Модификатор для смазочного материала Российский патент 2023 года по МПК C10M125/02 B82Y30/00 

Изобретение относится к модификаторам смазочных материалов. Смазочные материалы - это преимущественно твердые, полутвердые, полужидкие и жидкие вещества, используемые в узлах трения: автомобильной техники, промышленных машин и механизмов, а также в быту.

Смазочные материалы представляют собой преимущественно масляную основу (базовое масло), в которую вводят различные модификаторы, также называемые присадками, добавками, имеющие различное функциональное назначение для улучшения эксплуатационных свойств смазочного материала.

Одним из основных типов модификатора трения являются не растворимые твердые частицы, взвешенные в масляной основе. Модификаторы способствуют снижению трения, улучшают противозадирные и противоизносные свойства трущихся поверхностей, способствуют отводу тепла, генерируемого в зоне трения, уменьшают шероховатость поверхностей трения, сохраняют масляную пленку. Влияние твердых частиц модификаторов напрямую связано с размером самих частиц. Считается, что наночастицы хорошо подходят для трибологических применений, поскольку смазка осуществляется на наноразмерном уровне. Наноразмерные твердые частицы образуют с маслами устойчивые дисперсии, а огромная свободная энергия поверхности наночастиц обеспечивает быструю адсорбцию с образованием прочного адгезионного слоя. На поверхностях трения наночастицы заполняют собой микронеровности, в результате чего уменьшается шероховатость поверхности, что приводит к уменьшению коэффициента трения. Поверхности, защищенные покрытиями с наночастицами, обладают повышенной прочностью и сопротивлением к истираемости, низким коэффициентом трения.

В последние годы с развитием нанотехнологий исследования по применению наноуглеродных материалов в качестве модификаторов смазочных материалов получили широкое распространение.

Известно введение в смазочные материалы наноуглеродных частиц фуллерена (CN 106398827, кл. С10М 169/04, 2017 г.). Первые наноуглеродные частицы - фуллерены С₆₀ и С₇₀ были обнаружены в 1980 годах как новый тип шаровидной молекулы. Фуллерены имеют сферическую структуру. Механические свойства фуллеренов позволяют использовать их в качестве высокоэффективного антифрикционного твердого модификатора к смазкам. На контактирующих поверхностях они образуют защитную фуллерено-полимерную пленку, которая защищает поверхности трения от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения. Однако фуллерены имеют недостаточно высокую термостойкость - 400-500°С.достаточно большой коэффициент трения и не достаточно высокую теплопроводность и эффективно могут работать только в условиях невысоких температур. С учетом этого фуллерены не могут быть идеальным модификатором смазки.

Известно использование в смазочных материалах другого вида наноуглеродного материала - углеродных нанотрубок, открытых в 1991 г. (RU2599632, кл. С10М 125/02, 2015 г.). Наноуглеродные трубки улучшают вязкость, теплопроводность и противоизносные характеристики смазочных материалов. Однако эти свойства смазочных материалов в достаточной мере проявляются только в условиях низких нагрузок и низких скоростей. Углеродные нанотрубки в силу своих достаточно больших размеров не могут образовывать на поверхностях трения смазочные пленки молекулярного размера, их сложно заполнять смазочным материалом, что приводит к остаточной пористости и из-за чего снижается эффект уменьшения трения поверхностей Кроме того, наноуглеродные трубки трудно равномерно перемешать в смазочном материале из-за их физического переплетения друг с другом при диспергировании, что снижает стабильность работы смазочного материала.

Открытые в конце прошлого столетия два типа наноуглеродных материалов -фуллерен и наноуглеродные трубки - значительно продвинули область наноматериалов и нанотехнологий. В 2004 году был разработан новый класс материалов на основе наноуглерода - графен (наноуглеродные чипсы, хлопья, порошки).

Уникальные свойства графена позволяют использовать его в качестве модификатора смазочных материалов. Известно применение в смазочных материалах одно- и многослойного графена (US2011046027, кл. С10М 103/02, 2011 г., CN 101812351, С10М 125/02, 2010 г.).). Графен является двумерным углеродным материалом. Графен, по существу состоит из листа графеновой плоскости (однослойный графен) или нескольких листов графеновой плоскости, уложенных друг на друге, (многослойный графен). Однослойный графен состоит из атомов углерода, образующих двухмерную гексагональную (шестиугольную) решетку с прочными ковалентными связями в плоскости. В многослойном графене несколько графеновых плоскостей слабо связаны друг с другом только за счет сил Ван-дер-Ваальса в направлении толщины. Графен имеет высокую теплопроводность, электропроводность, высокий модуль Юнга, низкий коэффициент трения. Графен образует на трущихся поверхностях прочные неабразивные смазочные пленки, толщина которых может составлять один атом углерода (0, 34 нм), тем самым уменьшая прямой износ деталей, что невозможно с углеродными нанотрубками и фуллереном. Основной недостаток смазочных материалов, содержащих графен, заключается в том, что термостойкость графена невелика и составляет около 600-650°С. После некоторого времени работы пары трения коэффициент трения начинает расти. Это вызвано тем, что при повышенных температурах верхние слои смазочной пленки начинают разрушаться, становятся аморфными и коэффициент трения растет. Это ограничивает применение графеновых смазочных материалов в условиях высоких температур и нагрузок.

Технической задачей изобретения является создание модифицирующей добавки, обеспечивающей смазочному материалу лучшее сочетание свойств: низкий коэффициент трения, высокую теплопроводность и высокую прочность смазочной пленки, обеспечивающие стабильную работу механизмов в условиях высоких температур и нагрузок.

Техническая задача решается тем, что модификатор смазочного материала, содержащий наноуглеродный графеновый материал шестиугольной кристаллической структуры, дополнительно содержит наноуглеродный графеновый материал пятиугольной кристаллической структуры при следующем содержании компонентов в % масс.:

наноуглеродный графеновый материал шестиугольной кристаллической структуры 80-99,8 наноуглеродный графеновый материал пятиугольной кристаллической структуры 0,2-20

Сущность изобретения заключается в следующем.

Наноуглеродный графеновый материал шестиугольной кристаллической структуры, сегодня известный как обычный «графен», представляет собой лист из атомов углерода, образующих шестиугольную кристаллическую структуру. Наноуглеродный графеновый материал - пентаграфен состоит из атомов углерода, образующих исключительно пятиугольники. Впервые этот материал был получен в лабораторных условиях 2014 году.

Несмотря на то, что известные наноуглеродные материалы: фуллерены, наноуглеродные трубки, графен, пентаграфен, являются наноуглеродными материалами, но с учетом их размеров и жесткости структуры все они являются разными материалами. Поэтому введение в смазочную основу нескольких разных наноуглеродных материалов существенно изменяют свойства смазочных материалов. Так, простая форма пентаграфена придает ему собственные уникальные свойства Пентаграфен имеет экстремальные механические характеристики, он выдерживает нагрев до температуры 800°С, сохраняя высокую прочность.

Теплопроводность пентаграфена составляет 6000 Вт/м°К, в то время, как теплопроводность графена составляет 5000 Вт/м°К. Он активно способствует увеличению теплопроводности смазочной пленки, снижая достаточно высокую температуру на поверхностях трения, что особенно существенно при работе в условиях высоких температур и знакопеременных нагрузок. Небольшие добавки пентаграфена дают возможность графену, как основному модификатору смазочных материалов, длительное время сохранять и реализовывать свои уникальные свойства. Учитывая, что все известные нанографеновые материалы сегодня еще не производятся по приемлемой для промышленности цене, последнее качественное преимущество пентаграфена имеет весьма существенное значение.

Пентаграфен при растяжении расширяется во всех направлениях в отличие от графена, который расширяется в длину и сужается в ширину. Это позволяет сохранять стабильность смазочных пленок в рабочем режиме механизмов и сохранять работоспособность длительное время.

Пентаграфен получают обычно в смеси с графеном при использовании интеркалирующих добавок, способствующих расщеплению графита. В зависимости от вида интеркалирующих добавок, технологических параметров проведения процесса расщепления получают смесь графена и пентаграфена в различном соотношении. Пентаграфен имеет вид «свертков», представляющих собой не замкнутые «свернутые конусы», которые в отличие от углеродных нанотрубок, имеют возможность легко заполняться смазочным материалом и удерживать в себе жидкое базовое смазочное масло, выполняя двойную функцию: являясь твердой смазкой и неся в себе жидкую смазку.

На фиг. 1 представлена фотография, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа смеси графеновых материалов, полученных расщеплением графита: графена в виде пластин поз.1 и пентаграфена поз.2, представляющего собой «свертки» (свернутые конуса).

На фиг. 2 представлена фотография пентаграфена сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Предложенная смесь графеновых материалов используемая в качестве модификатора смазочных материалов, содержит два типа наноуглеродных материалов, одним из которых является графен, представляющий собой пластины (хлопья), другим - является пентаграфен в виде «свертков».

Оптимальное содержание пентаграфена в модификаторе предлагается в диапазоне 0,2-20% масс. Этого количества достаточно для увеличения теплопроводности смазочного материала, содержащего только графен на 10 - 100 Вт/м°К.

Графен и пентанрафен образуют устойчивую суспензию с различными смазочными основами, в качестве которых могут быть использованы масла из нефти, синтетические минеральные масла, полимерные композиции, расплавы на основе воска и другие композиции. Навеску смеси графена и пентаграфена вводят в смазку и перемешивают предпочтительно с применением ультразвука для получения смазки с более высокой однородностью.

Смазочные материалы, содержащие смесь графена и пентаграфена, эффективно работают при высоких нагрузках и скоростях вплоть до 4000 об/мин, когда на поверхности трения развиваются достаточно высокие температуры. Однако, для эффективности работы модификатора в начальный момент работы механизма, т.е. в период приработки пары или в момент «трогания с места», в модификатор целесообразно дополнительно вводить дисульфид молибдена (MoS₂). Дисульфид молибдена имеет гексагональную пластинчатую структуру, при трении создает защищенные трущиеся поверхности. Пластинки дисульфида молибдена должны иметь зернистость, соизмеримую с шероховатостью трущихся поверхностей, при такой зернистости дисульфид молибдена эффективно упаковывается в неровности поверхностей. В начальный момент работы механизма пластинки легко заполняют микроскопические неровности в поверхностях трения, создавая при малых нагрузках и скоростях предварительную защитную пленку, выравнивая поверхности трения, обеспечивая надежную работу смазочного материала при повышенных температурах и нагрузках. Количество дисульфида молибдена может составлять 0,2-5% вес.от общего содержания графенового материала в смазке (графен + пентаграфен)..

Для увеличения несущей способности смазочного материала в модификатор можно вводить мелкодисперсные металлы: медь, алюминий цинк, олово. Такие мелкодисперсные металлы имеет хорошие фрикционные свойства в условиях, при которых на поверхностях трения возникают более высокие нагрузки. Они более активно встраиваются в шероховатости поверхностей трущихся металлических пар из сплава железа, образуя на них совместно с графеном и пентаграфеном прочный защитный микрослой, предупреждающий проникновение молекул водорода в атомную структуру железа.

Сравнительные трибологические испытания смазки проводили на машине трения, имитирующей работу шарикоподшипникового узла при максимальной нагрузке σmax=2600 МПа в течение 1 часа при скорости вращения диска 50÷4000 об/мин.

Испытывали базовое масло - индустриальное масло И-20, содержащее графит и базовое масло, содержащее графит и 0,2-20% вес модификатора (графен + пентаграфен).

Было установлено, что предельные обороты, которые может выдержать узел трения со смазкой без модификатора составляли 1500 об/мин. При скоростях, превышающих 1500 об/мин наблюдался ускоренный износ контактирующих поверхностей (увеличение диаметра пятна износа). При испытании смазочных материалов, содержащих модифицирующую добавку в количестве 0,2-20,0% вес. предельные обороты (без катастрофического износа) составили до 4000 об/мин. Несущая способность пары трения характеризуется контактной нагрузкой, которую может выдерживать смазочный материал без разрыва пленки. При нагрузке σ=2600 МПа (характерной для тяжело нагруженных подшипниковых узлов) при увеличении оборотов несущая способность модифицированных смазочных материалов увеличивалась, смазочная пленка сохраняла свою целостность вплоть до 4000 об/мин.

Прирост температуры и максимальная скорость тепловыделения при скорости вращения 4000 об/мин составили 23°С/мин для смазки без модификатора и 9°С/мин для смазки с модификатором

Изменение коэффициента трения определяли следующим образом. Плоскость, по которой скользил груз, смазывали смазочным материалом, содержащим графен и смесь графена и пентаграфена. Плоскость поднималась до начала движения груза микровинтом. Тангенс угла подъема, при котором начиналось движение груза является коэффициентом трения скольжения Были получены следующие результаты:

Коэффициент трения скольжения смазки, содержащей графен составил 0, 160

Коэффициент трения скольжения смазки, содержащей графен и пентаграфен оставил 0,07, т.е. в 2,3 раза ниже.

Таким образом, введение в смазочные материалы модификатора состава графен-пентаграфен позволяет снизить коэффициент трения, увеличить теплопроводность смазочного материала и прочность смазочной пленки и тем самым обеспечивает стабильную работу механизмов в условиях высоких нагрузок.

Изобретение относится к модификаторам смазочных материалов. Описан модификатор для смазочного материала, содержащий наноуглеродный графеновый материал шестиугольной кристаллической структуры, наноуглеродный графеновый материал пятиугольной кристаллической структуры при следующем содержании компонентов в мас.%: наноуглеродный графеновый материал шестиугольной кристаллической структуры - 80-99,8, наноуглеродный графеновый материал пятиугольной кристаллической структуры - 0,2-20. Технический результат - снижение коэффициента трения, увеличение теплопроводности смазочного материала и прочноси смазочной пленки, обеспечение стабильной работы механизмов в условиях высоких нагрузок. 2 ил.

Модификатор для смазочного материала, содержащий наноуглеродный графеновый материал шестиугольной кристаллической структуры, отличающийся тем, что дополнительно содержит наноуглеродный графеновый материал пятиугольной кристаллической структуры при следующем содержании компонентов в мас.%:

наноуглеродный графеновый материал шестиугольной кристаллической структуры 80-99,8 наноуглеродный графеновый материал пятиугольной кристаллической структуры 0,2-20