创新使用的纳米粒子来开发环境友好型水性高性能润滑剂

大约25%的能源消耗在这个世界是因为两个表面之间的摩擦,以及国际能源署(International energy Agency)进行的一项研究表明,对每个人来说,摩擦损失达5000千瓦时/年。大部分的损失是由于材料磨损摩擦造成的个人使用的机器的日常[1,2]。此外,欧盟GDP的2 - 3%花在替换受损机器由于过度摩擦[3]。世界上大多数取决于传统的油基润滑剂,含有硫(s)、锌(锌)、磷(P),等。多年来,随着污染上升,增加环保人士的担忧,因此,许多国家的政府已经通过了法律来限制某些有效的润滑油和添加剂的使用以减少环境影响[3]。因此润滑油行业当前的挑战之一是设计新的高效、优质、环保的产品,可以减少摩擦和帮助拯救地球污染的不利影响。本文综述最近的进步工业和讨论研究人员提出的有前途的解决方案。

近年来水性润滑剂是越来越受欢迎,因为它们的使用。操作,比如铣、钻等,需要冷却和适当的润滑,水基润滑剂可以作为冷却剂由于其较高的热导率。水基润滑剂也环保,高流动性使得他们一个伟大的替代[4]。然而,水需要添加剂来提高其润滑特性,和这些年来,石油被用作添加剂,但它并不能解决环境问题与传统grease-based润滑剂(5、6)。因此,有必要寻找替代添加剂,最近许多研究者建议添加纳米粒子可能是每个人都在寻找解决方案。添加碳纳米管提高润滑油的质量和环境损害最小化[7,8]。
根据研究,IFWS2是一个潜在的摩擦学的高级水性添加剂。Ti-6Al-4V各种工业应用由于其高延展性和耐腐蚀性能;然而,很难机材料。Bhowmick等人领导的一项研究调查了二硫化钨纳米颗粒和切削液的影响,发现它不仅达到一个稳定的摩擦系数(咖啡),但也会降低切削力导致减少穿Ti-6Al-4V正交加工中。研究尝试不同浓度下的二硫化钨5 n的恒定负载。
研究发现,添加1 wt %的WS2 WC-CO产生最低的咖啡在滑动和稳定状态(图1)。之后,浓度的增加导致了咖啡的增加,因此,可以得出结论,添加< 1 wt %降低至少25%的咖啡相比普通润滑剂。
图1:变异的磨合和稳态的CF咖啡不同的二硫化钨浓度[9]。

研究还表明,切削力在整个切割过程中保持不变,不管二硫化钨的速度1 wt %时添加。这些都是由于二硫化钨和WO3,形成防护层,导致较低的表面粗糙度比普通润滑剂(CF) [9]。
梁等人领导的一项研究调查了现场剥落石墨烯对水基润滑剂,结果显示了优异的机械稳定性和摩擦和抗磨性能。尽管先前的研究已经研究功能化石墨烯亲水,很容易添加到水。本研究使用原始石墨烯(0.0024 - -0.011 wt %)因其卓越的品质,尽管其疏水性。研究者补充说特里同x - 100 (C34H62O11)作为稳定剂(0.1 wt %)战斗的疏水性,提高润滑油的质量[8]。
图2:制造过程[8]

他们用不同浓度的石墨烯,发现添加石墨烯和摩擦系数大大降低磨损的疤痕。图3显示了添加110μg /毫升~ 81.3%的石墨烯会导致减少摩擦系数比去离子水,然而,氧化石墨烯(去)样本没有石墨烯相比,表现非常好。同时,平滑的图像表明,石墨烯的加入导致一致的摩擦,而其他样品的图波动[8]。
图3(一个):在整个实验过程中摩擦系数不同的样本[8]

进一步研究的可行性现场剥落石墨烯为水基润滑剂,研究人员研究了抗磨性能,发现添加110μg /毫升G-L穿疤痕直径(WSD)降低61%。研究还称,增加石墨烯的浓度会导致增强抗磨性能,例如,添加110μg /毫升GO-L导致疤痕DI水相比减少71%。
水基润滑剂的重要缺陷之一是他们无法执行在高负载下,这项研究也提高了性能在高负载的情况下(15 5 n, 10 n, n)。研究表明,高负荷导致摩擦系数的增加和穿疤痕,然而,在15 n负荷G-L样本摩擦系数减少58.7%相比,去离子水,提高抗磨性能55.8%(图4)。
所有的这些改进可以归因于添加石墨烯因为它有助于形成一个在接触区胶粘剂层和保护层。添加Triton x - 100改善润滑油的粘度和增加润湿性,接触角降低,导致减少影响表面当力是应用[8]。这项研究表明,原始石墨烯水润滑剂有可能和某些纳米添加剂可以有一个光明的未来。
Najiha等人领导的一项研究调查了水性二氧化钛纳米流体强化铝铣的切削性能。二氧化钛材料特殊抗磨著称,承载力、摩擦性能[10]。本研究机械稳定性和环境可持续性,同时设计了润滑剂,而结果是光明的。这项研究是由不同的切削速度使用不同浓度的二氧化钛。结果表明,随着润滑油的流量增加,附着力降低,更高浓度的二氧化钛没有转化为更高的保护摩擦。研究还试图建立一个可持续性指数润滑油,但由于缺乏数据,结果不能被认为是可行的[10]。
Devireddy等人进行的另一项研究使用类似的润滑剂来提高汽车散热器的性能。他们使用60% 40%乙二醇和水混合与不同浓度(0.1%,0.3%,0.5%)的二氧化钛的技术。多年来,混合动力车越来越主流,强调清洁废气管理由于这些水性润滑剂是最著名的竞争者来取代传统的润滑油作为冷却剂在汽车的散热器[11]。
了解流体的热导率的程度,研究发现,nanofluid浓度的增加导致出口温度降低润滑油作为冷却剂的有效性。二氧化钛的浓度为0.5%时,热增强0.1%浓度时相比增加了34.12%。它表明,当集中纳米流体达到更高的热系数,它允许工作液体冷却器的散热,导致增加效率[11]。
图5:使用nanofluid散热器冷却性能的比较[11]

虽然研究发现nanofluid增加导热系数和改善汽车散热器的性能,然而,我们需要更多的理论和实验数据巩固索赔和调查这种润滑剂的商业潜力。
近年来镁合金成为汽车工业的重要组成部分,因为它使轻量级组件用于汽车、飞机、电子产品、等等。当前的商业镁合金制造方法不先进,和不必要的摩擦过程中导致质量差,寿命短,不均匀变形(12、13)。研究由谢等人提出了一种结合二氧化硅/石墨烯作为水基润滑剂添加剂来达到更好的功能和提高镁合金的机械稳定性。他们测试了轧制镁合金的添加剂的摩擦特性,发现他们有效地降低摩擦系数(FC)和磨损体积(西弗吉尼亚州)。梁等的研究得出结论,原位剥落石墨烯能有效减少摩擦磨损体积,和二氧化硅以其低成本和高耐热性。因此,有机会结合二氧化硅/石墨烯之间的滚动动作会增加相互作用的表面,提高镁合金的加工过程(11、13)。
图6:改变摩擦系数与滑动时间(3 N, 0.08 m / s, 0.5 h) [13]

图6显示了将纳米粒子添加到水性润滑剂后显著改善。二氧化硅的添加纯净水转化为摩擦系数减少13%,比纯二氧化硅和纯石墨烯性能更好,但二氧化硅/石墨烯比他们两人的结合。当二氧化硅/石墨烯:0.4比率是0.1,它展示了FC 53.7%低于纯二氧化硅和48.5%小于纯石墨烯。它证明了结合二氧化硅/石墨烯是一种优越的二氧化硅添加剂和graphane [13]。
同样,0.1:0.4二氧化硅/石墨烯的比例减少了磨损体积从26.7 mm3(纯水)4.86 mm3显示其优异的抗磨性能。二维截面显示时浅的疤痕的结合二氧化硅/石墨烯相比,使用纯二氧化硅和石墨烯
(图7)。

图7:平均磨损量不同样本[13]

水基润滑剂的主要缺点之一是他们无法承受高载荷随着两表面之间的接触面积的增加和FC也上升。然而,二氧化硅/石墨烯的组合展示了其承载力,作为添加剂的FC总是低于0.1。结合已经最低的接触角,这证明了二氧化硅/石墨烯能够形成一个更好的保护层,因为不同的相互作用表面的润湿性。所有这些表明其润滑油行业的潜力成为一个商业产品[14]。
考虑所有这些研究,可以说,水润滑剂可能变得有趣的产品,以克服当前环境问题有时与油脂和其他油性润滑剂。为了得到最好的结果,纳米流体可能发挥添加剂来提高热导率,降低摩擦系数,减少磨损量[14]。这里列出的研究表明,提出的解决方案有可能,然而,应该有更多的研究和数据来证明这些润滑剂的商业可行性。

引用

1。开始,肯尼斯和阿里Erdemir。“摩擦学对全球能源消费的影响,成本和排放。”摩擦,5卷,没有。3、2017年9月,页263 - 284,10.1007 / s40544 - 017 - 0183 - 5。
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14。流行,埃里克,Vikas Varshney和特罗伊。“石墨烯的热性能:基本面和应用程序。“夫人公告37.12 (2012):1273 - 1281。

关于作者

Raj Shah博士是一位主管克勒仪器公司在纽约,在那里他曾在过去的28年。他是民选的同行在IChemE CMI, STLE, AIC, NLGI, INSTMC,物理研究所能源学院和皇家化学学会的。ASTM鹰奖的获奖者,沙阿博士最近coedited畅销书,“燃料和润滑剂手册”,期待已久的细节可在ASTM的燃料和润滑油手册第二版现在可用(https://bit.ly/3u2e6GY)。他获得了宾夕法尼亚州立大学化学工程博士学位,是一位来自英国特许管理学会、伦敦。Shah博士也是一个特许科学家与科学委员会能源研究所的特许石油工程师和特许工程师工程委员会、英国。沙阿博士最近被授予“杰出工程师”的honourificτβπ,美国最大的社会工程。他在咨询法明岱尔大学董事会(机械技术),奥本大学
(摩擦学),纽约州立大学、法明岱尔(工程管理)和纽约州立大学石溪分校(化学工程/材料科学与工程)。副教授,纽约州立大学石溪分校,在材料科学和化学工程系,拉吉也有超过550的出版物和一直活跃在能源行业3年多了。Raj的更多信息可以在https://bit上找到。ly / 3 qvfalx联系:rshah@koehlerinstrument.com
Mrinaleni Das女士是一个繁荣的实习项目的一部分在Holtsville克勒仪器公司,和石溪大学化学工程的学生,长岛,沙阿博士是当前外部顾问董事会主席。
乔治博士Diloyan NIS . n:行情)的首席执行官。他持有天普大学机械工程博士学位,专注于纳米技术、电化学、材料科学以及两个女士物理学和计算机科学学位。他有着丰富的经验与纳米材料的应用来解决核心工业问题,粒子聚集的知识,和退化机制。