• Nanocząsteczki mają wielkość od 1 do 100 nm, czyli od 1 do 100 milionowych części milimetra.
• Jedną z branż, w której ma zastosowanie nanotechnologia, jest także motoryzacja.
• Nanocząsteczki zawieszone w oleju smarowym powodują wzmocnienie filmu olejowego i stabilizację jego grubości w różnych temperaturach.
• Jednymi z najnowocześniejszych nanocząsteczek są fulereny, które mają strukturę przestrzenną.
• Oprócz nanocząsteczek stosuje się dodatki myjące, przeciwpieniące, czy stabilizujące chemicznie olej.

Pojęcie nanotechnologii odnosi się do wielkości cząstek lub materiałów, z którymi mamy do czynienia. Jeśli chodzi o nanocząsteczki, mówimy o cząsteczkach o wielkościach 1–100 nm, czyli od 1 do 100 milionowych części milimetra. Są więc znacznie mniejsze  np. od bakterii.

Wiele badań dowiodło, że te mikroskopijne związki chemiczne znacząco wpływają na wiele dziedzin życia. Nanotechnologia obecna jest w medycynie, wojsku, sporcie i przemyśle. Jedną z branż, w której ma zastosowanie, jest także motoryzacja. Nanotechnologia w tej dziedzinie wykorzystywana jest np. podczas mycia samochodu (szampony i woski z nanocząsteczkami) czy podczas pielęgnacji wnętrza. Jednak największy wpływ nanotechnologia ma na przedłużenie żywotności silnika i układu napędowego. Okazało się bowiem, że oleje z nanocząsteczkami w pewnych warunkach są wytrzymalsze niż standardowe. Czy jednak zawsze?

Sposób na zmniejszenie tarcia

Nanocząsteczki zawieszone w oleju smarowym powodują wzmocnienie filmu olejowego i stabilizację jego grubości w różnych temperaturach (szczególnie wysokich). Najczęściej w badaniach nad poprawą właściwości tribologicznych środków smarnych wykorzystuje się nanocząsteczki tlenków metali, siarczków metali pierwiastków ziem rzadkich oraz samych metali. Dobór odpowiednich cząsteczek determinowany jest efektami, jakie chce się osiągnąć podczas eksploatacji. Oznacza to, że różne cząsteczki charakteryzują się różnymi właściwościami fizykochemicznymi.

Tworzenie powłok ochronnych na współpracujących ze sobą powierzchniach jest możliwe dzięki małym wymiarom cząstek. Nanocząstki w oleju tworzą układy koloidalne typu „zole”. Wytworzenie koloidalnej dyspersji jest możliwe dzięki pokrywaniu nanocząstek metali związkami powierzchniowo czynnymi (grupa polarna i łańcuch alkilowy). Długość tego łańcucha pozwala na stworzenie stabilnego układu koloidalnego i właściwe zdyspergowanie cząsteczek w objętości oleju.

Istnieją dwie teorie, które opisują działanie nanocząsteczek. Zgodnie z pierwszą działają one jak mikroskopijne kulki łożyskowe między dwoma powierzchniami, umożliwiając im wzajemne „przetaczanie” się. To znacznie obniża opory ruchu. Druga teoria mówi, że nanocząsteczki wypełniają mikroubytki materiału smarowanego, powodując jego wygładzenie. Obie teorie są prawdziwe – nanocząsteczki są wypełniaczem nierówności i powodują zmniejszanie tarcia między elementami.

Co można dodać do oleju i z jakim skutkiem

W normalnych warunkach nanocząsteczki zachowują się jak miliony łożysk kulkowych, które służą redukcji tarcia. Jednak w warunkach dużych obciążeń kontaktowych wykazują specyficzne zachowanie. Nie przypominają już łożysk kulkowych, ale rozkładają się tak, aby utworzyć szczelną warstwę ochronną na współpracujących powierzchniach.

Zjawisko to zachodzi nawet w najgorszych warunkach granicznych, gdzie konwencjonalne oleje mogą nie być wystarczająco efektywne. Jest to kluczowy element redukcji tarcia, osiągany dzięki olejom, w których wykorzystano nanotechnologię. Najistotniejsze jest to, że warstwy osadzające się na powierzchniach nie ulegają ponownemu połączeniu, jednak właściwości chemiczne cząsteczek są wystarczające, aby zachować normalne okresy między wymianami oleju.

Stosowane w olejach nanocząsteczki metali przyczyniają się do obniżenia współczynnika tarcia i redukują zużycie. Metale miękkie w miejscach tarcia (węzłach) oddziałują na zasadzie adhezji i dyfuzji. Dodatkowo nanocząsteczki metali w tych miejscach są odporne na wysoką temperaturę, co czyni środek smarny bardziej przydatny do dużych obciążeń. Warstwa, którą tworzą nanocząsteczki miedzi na powierzchniach trących, powoduje, że nie mają one ze sobą bezpośredniego kontaktu. A to skutkuje mniejszym zużyciem materiału.

Krzywa Stribecka jest przydatnym narzędziem do ilustrowania różnych warunków smarowania silnika i porównania różnych olejów. Wykres przedstawia współczynnik tarcia oleju przy różnych warunkach pracy oleju. Źródło: Archiwum „autoEXPERTA”

Oprócz nanocząsteczek miedzi stosuje się nanocząsteczki niklu, które pozytywnie wpływają na poprawę właściwości tribologicznych oleju. Ciekawostką jest to, że nanocząsteczki tlenku cynku nie poprawiają właściwości przeciwzużyciowych oleju, ale wykazują właściwości przeciwzatarciowe.

Do oleju dodawane są też związki siarki i fosforu. Najpopularniejszy jest dwusiarczek molibdenu (MoS₂) i dwusiarczek wolframu (WS₂). Są to cząsteczki zwane modyfikatorami tarcia. Dzięki swoim właściwościom powodują znaczne obniżenie tarcia między współpracującymi elementami.

Jednymi z najnowocześniejszych nanocząsteczek są fulereny, które mają strukturę przestrzenną i składają się z parzystej liczby atomów węgla, tworząc zamkniętą bryłę, pustą w środku. Innymi nanocząsteczkami zaliczanymi do fulerenów są „fulereny wielowarstwowe” (nanocebulki), które są zbudowane z warstw grafitowych.

Różnica w wielkości i jednorodności związków chemicznych, która powoduje zmniejszenie tarcia przy użyciu oleju syntetycznego. Źródło: Archiwum „autoeEXPERTA”

Oprócz nanocząsteczek

Dodatki stosowane są zarówno w olejach mineralnych czy hydrokrakowanych, jak i w pełni syntetycznych. Ich zadaniem jest utrzymywanie czystości silnika, transport i utrzymanie  zanieczyszczeń, zapobieganie pienieniu, ochrona przed utlenianiem a nawet ochrona uszczelnień przed degradacją. Ponadto olej oprócz smarowania również chłodzi silnik, więc musi być odporny na odparowywanie z niego frakcji lotnych.

Podstawowymi dodatkami, które poprawiają właściwości olejów, są:

Detergenty i dyspergatory
Detergenty minimalizują tworzenie się zanieczyszczeń, które powstają na skutek wysokiej temperatury. Dyspergatory zapobiegają przyklejaniu się złogów do metalowych powierzchni jednostki napędowej i zapobiegają koagulacji złogów, sprawiając że ich cząsteczki cały czas unoszą się w płynie i nie sklejają się ze sobą.

Dodatki smarnościowe
Dodatki przeciwzużyciowe i zwiększające odporność na nacisk wpływają na jakość i trwałość filmu olejowego, którego ewentualne zerwanie doprowadza to tarcia metalowych części silnika i jego uszkodzenia. Dodatki te tworzą warstwę ochronną na powierzchniach. Pozwala im to na zniesienie najwyższego obciążenia mechanicznego, ponieważ warstwa oleju zachowuje spójność na całym zabezpieczanym obszarze.

W roli dodatku poprawiającego odporność na naciski i tarcie doskonale sprawdzają się takie związki chemiczne, jak dwusiarczek molibdenu (MoS₂) oraz dwusiarczek wolframu (WS2). Charakteryzują się bardzo niską siłą przyciągania międzycząsteczkowego, co powoduje znaczne obniżenie tarcia wewnętrznego zachodzącego w oleju. Dodatkowo cząsteczki te wnikają w mikrorysy, które powstają podczas obróbki powierzchni metalowych, wypełniając je. Wpływa to na zmniejszenie tarcia współpracujących ze sobą elementów. Ogólną cechą nanocząsteczek jest to, że nie łączą się w skupiska i tworzą w oleju zawiesinę, która nie jest wyłapywana przez filtr ani nie odkłada się w kanałach olejowych.

Wśród dodatków do olejów smarnych można znaleźć ostatnio bardzo popularne dodatki ceramiczne. Ich zadanie jest takie samo jak każdego innego dodatku – zmniejszyć tarcie między współpracującymi metalami. Jednak sposób, w jaki działają jest inny niż w przypadku dwusiarczków molibdenu i wolframu. Nie tworzą one zjawiska „łożyska” między powierzchniami, ale wytwarzają warstwę o mniejszym współczynniku tarcia. W związku z tym działanie dodatku ceramicznego nigdy nie będzie widoczne od razu po wlaniu go do silnika. Musi on być rozprowadzony po wnętrzu silnika wraz z olejem w trakcie pracy. Na skutek temperatury i porowatości powierzchni, do których przylega, dodatek ten utrzymuje się na powierzchni metalu dłużej niż film olejowy.

Dodatki zabezpieczające powierzchnię
Inhibitory korozji tworzą powłokę przeciwdziałającą osadzaniu się wody na metalowych komponentach silnika, co zabezpiecza silnik przed zjawiskiem korozji. Zmniejszają też kwasowość oleju.

Dodatki konserwujące olej
Przeciwutleniacze i antyspieniacze – ich zadaniem jest zahamowanie zjawiska utleniania oleju (co wiąże się z jego starzeniem), a antyspieniacze zapobiegają pienieniu oleju (co negatywnie wpływa na jego pompowalność i zwiększa ryzyko kawitacji oraz przedostawanie się oleju do odm).

Dodatki poprawiające smarność oleju
Modyfikatory lepkości poprawiają właściwości olejów dzięki odpowiednio dobranym łańcuchom węglowodorowym. Ich zadaniem jest obniżenie temperatury płynięcia, czyli zapobieżenie tężeniu oleju w niskich temperaturach i utrzymanie odpowiedniej gęstości w temperaturach wysokich.

Literatura:
1. Materiały firmy Millers Oils.
2. Krasodomski W., Rembiesa-Śmiszek A., Skibińska A., Nanocząstki w środkach smarowych, Instytut Nafty i Gazu, Kraków, 2013.