Оценка термической безопасности нанопорошков металлов, используемых в качестве добавок в нефтепродуктах Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ОЦЕНКА ТЕРМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НАНОПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ ДОБАВОК В НЕФТЕПРОДУКТАХ

Геннадий Владимирович Шувалов

ФГУП «СНИИМ», 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, кандидат технических наук, и.о. директора, тел. (383)210-17-26, e-mail: shuvalov@sniim.ru

Валерий Николаевич Половинкин

ФГУП ГНЦ «ЦНИИ имени академика А. Н. Крылова», 196158, Россия, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44, доктор технических наук, профессор, референт научного руководителя - директора, тел. (383)210-17-26

Игорь Владиленович Минин

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (812)328-90-47, e-mail: prof. minin@,gmail. com

Олег Владиленович Минин

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: prof. minin@,gmail. com

Иван Владимирович Клековкин

ФГУП «СНИИМ», 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, зам. начальника лаборатории, тел. (383)210-12-65, e-mail: klekovkin@sniim.ru

Александр Петрович Ильин

ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 634050, Россия, г. Томск, проспект Ленина, 30, профессор кафедры общей и неорганической химии, тел. (3822)56-34-74, e-mail: ilyinap@mail.ru

Ольга Александровна Ясырова

Омский институт водного транспорта ФГБОУ ВПО «НГАВТ», 644099, Россия, г. Омск, ул. Ивана Алексеева, 2, доцент кафедры физики, тел. (3812)31-89-29, e-mail: 300520@mail.ru

В статье рассмотрены вопросы оценки термической безопасности нанопорошков металлов, которые могут использоваться для модификации свойств топливо-смазочных материалов.

Ключевые слова: топливо-смазочные материалы, нанопорошки металлов,

термическая безопасность.

ASSESSMENT OF THERMAL SAFETY OF NANOPOWDERS OF THE METALS USED AS ADDITIVES IN OIL PRODUCTS

Gennady V. Shuvalov

Federal State Unitary Enterprise SNIIM, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrov Ave., Cand. Tech. Sci. of sciences, acting director, tel. (383)210-17-26, e-mail: shuvalov@sniim.ru

Valery N. Polovinkin

Federal State Unitary Enterprise GNTs "Central research institute of a name of the academician A. N. Krylov", 196158, Russia, St. Petersburg, 44 Moskovskoye Highway, the Dr. Sci. Tech., professor, the assistant of the research supervisor - the director, tel. (383)210-17-26

Igor V. Minin

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotny St., Ph.D., Prof. of Department Metrology and Technology of Optical Production chair, tel. (383)361-07-45, email: prof.minin@gmail.com

Oleg V. Minin

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotny St., Dr.Sci.Tech., professor of Metrology and Technology of Optical Production chair, tel. (383)361 -07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com

Ivan V. Klekovkin

Federal State Unitary Enterprise SNIIM, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrov Ave., deputy chief of laboratory, tel. (383)210-12-65, e-mail: klekovkin@sniim.ru

Alexander P. Ilyin

FGBOU VPO TPU, 634050, Russia, Tomsk, 30 Lenin Ave., professor of chair of the general and inorganic chemistry, tel. (3822)56-34-74, e-mail: ilyinap@mail.ru

Olga A. Yasyrova

Omsk institute FGBOU VPO "NGAVT's" water transport, Russia, Omsk, 2 Ivan Alekseev St., associate professor of physics, tel. (3812)31-89-29, e-mail: 300520@mail.ru

In article questions of an assessment of thermal safety of nanopowders of metals which can be used for modification of properties fuel-lubricants are considered.

Key words: fuel-lubricants, nanopowders of metals, thermal safety.

Использование нанопорошков металлов (НП) в различных отраслях промышленности может привести к существенному улучшению характеристик продукции и материалов, значительному росту ее качества и повышение производительности технологических процессов. Это связано с тем, что малый размер частиц НП (10 - 100 нм) обусловливает их особые электрические, теплофизические, магнитные и другие свойства, благодаря которым НП находят все большее применение при производстве керамических и композиционных материалов, добавок и присадок к топливо-смазочным материалам и т.д. На сегодняшний день существует достаточно большое количество технологий получения нанопорошков. Одним из наиболее перспективных методов получения НП является электрический взрыв проводников, под которым понимается резкое изменение физического состояния металлического проводника (проволочки) в результате интенсивного выделения в нем энергии при пропускании импульсного тока большой плотности (j > 106 А/см2) [1]. При электрическом взрыве материал проводника находится в неравновесных условиях, связанных с его быстрым нагревом и охлаждением продуктов

диспергирования, с воздействием электрического и магнитного полей, интенсивным тепло- и массопереносом, ионизацией и диффузией. Благодаря этим процессам электровзрывные нанопорошки обладают рядом особых свойств в сравнении с НП, полученными другими технологиями. Во-первых, они имеют сферическую форму частиц, устойчивы к окислению и спеканию при комнатной температуре, во-вторых, их характеризует высокая диффузионная активность при нагревании, связанная с особыми теплофизическими и термохимическими свойствами. Для модификации состава нанопорошка диспергирования проводника осуществляют в химически активной среде, в этом случае продукты диспергирования проводника вступают в химическое взаимодействие со средой при их разлете и охлаждении [2, 3].

В последнее время проводятся работы по использованию металлических порошков в технических устройствах для снижение внутренних механических потерь и скорости износа сопряженных деталей, понижения температуры смазочного масла, что продлевает сроки службы смазочного масла и, как следствие, повышает срок службы машин и механизмов [4, 5]. Известны смазочные материалы, содержащие в своем составе частицы металлов бронзы - сплава меди и олова (реметаллизанты). Медь, как правило, в чистом виде не используется, т.к. является катализатором окисления масла. Наиболее известные представители этой группы смазочных составов - «RESURS» производства России (г. С-Петербург), «ENGINE RESTORER» производства США , «Metall 5» производства Франции. Эти составы содержат микронные порошки в жидких маслах.

Как и у любого смазочного материала эффективность реметаллизантов зависит от размера частиц. Чем меньше размер - тем активнее частица. Механизм действия заключается в уплотнении зазоров в цилиндропоршневой группе и, как следствие, росту КПД работы двигателя. В этой связи возрастает интерес к использованию в реметаллизантах нанопорошков металлов. Использование нанодисперсных порошков - это новые технологи в повышении износостойкости машин и механизмов и экономии горючесмазочных материалов.

Нанопорошки металлов, как и все нанопорошковые материалы, обладают высокой реакционной способностью. Поэтому при их хранении, транспортировании и при переработке необходимо снижать и контролировать способность нанопорошков к спеканию, самоспеканию и к взаимодействию с различными компонентами и реагентами. В этой связи актуальны работы по определению термической безопасности нанопорошков металлов, в основе которых лежат параметры термохимической активности, которые позволяют сравнивать по химической активности нанопорошки разных по природе металлов [6-8].

К этим параметрам относятся: тепловой эффект реакций, температура начала окисления, степень окисленности, тепловой поток при горении нанопорошков металлов. Последние параметры будут определять термическую безопасность наноматериалов - т.е. опасность соприкосновения

незащищенных частей тела человека от воздействия высоких температур при изготовлении, применении, транспортировке и хранении нанопорошков металлов.

Для тестирования устойчивости нанопорошков и их смесей к окислению и к химическому взаимодействию был использован дифференциальный термический анализ (ДТА). Метод ДТА основан на сравнении термических свойств образца исследуемого вещества и инертного эталона. Регистрируемым параметром является разность температур вещества и эталона, измеряемая при нагревании или охлаждении образца с постоянной скоростью На основе данных ДТА определяют четыре параметра химической активности исходных НП и их смесей: температуру начала окисления (Тн.о., °С), степень окисленности (а, %), максимальную скорость окисления (Ушах, %мас./с) и удельный тепловой эффект (АН/Ат, отн. ед.).

Для определения плотности теплового потока при горении различных нанопорошков металлов измеряли тепловой поток от пробы нанопорошка в одинаковых условиях.

На рис. 1 приведены данные по максимальному тепловому потоку при горении различных нанопорошков металлов.

Гистограмма нанопорошков по _ макс. тепловому потоку

Рч1

30,00

во

“ 25,00 £ 20,00 д 15,00

2 10,00

I 5,00 0,00

и

Рис. 1. Максимальный тепловой поток при горении различных нанопорошков металлов

Учитывая термохимические параметры нанопорошков металлов и их излучательные энергетические характеристики в виде плотности теплового потока можно построить шкалу термической безопасности нанопорошков металлов.

Расчет термической безопасности нанопорошков металлов можно провести по формуле, учитывающей все термохимические параметры нанопорошков металлов:

^ ЛЯ, 1 /; | «тх 1 р, Л

А// Т а Р

V шах -1 ітх ^ і А шах У

В табл. 1 приведены термохимические параметры исследованных нанопорошков металлов.

Таблица 1

Термохимические параметры нанопорошков металлов

№ пп Нанопорошок АН кДж/ г Тно, °С а,% Макс. тепловой л поток (Вт/м ) Термическая опасность, Р

1 алюминий 31 420 97,8 22,6 0,96

2 титан 19,6 120 98,8 26,3 0,72

3 молибден 7,9 175 96,5 4,5 0,46

4 железо 7,3 160 93,2 4,6 0,46

5 никель 5,2 165 91,4 4,8 0,45

6 нихром 5,2 165 91,9 4,8 0,45

7 медь 2,4 165 89,3 2 0,41

8 вольфрам 4,5 110 98,7 6 0,41

С учетом результатов расчета в табл. 2 приведена шкала термической опасности нанопорошков металлов.

Таблица 2

Шкала термической опасности нанопорошков металлов

Степень термической опасности

Высокая, Средняя, Низкая,

Р=1-0,6 Р=0,6-0,45 Р=0,44 и ниже

молибден

алюминий железо медь

титан никель вольфрам

нихром

Видно, что наибольшей степенью термической опасности обладают нанопорошки алюминия и титана

Таким образом, в результате проведенных исследований были определены термохимические параметры нанопорошков различных металлов и параметры их термической опасности, которые необходимо учитывать при разработке металлоплакирующих смазочных материалов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ильин А. П., Краснятов Ю. А., Ларионов С. А. Применение электровзрывных ультрадисперсных порошков в качестве добавок к маслам // Получение, свойства и применение энергонасыщенных порошков металлов и их соединений: Тез. докл. Рос. конф. Томск: НИИ ВН при ТПУ, 1993. С. 83.

2. Назаренко О. Б. Особенности формирования продуктов электрического взрыва проводников в конденсированных средах: Дис. ... к.т.н. Томск, 1996. 129 с.

3. Ильин А. П., Назаренко О. Б. Модифицирование минеральных масел электрическим взрывом проводников // Высоковольтные техника и электротехнология: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 1. Иваново, 1997. С. 71-73.

4. Патент № 1730842. Ильин А. П., Краснятов Ю. А., Елизаров А. В., Чернов М. Г. Смазочный состав. Приор. от 14.02.1990.

5. Патент № 2132363. Ильин А. П., Петрунин В. Ф. Металлоплакирующий смазочный состав. Приор. от 24.04.1997.

6. Ильин А. П., Медведев Г. А., Петрунин В. Ф. Динамические эффекты в процессе трения при плакировании ультрадисперсными порошками // Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем: Тез. докл. VI Всерос. конф. М.: МИФИ, 2002. С. 397.

7. Ильин А. П., Назаренко О. Б., Рихерт С. В. Влияние суспензии «моторное масло + смесь нанопорошков меди и никеля» на трибологические свойства пары трения «углеродистая сталь - низколегированная сталь» // Изв. ТПУ. 2004. Т. 307, № 3. С. 77-79.

8. Ильин А. П., Яблуновский Г. В., Громов А. А. Об активности порошков алюминия // Физика горения и взрыва. - 2001. - Т. 37. - № 4. - С. 58-62.

© Г. В. Шувалов, В. Н. Половинкин, И. В. Минин, О. В. Минин, И. В. Клековкин, А. П. Ильин, О. А. Ясырова, 2014