AP26100207 «Разработка технологии получения экологически чистых наномодифицированных смазочно-охлаждающих жидкостей на основе растительных масел»
SDG #12
项目负责人
Степанова Ольга Александровна, НАО «Шәкәрім университет», заведующая кафедрой «Техническая физика и теплоэнергетика», кандидат технических наук, профессор
相关性
Мировой рынок смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) по-прежнему доминируют синтетические и нефтяные продукты (до 2/3), применение которых связано с существенными экологическими рисками: загрязнением поверхностных и грунтовых вод, воздуха и почв, а также косвенным влиянием на продовольственную безопасность и здоровье населения. На этом фоне актуальна разработка технологии получения экологически чистых наномодифицированных СОЖ на основе растительных масел с перспективой применимости в MQL-системах (минимальное количество смазки). Биоразлагаемость растительных основ снижает токсическую нагрузку на окружающую среду, а повышенная теплопроводность и улучшенные трибологические свойства, достигаемые за счёт нанодобавок (Al2O3, TiO2, MWCNT, Cu, Ag), обеспечивают более эффективное охлаждение и смазку зоны резания при минимальных расходах. Комплексное исследование широкого спектра растительных масел (кокосового, соевого, касторового, подсолнечного, рапсового, пальмового, жожоба) и подбор оптимальных нанокомпонентов создаёт научно и практически значимую альтернативу минеральным СОЖ, направленную на снижение экологического следа металлообработки.
目标
Модификация смазочно-охлаждающих жидкостей на основе растительных масел наночастицами с целью получения экологически чистых наножидкостей для использования при механической обработке металлов.
预期结果
1. Разработан способ получения наномодифицированных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) на основе растительных масел.
2. Совмещение полученного состава с технологией MQL (смазка минимальным количеством) обеспечивает экологическую чистоту используемых при механической обработке металлов СОЖ.
3. Получены данные о требуемых физических и химических свойствах СОЖ для систем MQL.
4. Изучены особенности применения растительных масел в технологии MQL.
5. На основании полученных данных разработана и оптимизирована методика синтеза наномодифицированных СОЖ.
6. Определён оптимальный состав СОЖ и эффективная концентрация наночастиц, а также разработана технология наномодификации смазочно-охлаждающих жидкостей.
7. Установлен эффективный способ стабилизации наножидкостей.
8. Исследованы теплопроводность и вязкость различных составов наномодифицированных СОЖ.
9. Определена температурная зависимость данных свойств и стабильность полученных наножидкостей.
10. Проведены экспериментальные исследования процессов механической обработки (резания) металлов в среде наномодифицированных СОЖ.
11. Отработаны различные технологические режимы подачи наномодифицированных СОЖ.
12. Изучены свойства обработанной поверхности металлов после применения различных составов СОЖ.
13. Выполнен анализ полученных данных и определены основные проблемы, влияющие на эффективность применяемых СОЖ.
14. С учётом выявленных проблем усовершенствованы состав и технология получения наномодифицированных СОЖ.
15. Проведены повторные эксперименты с усовершенствованными составами наножидкостей.
16. Выполнен сравнительный анализ свойств обработанных поверхностей и эффективности различных составов СОЖ.
17. Смоделирован процесс теплообмена при резании металлов в среде наномодифицированных СОЖ с учётом полученных экспериментальных данных.
18. Разработаны рекомендации по применению наномодифицированных СОЖ при механической обработке материалов.
19. По результатам проекта планируется публикация не менее трёх (3) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в базе Web of Science (Science Citation Index Expanded) и (или) Scopus, входящих в квартиль Q1–Q3 или имеющих CiteScore не ниже 60 процентиля.
20. Запланирована публикация не менее двух (2) статей или обзоров в рецензируемых зарубежных или отечественных изданиях, рекомендованных КОКНВО, одна из которых должна относиться к мультидисциплинарной категории (multidisciplinary).
21. Для отечественных журналов из списка 1 КОКНВО, не относящихся к категории multidisciplinary, засчитываются издания из списков 1 и 2 КОКНВО, индексируемые в двух и более категориях.
22. Результаты проекта будут реализованы в форме публикаций в следующих журналах:
- Wear (Scopus CiteScore 88%, Web of Science Q1), издательство Elsevier;
- Results in Engineering (Scopus CiteScore 82%, Web of Science Q1), издательство Elsevier;
- Journal of Manufacturing Processes (Scopus CiteScore 89%, Web of Science Q1), издательство Elsevier;
- а также в других рецензируемых научных изданиях, индексируемых в Science Citation Index Expanded и (или) Scopus (CiteScore ≥ 60%).
23. Для отечественных публикаций запланировано размещение материалов в журналах:
- Доклады Национальной академии наук Республики Казахстан (список 2 КОКНВО, физико-химические науки);
- Вестник НЯЦ РК (список 2 КОКНВО, физические науки);
- Вестник ВКТУ им. Д. Серикбаева (список 2 КОКНВО, междисциплинарный журнал по направлениям: инженерия, ИКТ, архитектура и строительство).
24. В рамках проекта запланирована подготовка одного PhD-доктора, тема исследования которого напрямую связана с тематикой проекта.
25. Результаты исследования будут освещены в средствах массовой информации и представлены на зарубежных и отечественных научных конференциях для апробации и распространения результатов.
26. Область применения проекта — машиностроение.
27. Полученные наномодифицированные СОЖ будут обладать экологически безопасными свойствами, что является важным фактором для защиты окружающей среды и достижения целей устойчивого развития.
28. Практическая значимость проекта заключается в разработке технологии получения экологически чистых СОЖ, предназначенных для замещения токсичных и неразлагаемых минеральных жидкостей, применяемых в промышленности.
已实现的结果
- Получены данные к требуемым свойствам СОЖ в MQL системах. Исследована особенность растительных масел при использовании данной технологии. Эти данные учтены при синтезе наномодифицированных СОЖ.
Выявлены особенности применения растительных масел как базовой жидкости (влияние на теплопроводность, вязкость, и теплоотвод). На основе анализа экспериментальных данных уточнены ориентиры по свойствам для последующего синтеза наножидкости с наночастицами Al2O3, TiO2, MWCNT, Cu и Ag: для базовых растительных масел принята область кинематической вязкости порядка 20-50 мм2/с при 40 °С, а для наночастиц Al2O3 и TiO2 - рабочий диапазон концентраций около 0,5-1,0 wt.% (при котором достигается прирост теплопроводности на ~15-40 % и не происходит чрезмерного роста вязкости); для MWCNT целесообразны малые дозы порядка 0,1-0,3 wt.%, для Cu - около 0,2-0,5 wt.% и для Ag - порядка 0,6 wt.% в растительной основе с ПАВ. Эти результаты приняты как исходные данные для синтеза наномодифицированных СОЖ и выбора оптимальных рецептур под MQL.
- Получен оптимальный состав СОЖ, определена эффективная концентрация наночастиц, а также отработана технология наномодификации СОЖ. Определен эффективный способ стабилизации наножидкостей.
Для наночастиц в диапазоне концентраций 0,5-1,0 wt.% были проведены эксперименты, по результатам которых была выделена оптимальная область, и получены следующие данные:
- Эффективные концентрации. Для Al2O3/ TiO2 установлен рабочий диапозон 0.5-1.0 wt%: при 0.5 wt% Al2O3 наблюдается наилучшее соотношение трибологического эффекта и вязкости; дальнейший рост концентрации до ≥1 wt% повышает вязкость и риск адгезионного износа локально повышает адгезионный износ.
Для наночастиц меди показана работоспособность в диапазоне 0,2-0,5 wt.%, при котором фиксируется уменьшение сил резания и параметра шероховатости Ra.
Для наночастиц серебра на базе растительного масла с добавлением ПАВ Tween-80 установлена оптимальная концентрация около 0,6 wt.%, при которой достигается существенное снижение параметра шероховатости поверхности Ra по сравнению как с сухой обработкой, так и с аналогичной базовой жидкостью без наночастиц серебра.
- Технология наномодификации СОЖ. Отработана двухступенчатая схема диспергирования: механическое перемешивание → ультразвук 30-60 мин с последующей ПАВ-стабилизацией.
Показано, что CTAB/SDBS/Tween-80 обеспечивают длительную дисперсную устойчивость и рост теплоотдачи; увеличение времени ультразвука до ~60 мин повышает стабильность без заметной деградации наночастиц.
- Для масляных систем для стабилизации целесообразно сочетать ПАВ (CTAB/SDBS/Tween-80, при необходимости - олеиновая кислота) с ультразвуковой обработкой и контролем дисперсности.
- Изучены теплопроводность и вязкость различных составов наномодифицированных СОЖ. Определена температурная зависимость этих свойств, а также устойчивость получаемых наножидкостей.
Получены следующие результаты:
- Теплопроводность (λ).
Зафиксирован прирост λ у растительных базовых масел при введении наночастиц в малых концентрациях: ~+15-40 % в зависимости от типа частиц и объёмной доли (φ≤1 %), с наибольшими эффектами у гибридных составов и углеродных наночастиц (MWCNT).
- Вязкость (μ).
Показано, что μ возрастает с ростом концентрации наночастиц, но уменьшается с повышением температуры. Для растительно-масляных Al2O3-наножидкостей экспериментально подтверждён рост μ при увеличении φ и спад μ при нагреве, при этом подбирались диапазоны концентраций, обеспечивающие технологическую подачу в MQL (без засорения форсунок).
- Температурные зависимости λ(T) и μ(T).
Экспериментально установлено, что при нагреве (рабочий диапазон температур MQL) λ(T) растёт, а μ(T) снижается, что улучшает теплоотвод и прокачиваемость; для MWCNT- и гибридных систем эффект на λ(T) выражен сильнее за счёт высокой теплопроводности наночастиц и термодисперсионных эффектов.
- Исследования устойчивости показали, что наножидкости на базе растительных масел в том же диапазоне концентраций наночастиц демонстрируют значительно более высокую стабильность в сравнении с наножидкостями на основе воды в связи с повышенной вязкостью растительных масел.
科学团队
Степанова Ольга Александровна
НАО «Шәкәрім университет», Заведующий кафедрой «Техническая физика и теплоэнергетика», кандидат технических наук / профессор
Касымов Аскар Багдатович
НАО «Шәкәрім университет», Член Правления – проректор по стратегии и социальному развитию, PhD
Бектемисов Ануар Алмасбекович
НАО «Шәкәрім университет», PhD докторант образовательной программы «Техническая физика»
Ермоленко Михаил Вячеславович
НАО «Шәкәрім университет», Старший преподаватель кафедры «Техническая физика и теплоэнергетика», кандидат технических наук, ассоциированный профессор (доцент)
Умыржан Темірлан Нұрланұлы
НАО «Шәкәрім университет», PhD докторант образовательной программы «Техническая физика»
Акишов Жандос Қайрбекұлы
НАО «Шәкәрім университет», PhD докторант образовательной программы «Техническая физика»
Жамбаева Маржан Қанатқызы
НАО «Шәкәрім университет», PhD докторант образовательной программы «Техническая физика»
Астемесова Каламкас Сериковна
Заведующая кафедрой Общей физики Института энергетики и машиностроения им. А. Буркитбаева
Мануленко Антон Иванович
НАО «Шәкәрім университет», инженер кафедры «Техническая физика и теплоэнергетика»
Байсакалова Гульшат Ескалиевна
Бухгалтер
关于项目
当时的项目
АР27508635 «Анализ конкурентоспособности казахстанского производства говядины: сравнение параметров туш, качества мяса и стандартов безопасности с подходами, используемыми в США»
Болкенов Бакытжан Тургазыевич, НАО «Шәкәрім университет», Ph...
AP25796649 «Разработка инновационных технологий производства курта с использованием вторичного молочного сырья»
Жакупбекова Шугыла Кадыровна НАО «Шәкәрім университет», пост...
AP25796807 «Гельминтозы сайгаков и разработка ветеринарно-профилактических мероприятий в условиях неволи»
Қожаева Айгерім Романқызы, НАО «Шәкәрім университет», Shakar...
AP25796077 «Роль казахской эмиграционной прессы в формировании интеллектуального дискурса»
Ұшқын Сәйдірахманұлы, научный сотрудник НАО «Шәкәрім универс...
AP25794135 «Разработка математической модели и аналитической системы для прогнозирования эффективности производства чистого биогаза»
Шакерхан Қапан Оралғазыұлы, НАО «Шәкәрім университет», старш...
联系
科学部门:
+7 (7222) 31-31-75
science@shakarim.kz