Департамент науки ТГТУ

обновлено 19.09.2021 

Номер соглашения РФФИ: 19-38-90159 от 30.08.2019г.

Сроки выполнения проекта: 01.10.2019 - 30.09.2021

Размер гранта: 1 200 000 рублей

Цель проекта –получение теоретически обоснованных и экспериментально подтвержденных основных закономерностей процесса жидкофазной сдвиговой эксфолиации кристаллического графита в синтетическом масле и, на их основе, выработка рекомендаций для организации промышленного экологически безопасного производства модифицированного графеновыми нанопластинками синтетического масла и пластичных смазок с повышенными, не менее чем в 1,5 раза, трибологическими характеристиками..

Задачи проекта:

1. Разработка методики проведения экспериментальных исследований кинетики процесса жидкофазной сдвиговой эксфолиации графита.
2. Модернизация лабораторного роторного аппарата для проведения процесса с целью увеличения числа варьируемых параметров и расширения диапазонов их изменения.
3. Совершенствование методики определения массовой концентрации графеновых нанопластинок в синтетических маслах в процессе эксфолиации.
4. Разработка экспресс-метода определения концентрации графеновых нанопластинок в синтетическом масле на базе эффекта разной величины поглощения света частицами с разным числом графеновых слоев.
5. Проведение процесса жидкофазной сдвиговой эксфолиации при постоянной концентрации графита в исходной суспензии и варьируемых геометрических и режимных параметрах роторного аппарата (диаметры ротора и статора, количество подвижных лопастей, скорость вращения ротора), с целью определения общих закономерностей процесса.
6. Теоретический анализ результатов предварительных экспериментов, создание физической модели процесса свиговой эксфолиации, разработка математической модели на базе аппарата случайных марковских процессов, с целью минимизации последующих экспериментов.
7. Идентификация параметров математической модели и проверка ее адекватности.
8. Корректировки методики экспериментальных исследований.
9. Проведение экспериментальных исследований с варьированием параметров, наиболее существенно влияющих на процесс эксфолиации, включая концентрацию графита в исходной суспенции.
10. Анализ полученных результатов и теоретическое обоснование предельных значений концентраций графеновых наноструктур в масляной суспензии, при которых интенсивность процесса агломерации графеновых нанопластинок становится больше интенсивности их образования.
11. Проверка теоретических предположений с использованием разных синтетических масел.
12. Приготовление пластичных смазок на основе синтетических масел, модифицированных графеновыми нанопластинками.
13. Экспериментальное определение трибологических характеристик модифицированных синтетических масел и пластичных смазок и сравнение их со стандартными образцами.
14. Выработка рекомендаций по реализации полученных результатов в промышленных масштабах.

Ожидаемые по окончании проекта научные результаты

В результате выполнения проекта будут получены: теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные основные закономерности процесса жидкофазной сдвиговой эксфолиации кристаллического графита в синтетическом масле и, на их основе, выработаны рекомендации для организации промышленного экологически безопасного производства модифицированного графеновыми нанопластинками синтетического масла и пластичных смазок с повышенными, не менее чем в 1,5 раза, трибологическими характеристиками.

Содержание по 1 этапу: (проделано)

• Разработана методика проведения экспериментальных исследований кинетики процесса жидкофазной сдвиговой эксфолиации графита.
• Проведена модернизация лабораторного роторного аппарата для проведения процесса с целью увеличения числа варьируемых параметров и расширения диапазонов их изменения.
• Усовершенствована методика определения массовой концентрации графеновых нанопластинок в синтетических маслах в процессе эксфолиации.
• Разработан экспресс-метод определения концентрации графеновых нанопластинок в синтетическом масле на базе эффекта разной величины поглощения света частицами с разным числом графеновых слоев.
• Проведены эксперименты по жидкофазной сдвиговой эксфолиации при постоянной концентрации графита в исходной суспензии и варьируемых геометрических и режимных параметрах роторного аппарата (диаметры ротора и статора, количество подвижных лопастей, скорость вращения ротора), с целью определения общих закономерностей процесса.
• Подготовлена статья для публикации в «Вестник ТГТУ» (журнал входит в перечень ВАК. Статья принята к публикации).
• Сделаны два доклада на Международной научно-практической конференции «Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2020» (ICMSSTE 2020), 25-29 мая 2020, Ялта, Россия: доклад №067: Z. A.A. Alhilo, V. Pershin, A. Osipov «Kinetics of liquid-phase shear exfoliation of graphite in synthetic oils», доклад № 070 Z. A.A. Alhilo, G. Zhumagalieva, T. Pasko «Environmentally friendly technology for the modification of lubricants with graphene nanostructures» (https://icmsste.ru/index.php/ru/materialy-konferentsii/9-2020/23-zapisi-onlajn-konferentsii)

Результаты на втором этапе работ:

Проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов получения графеновых пластин методом жидкофазной сдвиговой эксфолиации графита и модифицирования этими пластинами пластических смазок. Установлено, что интенсивность процессов эксфолиации и гомогенизации увеличивается на 50% при периодическом изменении на 90 градусов направления движения смеси пластичной смазки с механоактивированным графитом в малом зазоре (менее 0,1мм) между неподвижным и вращающимся ступенчатыми дисками, что послужило основанием для разработки способа получения графеносодержащих суспензий и устройства для его реализации.

Получены аналитические зависимости для расчета скоростей и траекторий движения смеси пластичной смазки и графеновых пластин, в малом зазоре между неподвижным и вращающимся ступенчатыми дисками, диаметра и скорости вращения дисков, производительности и мощности привода диспергатора.

С использованием математического аппарата случайных марковских процессов разработана модель процессов эксфолиации и смешивания графеновых наноструктур с пластичной смазкой, которая, за счет декомпозиции процессов измельчения и смешивания на радиальную и окружную составляющие, позволила обосновать целесообразность параллельной загрузки смазки и графенового концентрата, рассчитать сочетание геометрических и режимных параметров, обеспечивающих заданную производительность и однородность готовой смеси.

Установлены предельные значения концентраций графеновых пластин в маслах в зависимости от числа слоев при эксфолиации графита и определены диапазоны изменения режимных параметров, при которых рост концентрации графеновых пластин в масляной суспензии линеен, т.е. интенсивность процесса эксфолиации не снижается, так при скоростях сдвига от 104 с-1 до 105 с-1, концентрации графита в исходной смеси от 5 до 20 %, числе циклов обработки суспензии от 30 до 60, предельная концентрации графеновых пластин, со средним числом слоев 10, составляет от 5 до 7 мг/мл.

Определены оптимальные концентрации графеновых пластин в пластичных смазках (от 0,05 до 0,4 мас. %) на основе углеводородных и кремнийорганических синтетических масел, а также сложных эфиров, в том числе работоспособных при температуре минус 70 градусов Цельсия и достигнуто улучшение трибологических характеристик этих смазок, в частности, для комплексной литиевой смазки: коэффициент трения уменьшен на 60 %; диаметр пятна износа уменьшен на 35 %; индекс задира увеличен на 14 %; критическая нагрузка увеличена на 36 %; нагрузка сваривания увеличена на 114 %.

Разработан экологически чистый способ получения графеносодержащих суспензий и устройство для его осуществления, позволяющий в 2 раза увеличить производительность по сравнению с прототипом (патент РФ № 274323).