Новые биоразлагаемые смазочные материалы
Защита окружающей среды — от больших городов до Арктики
Смазочные материалы и разнообразные специальные жидкости на основе углеводородных масел нашли повсеместное применение в работе машин и механизмов, обеспечивая жизнь и функционирование промышленных предприятий и транспорта. Однако широта использования оборачивается проблемами рационального сбора и утилизации отработавшего материала, и даже неполное решение этих проблем наносит серьезный ущерб окружающей среде.
Фото: Евгений Павленко, Коммерсантъ
В Москве зарегистрировано порядка 8 млн автомобилей, 3,5 млн из которых ежедневно выезжают на улицы. Моторные, трансмиссионные и гидравлические масла машин требуют периодической смены, а это в силу невысокой культуры некоторых автолюбителей приводит к попаданию отслуживших масел в канализацию и почву. Подавляющее число масел как на минеральной, так и на синтетической основе не подвержены биоразложению и способны загрязнять почву в течение столетий, подавляя рост растений и микроорганизмов; другая проблема — формирование маслами тонких пленок на поверхностях водоемов города и сточных вод. Все это приводит к снижению биоразнообразия города и росту его трат из-за повышения нагрузки на водоочистные сооружения. Помимо автотранспорта потенциальными генераторами случайных или злонамеренных утечек вредных масел служат речные суда, промышленные объекты и малоразмерные двигатели садовой техники. Менее интенсивно, но все равно постепенно происходит загрязнение сельской местности, а также необжитых районов Крайнего Севера и Арктики — мест добычи полезных ископаемых.
Отработанные масла и пластичные смазки на их основе требуют сбора и утилизации. Однако возможно альтернативное решение — придание смазочным материалам свойства биоразлагаемости, то есть способности распадаться до безвредных веществ под действием микроорганизмов. Для этого нужно использовать жидкую масляную основу, содержащую в своем составе химические соединения с легко гидролизующимися сложноэфирными группами, и загуститель на базе либо природных
соединений, либо синтетических, но полученных также с образованием химических связей, способных к гидролизу. Сотрудники Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева Российской академии наук предложили в качестве такого загустителя использовать целлюлозу.
Целлюлоза — природный биополимер, дешевый, доступный и полностью разлагающийся в природных условиях. Проблема заключалась в гидрофильной природе целлюлозы, которая делает ее несовместимой с гидрофобными маслами, в том числе биоразлагаемыми, используемыми в качестве основ смазок: смесь целлюлозы и масла нестабильна, разделяется на два слоя с течением времени. Эта проблема была решена тремя способами.
Изображение частиц наноцеллюлозы, полученное с помощью атомно-силового микроскопа (слева), и распределение частиц наноцеллюлозы по размеру по данным динамического рассеяния света ее водной дисперсии (справа). Наночастицы целлюлозы имеют размеры 100–150 нм и формируют подобные облакам агрегаты
Первое решение заключалось в получении из целлюлозы наноразмерных частиц и их диспергировании в специально подобранном биоразлагаемом гидрофильном масле с низкой температурой застывания (патенты РФ №2695665 и №2692090).
Второе решение основывалось на придании стабильности дисперсиям частиц целлюлозы в обычном гидрофобном масле с помощью третьего компонента — микро- или наноразмерных частиц монтмориллонитовой глины, которые формировали каркас смазки (патенты РФ №2697057 и №2716499, статья в журнале Tribology International).
Третьим решением стало использование химически обработанной целлюлозы, которая благодаря модификации формировала устойчивый гель в одном из сложноэфирных масел (патент РФ №2708882).
Зависимости вязкости от напряжения сдвига для масла и пластичной смазки на основе этого же масла и наночастиц целлюлозы и глины. Возле кривых показаны соответствующие изображения поверхностей износа, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Масло является ньютоновской жидкостью — его вязкость не зависит от напряжения сдвига. Введение наночастиц в масло приводит не только к его загущению, но и принципиальному изменению характера течения: масло становится вязкопластичным — оно не течет при низких напряжениях (<10 Па) и становится текучим при высоких. Повышение вязкости и появление предела текучести у смазочного материала приводят к существенному снижению износа, оценить который можно путем сравнения диаметров пятен, остающихся после трения смазанных стальных шаров одного о другой.
Все три решения позволили получить устойчивые универсальные биоразлагаемые пластичные смазки, работоспособные в диапазоне температур от –60°С до +150°С. Их пластичность заключается в нетекучести при низких напряжениях, которая предотвращает истечение смазки из узлов трения и опосредованно повышает их вязкость, приводя к снижению износа трущихся поверхностей. Снижение износа обусловлено также наличием в смазке мягких частиц целлюлозы, которые играют роль барьера между движущимися стальными телами, на поверхности которых, кроме того, под действием высоких локальных температур и давлений может формироваться особая твердая пленка, защищающая сталь и снижающая энергозатраты на трение.
Изображения поверхности износа стального шара, полученные с помощью метода сканирующей электронной микроскопии (слева) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (справа). Цветами выделено преимущественное содержание на поверхности следующих элементов: железа (красный), углерода (зеленый), кремния (синий) и кислорода (голубой). Пластичная смазка на основе целлюлозы и глины формирует на поверхности стали стойкий защитный слой, снижающий износ и трение; при использовании для смазки чистого масла элементный состав поверхности до и после износа идентичен
В наши дни переход к экологичным, биоразлагаемым материалам на основе возобновляемого сырья является актуальным и отвечающим современным вызовам, обусловленным плохой экологией густонаселенных городов и все большим освоением территорий России. Новые способы обработки материалов позволяют перевести такие традиционные материалы, как глина и целлюлоза, в наноразмерную форму и решить прикладные материаловедческие задачи.