Ultratenké vrstvy z etanolamínu – energeticky efektívne mazacie látky bez potreby údržby

Etanolamíny nachádzajú uplatnenie v tribológii ako antikorózne aditíva pri opracovaní kovov a ako mazacie a chladiace látky. Cieľom štúdie bolo vypracovanie experimentálne podloženej teórie mazacích vlastností etanolamínov od nano- cez mikro- až po makrooblasť. Skúmané boli tri rôzne oligoméry etanolamínu (mono-, di- a trietanolamín) pomocou troch rôznych metodík: tribometra gulička - kotúč (makroskopicky), mikrotribometra (mikroskopicky) a pomocou riadkovacieho elektrónového mikroskopu (nanoskopicky). Pri všetkých troch skúšobných metód vykazuje oligomer špecifickú mazaciu schopnosť: monoetanolamíny sa javia za daných podmienok ako najlepšie mazadlá, dietanolamín sa nachádza niekde v prostriedku a trietanolamín najmenej redukuje trenie. Pozorovanie pomocou riadkovacieho elektrónového mikroskopu a fotoelektróno spektroskopické merania podporujú tieto výsledky: sila potrebná na oddeľovanie častíc je pri monoetanolamíne najmenšia. Príčina spočíva v tom, že povrchová energia sa vplyvom aditív zvyšuje, v dôsledku čoho sa tri oligomery, ktoré obsahujú rôzny počet hydroxylových skupín, viažu rôznou silou.

 

Etanolamíny (obr. 1) sú vo vode rozpustné aditíva. Nanotribologické výskumy pomocou riadkovacieho elektrónového mikroskopu ultratenkých vrstiev z mono-, di- a trietanolamínu ukazujú, že etanolamíny disponujú špecifickými, od typu oligomeru závislými mazacími vlastnosťami. Rovnako fotoelektrónospektroskopické pozorovania ukazujú rozdiely v chemickej sorpcii molekúl na povrchu (meď) závislé od typu oligomeru. Mikrotribologické experimenty a skúšky na „Ball-on-Disc" tribometri na etanolamínoch to potvrdzujú. Cieľom tejto štúdie je experimentálne podložená teória mazacích vlastností etanolamínov v nano-, mikro- a makrooblasti. Etanolamíny sa používajú ako čistiace substancie. V tribológii nachádzajú uplatnenie ako protikorózne aditíva pri obrábaní kovov a ako chladiace a mazacie prostriedky. Na medi, oceli a kremíku tvoria „self-assembled" monovrstvy rôznej kvality (tzn. existujú rozdiely v stupni pokrytia).

 

Obr. 1: Mono-, di- a trietanolamín



MATERIÁLY A SKÚŠOBNÁ METODIKA
V nanoškále: riadkovací elektrónový mikroskop
Kremíkové doštičky boli potiahnuté tenkou vrstvou (cca 150nm) Cu (Plasmasputtering, Eisenmenger-Sitter, Institut für Festkörperphysik, TU Wien). Kontrolné experimenty boli uskutočnené v dvojnásobne destilovanej vode. Nadväzne boli vo vode rozpustené mono-, di- alebo trietanolamíny (koncentrácia 250ppm) a pomocou sklenej striekačky vstreknuté cez Luerove fitingy do uzatvorenej buňky rastrovacieho elektrónového mikroskopu typu MFP-3D so špičkovou optikou (Asylum Research, Santa Barbara, CA, USA). Boli použité cantilever (konzoly) zo siliciumnitridu s pružinovou konštantou 0,001 N/m, frekvencia fres = (4 - 10) kHz, odozva bola zvolená 3,3nN. Experimenty sa uskutočnili v kontaktnom moduse; uhol riadkovania činil 90 stupňov, aby sa dal zaznamenať trecí signál.
Hodnoty trenia boli najprv zisťované na nemazaných medených platničkách, potom v prostredí roztoku etanolamín-voda. Merania v prostredí etanolamín-voda boli naštartované najskôr za 20 minút po aplikácii oligomerov, aby bol dostatok času na vytvorenie vrstvy na medenom povrchu.
Pri pozorovaní na riadkovacom elektrónovom mikroskope na etanolamínoch činila dráha konzol (Cantileverweg) 2 mikrometre.

V mikroškále: mikrotribometer
Pri experimentoch pomocou mikrotribometra FALEX-MUST 2D-FM (obr. 2) bola použitá gulička z ocele 100Cr6 (ČSN 14109 - poznámka prekladateľa) priemeru 3mm. Zaťaženie sa pohybovalo v rozmedzí 1mN a 1N. Oceľová gulička bola prilepená na 2-D snímač sily, dva fibrové optické senzory (FOS, obr. 2) merali normálnu a tangenciálnu silu. Gulička sa pohybovala proti vzorke rýchlosťou 5mm/s, zdvih činil 7mm, počet cyklov 10.


Obr. 2: Mikrotribometer FALEX-MUST 2D-FM


V makroškále: tribometer gulička - kotúč
Pre experimenty pomocou tribometra gulička - kotúč bol použitý tribometer T-10 od firmy SKF z Výskumného ústavu v Holandsku. Testovacie parametre sú uvedené v tabuľke 1.

 

Tabuľka 1: Skúšobné parametre tribometra gulička - kotúč

Výsledky
Všetky tri skúšobné metódy vykázali rovnaké výsledky: monoetanolamíny sú za daných podmienok najlepšie mazadlá, dietanolamín sa pohybuje v strede a trietanolamín redukuje trenie najmenej. Ďalej u trietanolamínu vzniká silná korózia (síce menej ako u čistej vody, ale viac ako pri obodvoch zvyšných oligomeroch.

 

Obr. 3: Hodnoty trecích síl (FFV) v čistej dvojnásobne destilovanej vode a v dvojnásobne destilovanej vode s rôznymi etanolamínmi

 

V nanoškále: riadkovací elektrónový mikroskop
Relatívna redukcia trecích síl porovnaná s dvojnásobne destilovanou vodou je 76 % u monoetanolamínu, 65 % u dietanolamínu a 35 % u trietanolamínu (obr. 3). Aj silové krivky (rasterspektroskopické pozorovania) ukazujú výrazné rozdiely medzi skúmanými oligomermi. Reprezentatívne silové krivky sú vidno na obr. 4. Obrázok 5 znázorňuje zmenu povrchu po expozícii monoetanolamínom. Drsnosť povrchu je zredukovaná: v čistej destilovanej vode činí 3,59 ± 1,97nm r.m.s., v monoetanolamíne je to 0,89 ± 0,58nm r.m.s. Potvrdzujú to aj skénovacie čiary na obrázkoch 6 a 7.

 

Obr. 4: Elektrónová spektroskopia na etanolamínoch

Obr. 5: vľavo: čistá voda, AFM topografia, vpravo: voda s monoetanolamínom, 20 minút po aplikácii, AFM topografia

Obr. 6: Skénovacia čiara v čistej vode, AFM topografia

Obr. 7: Skénovacia čiara vo vode s monoetanolamínom, 20 minút po aplikácii, AFM topografia


V mikroškále: mikrotribometer
Redukcia koeficientu trenia v porovnaní s čistou, dvojnásobne destilovanou vodou činí pre monoetanolamín 63 %, pre dietanolamín 44 % a pre trietanolamín 25 % (obr. 8).

 

Obr. 8: Výsledky meraní na mikrotribometri pre koeficient trenia pri rôznych etanolamínových oligomeroch

V makroškále: tribometer gulička oproti kotúču
Aj tieto experimenty potvrdili preukázali výsledky: redukcia koeficientu trenia je najväčšia u monoetanolamínu (obr. 9).

 

Obr. 9: Výsledky meraní na tribometri guľka oproti kotúču pre koncentráciu etanolových oligomerov 0,025% (250ppm) v dvojnásobne destilovanej vode

Diskusia výsledkov
Fotoelektrónospektroskopické pozorovania v etanolamínových oligomeroch na medi a oceli potvrdzujú vyššieuvedené výsledky: dusík sa chemicky viaže na povrchu (chemisorpcia) a hydroxylové skupiny sú na hornej strane tenkých mazacích vrstiev.
Aj silové spektroskopické pozorovania ukazujú, že sila potrebná na oddeľovanie častíc je u monoetanolamínu najmenšia. Zdôvodniť sa to dá zvýšením povrchovej energie pridaním aditív, v dôsledku čoho tri oligomeri, ktoré majú rôzny počet hydroxylových skupín, sú naviazané rôznou silou.

 

 

Dieser Artikel ist eine Übersetzung von "Ultradünne Schichten aus Ethanolamin Energieeffiziente wartungsarme Schmierstoffe"

Autorinnen: A. Tomala, N. Doerr, I. C. Gebeshuber erschienen im Expert, Verlag, Zeitschrift "Tribologie und Sc h mierungstechnik" (Herausgeber Professor Wilfried J. Bartz), Ausgabe 5/2009, Seiten 29 bis 32."

 

A.Tomala, N. Doerr , I. C. Gebeshuber,
Institute of Microengineering and
Nanoelectrinics, University Kebangsaan
Malaysia

 

 

Späť

Tribotechnika_5_2018

TriboTechnika_5_2018 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd