Dzięki odpowiedniej strukturze materiału można poprawić własności smarne i w ten sposób wydłużyć okresy między naprawami, zmniejszyć zużycie energii, a tym samym koszty.
Wbrew pozorom nanotechnologia to nie wynalazek ostatnich lat, jednak dopiero od niedawna jest powszechniej stosowana w środkach smarnych.
Początki i rozwój nanotechnologii
Historia nanotechnologii sięga 1962 r., kiedy to rosyjscy naukowcy zaczęli szukać możliwości uzyskania odpowiedniej struktury materiałów, tzw. nanodiamentów. Udało im się je uzyskać za pomocą kontrolowanych wybuchów w zbiornikach ciśnieniowych zawierających węgiel – miały one wielkość od 4 do 10 nanometrów. Następnie ekstrahowano z sadzy potrzebny materiał, który okazał się świetnym dodatkiem do środków smarnych. Materiał był odporny na bardzo wysokie i bardzo niskie temperatury, a także na warunki atmosferyczne. Ponieważ metoda była bardzo droga, na początku skupiono się na zastosowaniach kosmicznych.
Cywilne zastosowanie nanodiamentów rozpoczęło się po okresie zimnej wojny. Roczna produkcja takich struktur w 2008 r. wyniosła 8 ton. Obecnie liczba ta jest znacznie większa, a rynek dodatków nanotechnologicznych oceniany jest na kilka mld dolarów rocznie. Stosuje się je jako dodatki do smarów i olejów, ale także w procesach galwanicznych oraz w farmacji – do precyzyjnego dostarczania mikroskopijnych dawek leków wprost do chorych komórek. Wytwarza się filtry, stosuje w przemyśle spożywczym do pakowania (wydłuża to okres przydatności do spożycia), dodaje do środków czyszczących.
Czym jest nanotechnologia?
Nanotechnologia to ogólna nazwa zestawu technik i technologii tworzenia struktur o rozmiarach nanometrycznych, a więc na poziomie pojedynczych cząstek i atomów. Uważa się, że rozmiar nanometryczny to taki, w którym rozmiar struktury koreluje z właściwościami fizycznymi materiału. Ogólnie można przyjąć, że nanotechnologia to m.in. inżynieria materiałowa, chemia, biochemia oraz inne nauki przyrodnicze.
Jak podaje firma Voigt, do struktur nanotechnologicznych można zaliczyć:
● materiały zerowymiarowe – zbudowane z osnowy, w której znajdują się cząstki nanometryczne (kropki kwantowe, materiały nanoheterogeniczne),
● materiały jednowymiarowe – przede wszystkim warstwy i powierzchnie zbudowane z jednej lub kilku substancji nanometrycznych – używane głównie w elektronice,
● materiały dwuwymiarowe – takie jak rurki i druty, mają doskonałe własności elektryczne i mechaniczne (nanorurki),
● materiały trójwymiarowe – nanocząsteczki (nano- krystaliczne).
Nanotechnologia wkracza w coraz więcej dziedzin. Są to zarówno produkty dla przemysłu, jak i codziennego użytku. Znane od jakiegoś czasu preparaty srebrowe mimo śladowej ilości jonów srebra działają dezynfekująco, bakteriobójczo, odkażająco czy nawet kosmetycznie i leczniczo.
Nanopreparaty zawierające miedź z kolei wykazują silną grzybobójczość, osiąganą przy stężeniach tysiąckrotnie mniejszych od preparatów stosowanych w ochronie roślin, drewna czy w budownictwie.
Wodne koloidy nanosrebrowe i nanomiedziane są stosowane w odkażaniu i uzdatnianiu wody, przeciwbakteryjnym zabezpieczaniu odzieży, konserwacji oraz przedłużaniu czasu przechowywania żywności, kosmetyce, dezynfekcji urządzeń pracujących w kontakcie z żywnością do zastosowań w zakładach mleczarskich, mięsnych, przetwórstwa owoców i warzyw, ochronie inwentarza żywego od farm zwierzęcych po stawy rybne.
Jak to działa?
Struktury nanometryczne są bardzo małe, a jednocześnie mają swoiste właściwości chemiczne. Przy tak małych rozmiarach istnieje ścisła współzależność między wielkością fizyczną, jaką jest rozmiar, a właściwościami chemicznymi. Cząsteczki odpowiednich materiałów (srebra, miedzi, złota i innych) mogą tworzyć struktury niemal jednowymiarowe, a ich penetracja jest niezwykle skuteczna. Ma na to wpływ oczywiście rozmiar cząsteczki.
Zobrazujmy te wielkości: jeśli przyjęlibyśmy, że cząsteczka nano o rozmiarze 10 nm ma wielkość 1 cm, mrówka miałaby wielkość 5 tys. km. Ten przykład uzmysławia, z jak niewielkimi strukturami mamy do czynienia. Zatem „zalepiają” one wszelkie nierówności, także te niewidoczne gołym okiem, a nawet pod silnymi mikroskopami mogą tworzyć struktury o tak gęstych „oczkach”, że stają się świetnymi filtrami.
Cząsteczki nanodiamentów w olejach sprawiają jednakże pewien problem – mają tendencję do skupiania się w większe cząstki („sklejają się” w tzw. aglomeracje). Dlatego w olejach stosuje się specjalne rozwiązania zapobiegające temu zjawisku. Każda cząsteczka zostaje otoczona soczewką oleju. Napięcie powierzchniowe takich soczewek powoduje odpychanie się cząstek jedna od drugiej. Ułatwia to przemieszczanie się cząstek oleju. Napięcie powierzchniowe oleju sprawia, że standardowy olej utrzymuje się tylko na powierzchni metalu, nie wnika w jego mikropory. Wskutek tarcia olej rozgrzewa się, a zanieczyszczenia i drobinki metalu osadzają się w takich mikroporach i powodują korozję oraz – przy większych ich ilościach – zwiększone tarcie. Natomiast olej z nanocząsteczkami powoduje szczelne wypełnienie każdej nierówności na powierzchni metalu, dzięki czemu zmniejsza się tarcie, a zanieczyszczenia nie osadzają się na takiej powierzchni.
Oleje z cząsteczkami nano stosuje się przede wszystkim tam, gdzie występują duże obciążenia (w przekładniach, silnikach spalinowych). Dzięki stosowaniu takich olejów zmniejsza się tarcie, wydłuża żywotność urządzenia (silnika), zwiększa moc, zmniejsza hałas, niższa jest temperatura pracy, łatwiejszy rozruch.
Praktyka
Spotyka się dwa rozwiązania nanocząsteczkowe. Jednym z nich są gotowe środki smarne przeznaczone do różnych zadań, innym – dodatki do stosowania z olejami i smarami. Coraz więcej firm ma tego typu produkty w swojej ofercie. Do takich należy np. Orlen Oil.
Wśród uniwersalnych smarów plastycznych firmy Orlen Oil na uwagę zasługuje SMAROL NANO, który nie tylko przylega do smarowanych powierzchni, ale dodatkowo chroni je przed dużymi obciążeniami, działaniem wilgoci, kwasów, zasad i bardzo wysoką temperaturą. Właściwości eksploatacyjne SMAROLA NANO, uzyskane dzięki unikatowym rozwiązaniom nanotechnologii, sprawiają, że stosowanie tego produktu jest zalecane szczególnie tam, gdzie występuje częsta zmiana kierunku ruchu lub połączenie małych prędkości i wysokich obciążeń oraz wysokich temperatur. Swobodnie można go stosować do smarowania elementów pojazdów i maszyn przemysłowych oraz rolniczych, a także przegubów homokinetycznych, łożysk tocznych i ślizgowych, zawiasów, gwintów itp.
Z kolei francuska firma ORAPI informuje, że jest pierwszym na świecie producentem linii specjalistycznych smarów i olejów w oparciu o sferycznie nieorganiczne nanocząsteczki wolframu disiarczku (WS2). Produkt tej firmy – NANOLUBRICANT – zmniejsza współczynnik tarcia o 2 do 10. Jest to wynik znacznie lepszy niż w przypadku stosowania konwencjonalnych smarów, szczególnie przy wysokich obciążeniach. Jego stosowanie wydłuża żywotność urządzeń oraz obniża koszty utrzymania i przestojów. Środki smarne NANOLUBRICANT są używane w lotnictwie, motoryzacji, hutnictwie, przemyśle papierniczym, kopalniach, w mechanice precyzyjnej, przemyśle chemicznym, petrochemicznym, szklarskim itd. Odrębne struktury nanocząsteczek i ich niewielki rozmiar powodują, że przylega on do porowatości powierzchni. W odróżnieniu od innych warstw cząstek stałych, takich jak grafit czy disiarczek molibdenu, cząstka NANOLUBRICANTU charakteryzuje się nierozszczepianiem struktury sferycznej, która gwarantuje idealny poślizg między powierzchniami.
Ciekawy produkt ma w ofercie firma XADO: XADO nanotechnologia Rewitalizacji. Ma on właściwości regenerujące i zabezpieczające, co pozwala obniżyć koszty nośników energii i samej energii, obniżyć emisję szkodliwych produktów i podnieść efektywność pracy.
XADO żele i smary Rewitalizanty mogą być wykorzystane na dowolnej powierzchni kontaktu metal-metal. Dzięki tym produktom uzyskuje się:
● kilkakrotne obniżenie wartości współczynnika tarcia,
● oszczędność kosztów energii do 30%,
● wygładzenie zaczernienia i korozji, wynikającej ze zużycia, na powierzchniach metalu w 90%,
● zabezpieczenie detali przed przyszłym zużyciem i korozją metalowo-ceramiczną warstwą, która wnika w powierzchnię na głębokość od 10 do 30 µm.
XADO Rewitalizant miesza się z dowolnym olejem – mineralnym, syntetycznym, smarem czy rodzajem paliwa płynnego. Jest chemicznie obojętny w odniesieniu do wyżej wymienionych środków i nie zmienia ich lepkości. Środki te są wykorzystane jako transport nanocząsteczek do powierzchni narażonych na tarcie.
Gdzie warto stosować takie dodatki? Do wysokociśnieniowych pomp paliwowych, łożysk przemysłowych i otwartych przekładni zębatych, sprężarek przemysłowych dowolnego rodzaju, przemysłowych układów hydraulicznych, przekładni przemysłowych i napędów, stacjonarnych silników wysokoprężnych, wentylatorów przemysłowych, wyciągów itd.
Produkty smarowe na bazie nanotechnologii uszlachetniające metal (smary i dodatki do olejów) oferuje także firma MCPOLSKA.PL. Z kolei PHU ISKRA poleca nanotechnologiczne modyfikatory tarcia i paliw firmy Archoil z USA. Firma Millers Oils przedstawiła nową serię olejów silnikowych z serii Motorsport o obniżonym tarciu – Nanodrive. Jednak oferta ta nie jest przeznaczona dla przemysłu, ale do nowoczesnych silników wyczynowych samochodów rajdowych i wyścigowych używanych w sportach motorowych.
Zagrożenia
Nanotechnologia to nie tylko rewelacyjny środek smarny, to także niezbadane dotychczas zagrożenia. Nie został dotąd sprawdzony wpływ nanocząsteczek na człowieka. Ze względu na swoje mikroskopijne rozmiary mogą się one zachowywać w sposób nieprzewidywalny. W związku z tym należy z dużą ostrożnością podchodzić do środków zawierających nanocząsteczki w takich obszarach, jak ich wytwarzanie, utylizacja, stosowanie, przechowywanie oraz transport.
Specjaliści podkreślają, że nanomateriały zachowują się zupełnie inaczej, kiedy tworzą większe cząsteczki, i charakteryzują się nowymi funkcjami. Dzięki swoim rozmiarom mogą przenikać przez fizjologiczne bariery do komórek (w tym także do mózgu). Są niezwykle aktywne chemicznie, co może być groźne dla ludzi (z powodu naruszenia mechanizmów obronnych). Tak więc do tej nowej technologii należy podchodzić z ostrożnością, mając w pamięci początkowy zachwyt nad azbestem i późniejsze konsekwencje jego stosowania.
Oprac. na podst. „Control Engineering”
Autor: Tomasz Kurzacz
