процессе обкатки, штатной эксплуатации и частичного восстановления сопряженных поверхностей трения.
Известна антифрикционная присадка [РФ Патент №20054456, МПК C10M 133/16] на основе нефтяного масла, которая содержит 0,2-0,5 мас.% ультрадисперсных алмазов, входящих в состав алмазосодержащей шихты, и винилсукцинимида в качестве диспергатора. Недостатками указанной антифрикционной присадки являются низкая концентрация наноалмазов и высокая концентрация графита (шихта), недосаточная седиментационная устойчивость, необходимость применения стабилизатора, что существенно сказывается на гарантийном сроке ее использования.
Известна возможность получения стабильных коллоидных систем с наноалмазами в масле [Zhu Y.W., Xu X.Y., Wang B.C., Fend Z.J. Surface modi fication and dispersion of nanodiamond in clean oil // China Particuology, 2004, Vol. 2, №3, p. 132-134.]. В изобретении использованы специальной системы стабилизации наночастицами с помощью гипердисперсантов SA-E и SA-F (hyper dispersa nts SA-E and SA-F), что является недостатком предложенного метода и приводит к удорожанию и усложнению технологического процесса.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является композиция RU 2356938 C2 C10M 125/02, содержащая наноалмазы детонационного синтеза 0,01-40, смазочный компонент 60-99,99. В композиции используются наноалмазы детонационного синтеза, образующие свободнодисперсные системы, обладающие коллоидной устойчивостью и дзета-потенциалом от -40 до -85 мВ. Смазочным компонентом являются коммерческие (товарные). Применяются наноалмазы как не фракционированные, так и фракционированные по размерам. Технический результат - повышение коллоидной устойчивости наночастиц или их кластеров, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики смазочных материалов.
К недостатком этой композиции, которая принята в настоящем изобретении за прототип, следует отнести сложность выделения и очистки наноалмазов нужной фракции и их высокую стоимость.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание смазочных продуктов с использованием нанотрубок и нановолокон, без применения стабилизирующих систем. Смазочным компонентом являются коммерческие (товарные) масла. Полученные смазочные продукты должны обладать высокой коллоидной устойчивостью, совместимостью с любыми типами рабочих масел и смазок и обеспечивать высокие эксплуатационные характеристики.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый композиционный смазочный материал изготавливается на основе смазочных коммерческих товарных масел, в которые диспергировались модифицирующие материалы - нанотрубки и нановолокна - в соотношении  70:30 мас.%. В результате контакта взаимодействующих поверхностей на них за счет модификаторов образуется дополнительный антифрикционный слой, состоящий из продуктов деструкции нанотрубок, нановолокон, масла и износа тел трения. В результате возрастет усилие схватывания поверхностей трения, уменьшается коэффициент трения, уменьшается температура в рабочей зоне.
Пример получения смазочной композиции на основе индустриального масла И20А с использованием материалов нанотрубок и нановолокон.
2
1 этап. Диспергирование нанотрубок и нановолокон в соотношении 70:30 мас.% в синтетическое моторное масло 5W40 Лукойл до получения концентрации материалов 1%. Диспергирование производилось на установке «Волна-М» марки УЗТА-1/22-ОПД в течение 10 минут при мощности излучения 100 Вт/см.
2 этап. Полученная на 1 этапе композиция вводились в индустриальное масло И20А в соотношении 1:100.
Концентрация 0.01% наночастиц в И20А является оптимальной для индустриального масла, для синтетических масел оптимальная концентрация наночастиц составляет 0.004%.
Критерием износостойкости являются изменения масс тел трения, определяемые после окончания испытания, и площадь контакта тел трения. Критерием коэффициента трения является температура масла. Схема испытательного стенда представлена на фиг. 1.
-1
Испытания полученных композиций проводились в паре трения диск - стержень. Стержень (1) упирается в диск вращения (2). Момент вращения от электродвигателя передается на диск вращения. Скорость вращения диска равна 5 сек, диаметр диска вращения - 40 мм. Величина нормального давления регулируется усилием рычага, тела трения сменные. Смазочная композиция заливается в масляную ванну (3). Тела трения выполнены из стали 45. Для исключения попадания в зону трения продуктов износа ко дну масляной ванны прикреплялся постоянный магнит. Объем масляной ванны 20 мл.
Методика испытаний:
1. Зачистка абразивной шкуркой поверхностей.
2. Притирка образцов в течение 1 часа с малой нагрузкой.
3. Промывка в ацетоне, спирте, высушивание в сушильном шкафу.
4. Взвешивание стержня и диска вращения с точностью до 0.1 мг.
5. Заливка масла с определенной концентрацией добавки.
6. Проведение ступенчатых испытаний с увеличением нагрузки
Режимы испытаний:
10 мин - нагрузка 6,5 кг, 10 мин - нагрузка 23 кг, 10 мин - нагрузка - 32 кг, 30 мин - нагрузка - 40 кг, 30 мин - нагрузка - 60 кг.
6. Промывка в ацетоне, спирте, высушивание в сушильном шкафу.
7. Точное взвешивание образца и диска вращения.
8. Измерение пятна контакта, определение качественных характеристик.
Результат опыта - потеря или прирост массы стержня и рабочего валика. Прирост массы обусловлен наращиванием антифрикционного слоя на поверхностях стержня и диска вращения. Расчетная площадь пятна контакта на образце определялась измерением размеров пятна контакта после испытаний и в дальнейшем рассчитывалась по формуле площади овала. Одновременно анализировалась качественные характеристики пятна контакта на стержне и рабочем валике. Кроме того, в ходе опытов фиксировалась динамика изменения температуры масла (разность между температурой масла в рабочей ванне и температурой помещения).
На фиг. 2 приведена зависимость изменения температуры масла в ходе эксперимента. Состав масляной композиции: И20А - индустриальное масло И20А (верхняя линия фиг. 2); И20А-М - индустриальное масло И20А плюс 1% 5W40 Лукойл (средняя линия фиг. 2); И20А (РСВН-3) - И20А плюс 1% 5W40 Лукойл с 1% с содержанием углеродных наноматериалов в соотношении нанотрубки/нановолокна 70/30.
На фиг. 3 приведена гистограмма износа в мг и площадь пятна контакта в мм тел трения для трех масел, где:
- «образец» - стальной стержень;
- «РВ» - рабочий валик,
- «площадь» - площадь пятна контакта тел трения.
2
На фиг. 4 приведена гистограмма из четырех блоков, иллюстрирующая износ в мг и площадь пятна контакта в мм тел трения для четырех масел, где:
- «образец» - стальной стержень;
- «РВ» - рабочий валик,
- «площадь» - площадь пятна контакта тел трения.
Блок 1: Состав масляной композиции: индустриальное масло И20А плюс 1% 5W40 Лукойл  с содержанием углеродных наноматериалов - нанотрубок и нановолокон в соотношении 80:20.
Блок 2: Состав масляной композиции: индустриальное масло И20А плюс 1% 5W40 Лукойл  с содержанием углеродных наноматериалов - нанотрубок и нановолокон в соотношении 70:30.
Блок 3: Состав масляной композиции: индустриальное масло И20А плюс 1% 5W40 Лукойл  с содержанием углеродных наноматериалов - нанотрубок и нановолокон в соотношении 60:40.
Блок 4: Состав масляной композиции: индустриальное масло И20А плюс 1% 5W40 Лукойл  с содержанием углеродных наноматериалов - нанотрубок и нановолокон в соотношении 50:50.
Приведенные данные по износу образца и рабочего валика, площади контакта образца являются среднеарифметическими показателями, полученными в результате проведенных 22 опытов.
Испытания по определению усилия схватывания проводили на торцевом трибометре, представленном на фиг. 4 где:
4 - образец;
5 - шпиндель;
6 - образец второй трущейся поверхности;
7 - промежуточная шайба;
8 - тензодатчик;
9 - устройство измерения момента трения.
Оптимальным является введение в состав коммерческих масел нанотрубок и нановолкон в соотношении 70:30 мас.%, которое позволяет получить следующие результаты:
- снижение износа поверхностей трения;
- снижение температуры масла;
- образование защитной пленки;
- увеличение усилия схватывания поверхностей.