УДК 62-72 Смазки и смазочные устройства. Устройства для подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ)
Ресурсо- и энергосбережение является важной глобальной проблемой. Смазочные материалы на основе растительных масел приобретают все большее значение на рынке промышленных смазочных материалов из-за их биоразлагаемости, возобновляемости, минимального воздействия на окружающую среду, отличных трибологических характеристик и строгих экологических норм. В этой обзорной статье рассмотрены различные аспекты биосмазок, такие как химический состав различных растительных масел, методы химической модификации, используемые для синтеза биосмазок, физико-химические и реологические свойства биосмазок, трибологические характеристики биосмазок в различных условиях, а также различные наночастицы, используемые для повышения производительности биосмазок. Кроме того, рассмотрены перспективы применения биосмазок в автомобильном транспорте.
ТРИБОЛОГИЯ, БИОСМАЗКА, НАНОЧАСТИЦЫ, ПРИСАДКИ, СИНТЕЗ, АВТОМОБИЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Значительный прогресс в промышленном производстве, распространении автомобильного транспорта и неуклонный рост человеческих потребностей привели к увеличению использования различных механических устройств и агрегатов, для обеспечения бесперебойной работы и максимальной эффективности которых необходимо применение смазочных материалов [1]. Спрос на смазочные материалы резко возрос в связи с промышленной революцией и ростом продаж автомобилей. Согласно исследованию мирового рынка, в 2019 году было использовано 36,8 млн. тонн смазочных материалов, с прогнозируемым увеличением спроса примерно на 2,1% каждый год. В 2020 году объем мирового рынка смазочных материалов оценивался в 125,81 млрд. долларов США. Кроме того, ожидается, что в период с 2021 по 2028 год рынок будет расти в среднем на 3,7%. Продажи и производство смазочных материалов играет жизненно важную роль в экономике страны, поскольку быстрое истощение запасов ископаемого топлива вызывает внезапные колебания цен на смазочные материалы [2].
Трибологические исследования показывают, что одна треть механической энергии теряется в виде тепла в процессе трения между поверхностями. В автомобильном машиностроении 30 % потерь энергии приходится на элементы включающие подшипниковые или трущиеся поверхности (поршневой узел, систему трансмиссии, подшипники, распределительный и коленчатый вал, клапанный механизм и т. д). Контроль трибологических характеристик с помощью смазочных материалов может приводить к экономии энергии на 40–50 %. [3].
Основной функцией смазочного материала является создание защитного слоя между трущимися поверхностями и предотвращение их трения и износа. Кроме того, смазка может быть использована для отвода тепла от поверхностей, защиты от окисления и коррозии, транспортировки загрязнений к фильтрам, обеспечения демпфирующего и амортизирующего эффекта и герметизации. К современным смазочным материалам предъявляются высокие требования такие как: высокий индекс вязкости, широкий диапазон рабочих температур, высокая термическая стабильность, низкий износ и коэффициент трения, а также высокая стойкость к коррозионному окислению. Основные классы смазочных масел представлены на рисунке 1 [4].
Спрос на смазочные масла неуклонно растет, а традиционные смазочные материалы на основе минеральных масел несут в себе ряд экологических проблем: не поддаются биологическому разложению, напрямую загрязняют почвы и грунтовые воды, сокращают рост деревьев и продолжительность жизни водных организмов, являются истощаемым ресурсом, загрязняют воздух летучими и токсичными компонентами.
Рисунок 1 – Основные классы смазочных материалов
Степень биоразлагаемости смазочных материалов на нефтяной основе составляет от 10 до 30 %. Современная индустрия смазочных материалов становится все более экологически ответственной, уделяя особое внимание устойчивости и сохранению окружающей среды за счет экологически чистых смазочных материалов на биологической и растительной основе. Мировые экологические инициативы значительно возросли в связи с повышением цен на нефтяное масло, истощения углеводородных запасов и строгих правительственных постановлений об использовании минерального масла. Растущая озабоченность по поводу воздействия минеральных смазочных материалов на окружающую среду и истощения запасов ископаемого топлива побуждает исследователей искать смазочные материалы на биологической основе [5].
Существуют исследования, в которых природные материалы, такие как растительное масла и животные жиры, рассматриваются в качестве потенциального источника для производства смазочных материалов из-за наличия в их составе более высокого содержания жирных кислот с целью применения их в автомобильном транспорте. Применение данных смазочных материалов в автомобилях зависят от длины углеродной цепи, степени ненасыщенности, типа функциональной группы, разветвленной природы соединения.
Передовые исследования в области новых смазочных материалов, использования присадок и наночастиц могут значительно снизить влияние трения и износа в машинах. В связи с этим целью данной статьи является всесторонний обзор литературы в области использования смазочных материалов на биологической основе и различных компонентов данных масел с учетом их трибологических, физико-химических, реологических свойств и дисперсионных свойств.
1. Yelchuri V., Azmeera T., Karuna M. S. L. Metathesized castor oil acylated derivatives: lubricants base stocks with low pour points and superior anti-wear properties //SN Applied Sciences. - 2019. - Т. 1. - №. 10. - С. 1214.
2. Zulkifli N. W. M. et al. Lubricity of bio-based lubricant derived from different chemically modified fatty acid methyl ester //Tribology International. - 2016. - Т. 93. - С. 555-562.
3. Sharma U. C., Sachan S. Friction and wear behavior of karanja oil derived biolubricant base oil //SN Applied Sciences. - 2019. - Т. 1. - С. 1-11.
4. Borda F. L. G. et al. Experimental investigation of the tribological behavior of lubricants with additive containing copper nanoparticles //Tribology International. - 2018. - Т. 117. - С. 52-58.
5. Bellini M. et al. Vegetable oils as Triple Bottom Line compliant lubricants //Tribology International. - 2021. - Т. 161. - С. 107103.
6. Schneider M. P. Plant-oil-based lubricants and hydraulic fluids //Journal of the Science of Food and Agriculture. - 2006. - Т. 86. - №. 12. - С. 1769-1780.
7. Hajar M., Vahabzadeh F. Biolubricant production from castor oil in a magnetically stabilized fluidized bed reactor using lipase immobilized on Fe3O4 nanoparticles //Industrial Crops and Products. - 2016. - Т. 94. - С. 544-556.
8. Joseph P. V., Sharma D. K. Improvement of thermooxidative stability of non-edible vegetable oils of Indian origin for biodegradable lubricant application //Lubrication Science. - 2010. - Т. 22. - №. 4. - С. 149-161.
9. Kržan B., Vižintin J. Tribological properties of an environmentally adopted universal tractor transmission oil based on vegetable oil //Tribology International. - 2003. - Т. 36. - №. 11. - С. 827-833.
10. Reeves C. J. et al. The influence of fatty acids on tribological and thermal properties of natural oils as sustainable biolubricants //Tribology International. - 2015. - Т. 90. - С. 123-134.
11. Salimon J., Salih N., Abdullah B. M. Diesters biolubricant base oil: synthesis, optimization, characterization, and physicochemical characteristics //International Journal of Chemical Engineering. - 2012. - Т. 2012.
12. Aravind A., Prabhakaran Nair K., Joy M. L. Formulation of a novel biolubricant with enhanced properties using esterified rubber seed oil as a base stock //Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. - 2018. - Т. 232. - №. 12. - С. 1514-1524.
13. Syahrullail S., Kamitani S., Shakirin A. Performance of vegetable oil as lubricant in extreme pressure condition //Procedia Engineering. - 2013. - Т. 68. - С. 172-177.
14. Ruggiero A. et al. Tribological characterization of vegetal lubricants: Comparative experimental investigation on Jatropha curcas L. oil, Rapeseed Methyl Ester oil, Hydrotreated Rapeseed oil //Tribology International. - 2017. - Т. 109. - С. 529-540.
15. Salih N., Salimon J. A review on eco-friendly green biolubricants from renewable and sustainable plant oil sources //Biointerface Res. Appl. Chem. - 2021. - Т. 11. - №. 5. - С. 13303-13327.
16. Kotturu C. M. V. V. et al. Investigation of tribological properties and engine performance of polyol ester-based bio-lubricant: Commercial motorbike engine oil blends //Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering. - 2020. - Т. 234. - №. 5. - С. 1304-1317.
17. Georgescu C., Solea L. C., Deleanu L. The influence of degumming process on tribological behaviour of soybean oil //Tribology in Industry. - 2015. - Т. 37. - №. 3. - С. 330.
18. Georgescu C., Solea L. C., Deleanu L. The influence of degumming process on tribological behaviour of soybean oil //Tribology in Industry. - 2015. - Т. 37. - №. 3. - С. 330.
19. Shahabuddin M. et al. Study on the friction and wear characteristics of bio-lubricant synthesized from second generation jatropha methyl ester //Tribology in Industry. - 2020.
20. Sneha E. et al. Formulation of bio-lubricant based on modified rice bran oil with stearic acid as an anti-wear additive //Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. - 2021. - Т. 235. - №. 9. - С. 1950-1957.
21. Cheah M. Y. et al. Physicochemical and tribological properties of microalgae oil as biolubricant for hydrogen-powered engine //International Journal of Hydrogen Energy. - 2020. - Т. 45. - №. 42. - С. 22364-22381.
22. Khemchandani B. et al. Mixture of safflower oil and synthetic ester as a base stock for biodegradable lubricants //Lubrication Science. - 2014. - Т. 26. - №. 2. - С. 67-80.
23. Chan C. H. et al. Tribological behavior of biolubricant base stocks and additives //Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2018. - Т. 93. - С. 145-157.
24. Deepika S. Nanotechnology implications for high performance lubricants //SN Appl. Sci. - 2020. - Т. 2. - С. 1128.
25. Talukdar S., Ghosh P. Biodegradable vegetable oil polymer as a multifunctional lubricating oil additive //Journal of Macromolecular Science, Part A. - 2020. - Т. 57. - №. 4. - С. 244-249.
26. Ghosh P. et al. Multifunctional biodegradable lube oil additives: Synthesis, characterization, and performance evaluation //Petroleum Science and Technology. - 2017. - Т. 35. - №. 1. - С. 66-71.
27. Ghosh P., Das M. Biocompatible multifunctional lubricating oil additives //Petroleum Science and Technology. - 2016. - Т. 34. - №. 15. - С. 1367-1373.
28. Xiao H. et al. Amine-intercalated α-zirconium phosphates as lubricant additives //Applied Surface Science. - 2015. - Т. 329. - С. 384-389.
29. Alves S. M. et al. Tribological behavior of vegetable oil-based lubricants with nanoparticles of oxides in boundary lubrication conditions //Tribology international. - 2013. - Т. 65. - С. 28-36.
30. Bekal S., Bhat N. R. Bio-lubricant as an alternative to mineral oil for a CI engine-an experimental investigation with pongamia oil as a lubricant //Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. - 2012. - Т. 34. - №. 11. - С. 1016-1026.
31. Azman N. F. et al. The anti-wear and extreme pressure performance of CuO and graphite nanoparticles as an additive in palm oil //International Journal of Structural Integrity. - 2019. - Т. 10. - №. 5. - С. 714-725.
32. Singh Y. et al. Sustainability of a non-edible vegetable oil based bio-lubricant for automotive applications: A review //Process Safety and Environmental Protection. - 2017. - Т. 111. - С. 701-713.
33. Dai W. et al. Roles of nanoparticles in oil lubrication //Tribology International. - 2016. - Т. 102. - С. 88-98.
34. Sui T. et al. Effect of particle size and ligand on the tribological properties of amino functionalized hairy silica nanoparticles as an additive to polyalphaolefin //Journal of Nanomaterials. - 2015. - Т. 16. - №. 1. - С. 427-427.
35. Azman S. S. N. et al. Study of tribological properties of lubricating oil blend added with graphene nanoplatelets //Journal of Materials Research. - 2016. - Т. 31. - №. 13. - С. 1932-1938.
36. Luo T. et al. Tribology properties of Al2O3/TiO2 nanocomposites as lubricant additives //Ceramics International. - 2014. - Т. 40. - №. 7. - С. 10103-10109.
37. Roslan S. H., Abd Hamid S. B., Mohd Zulkifli N. W. Synthesis, characterisation and tribological evaluation of surface-capped molybdenum sulphide nanoparticles as efficient antiwear bio-based lubricant additives //Industrial Lubrication and Tribology. - 2017. - Т. 69. - №. 3. - С. 378-386.
