Особенности концентрационной зависимости несущей способности этанольных растворов карбоновых сфероидальных нанокластеров

Использование этанола в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания наряду с позитивными моментами имеет и отрицательные стороны. Существенными недостатками этанола в таком качестве являются невысокие противоизносные свойства изза низкой несущей способности. Низкая несущая способн...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2019
Автори:	Pilyavsky, V.S., Polunkin, Ye.V., Kameneva, T.M., Bereznitsky, Ya.A.
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine 2019
Теми:	этанольное моторное топливо двигатели внутреннего сгорания карбоновые нанокластеры несущая способность смазочных материалов сольватация надмолекулярная структура растворов
Онлайн доступ:	https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/43
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Catalysis and petrochemistry
Завантажити файл:

Репозитарії

Catalysis and petrochemistry

_version_	1872008995843080192
author	Pilyavsky, V.S. Polunkin, Ye.V. Kameneva, T.M. Bereznitsky, Ya.A.
author_facet	Pilyavsky, V.S. Polunkin, Ye.V. Kameneva, T.M. Bereznitsky, Ya.A.
author_institution_txt_mv	[ { "author": "V.S. Pilyavsky", "institution": "Институт биоорганической химии и нефтехимии им. В.П. Кухаря НАН Украины, Украина, 02094 Киев, ул. Мурманская, 1" }, { "author": "Ye.V. Polunkin", "institution": "Институт биоорганической химии и нефтехимии им. В.П. Кухаря НАН Украины, Украина, 02094 Киев, ул. Мурманская, 1" }, { "author": " T.M. Kameneva", "institution": "Институт биоорганической химии и нефтехимии им. В.П. Кухаря НАН Украины, Украина, 02094 Киев, ул. Мурманская, 1" }, { "author": "Ya.A. Bereznitsky", "institution": "Институт биоорганической химии и нефтехимии им. В.П. Кухаря НАН Украины, Украина, 02094 Киев, ул. Мурманская, 1" } ]
author_sort	Pilyavsky, V.S.
baseUrl_str	https://kataliz.org.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2021-12-10T12:30:42Z
description	Использование этанола в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания наряду с позитивными моментами имеет и отрицательные стороны. Существенными недостатками этанола в таком качестве являются невысокие противоизносные свойства изза низкой несущей способности. Низкая несущая способность этанола не позволяет обеспечить гидродинамический режим трения во фрикционных узлах топливоподающей аппаратуры и тем самым сокращает ресурс их работы. Рассмотрена суть понятия несущей способности, показано, что для жидких сред оно аналогично характеристике твердости для твердых тел. Оба эти свойства характеризуют пригодность материалов для эксплуатации в тех или иных условиях. В то же время, результаты исследований по изменению этих свойств в зависимости от варьирования состава материала, внешних условий и воздействий дают возможность устанавливать механизмы и закономерности превращений в объеме или в поверхностных слоях исследуемых материалов под влиянием различных факторов. Для повышения несущей способности в качестве присадок к этанольным топливам предложено использовать наноразмерные карбоновые кластеры сфероидального строения. Выявлен немонотонный мономодальный характер зависимости несущей способности этанольных растворов от содержания наноразмерных (5–40 нм) карбоновых сфероидальных кластеров. Показано, что с увеличением количества наночастиц в растворе несущая способность возрастает и достигает максимума при их массовой доле 0,01 %. При превышении этой пороговой концентрации несущая способность раствора уменьшается и приближается к значению, характерному для этанола без добавки. Обнаруженный экстремальный характер зависимости объяснили перестройкой надмолекулярной структуры жидкости под влиянием карбоновых наночастиц.
doi_str_mv	10.15407/kataliz2019.28.029
first_indexed	2026-03-12T15:49:59Z
format	Article
fulltext	Каталіз та нафтохімія, 2019, № 28 29 УДК 621.891 : 662.754 © 2019 https://doi.org/10.15407/kataliz2019.28.029 Особенности концентрационной зависимости несущей способности этанольных растворов карбоновых сфероидальных нанокластеров В.С. Пилявский, Е.В. Полункин, Т.М. Каменева, Я.А. Березницкий Институт биоорганической химии и нефтехимии им. В.П. Кухаря НАН Украины, Украина, 02094 Киев, ул. Мурманская, 1; тел.: (044) 559-71-81, e-mail: pilvs@ukr.net Использование этанола в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгора- ния наряду с позитивными моментами имеет и отрицательные стороны. Существенными недостатками этанола в таком качестве являются невысокие противоизносные свойства из- за низкой несущей способности. Низкая несущая способность этанола не позволяет обес- печить гидродинамический режим трения во фрикционных узлах топливоподающей аппа- ратуры и тем самым сокращает ресурс их работы. Рассмотрена суть понятия несущей спо- собности, показано, что для жидких сред оно аналогично характеристике твердости для твердых тел. Оба эти свойства характеризуют пригодность материалов для эксплуатации в тех или иных условиях. В то же время, результаты исследований по изменению этих свойств в зависимости от варьирования состава материала, внешних условий и воздействий дают возможность устанавливать механизмы и закономерности превращений в объеме или в поверхностных слоях исследуемых материалов под влиянием различных факторов. Для повышения несущей способности в качестве присадок к этанольным топливам предложено использовать наноразмерные карбоновые кластеры сфероидального строения. Выявлен немонотонный мономодальный характер зависимости несущей способности этанольных растворов от содержания наноразмерных (5–40 нм) карбоновых сфероидальных кластеров. Показано, что с увеличением количества наночастиц в растворе несущая способность воз- растает и достигает максимума при их массовой доле 0,01 %. При превышении этой поро- говой концентрации несущая способность раствора уменьшается и приближается к значе- нию, характерному для этанола без добавки. Обнаруженный экстремальный характер зави- симости объяснили перестройкой надмолекулярной структуры жидкости под влиянием карбоновых наночастиц. Ключевые слова: этанольное моторное топливо, двигатели внутреннего сгорания, карбоновые нанокластеры, несущая способность смазочных материалов, сольватация, надмолекулярная структура растворов В связи с ужесточением экологических требований к выбросам двигателей внутреннего сгорания, а также с целью расширения сырьевой базы, перспективно использование этанола в качестве моторного топлива. Однако при работе двигателей на этанольных топливах сокращается ресурс узлов трения топливной аппарату- ры из-за низкой несущей способности этанола [1, 2]. Несущая способность – важное свойство жидких смазочных материалов, которое состоит в их способ- ности воспринимать динамическое механическое нагружение во фрикционном зазоре без нарушения сплошности жидкого слоя [3]. Характеристикой несущей способности жидкости является предельная нагрузка, до которой не происхо- дит разрыв жидкостного слоя между контактирующи- ми поверхностями при стандартизированных условиях процесса трения (скорость скольжения, температура испытаний, время нагружения). Чем выше несущая способность смазочного материала, тем до более жест- ких условий сохраняется в паре трения гидродинами- ческий режим, тем меньше вероятность повреждения фрикционных поверхностей и тем больше долговеч- ность узлов трения при эксплуатации. Понятие несущей способности для жидких сред аналогично понятию твердости для твердых тел. Оба эти понятия являются характеристиками материалов, определяющими их пригодность для эксплуатации в тех или иных условиях. В то же время результаты ис- следований изменения этих характеристик в зависимо- сти от варьирования состава материала, внешних усло- вий и воздействий позволяют устанавливать механиз- мы и закономерности превращений в объеме или в поверхностных слоях исследуемых материалов под влиянием различных факторов. Принципиальная возможность повышения несущей способности этанола введением наноразмерных частиц https://doi.org/10.15407/kataliz2019.28.029 Каталіз та нафтохімія, 2019, № 28 30 была доказана нами экспериментально на примере модельных соединений с известными химической структурой и молекулярной массой [4, 5]. В работе [5] методами молекулярного моделирования показано, что вокруг вводимых в раствор наночастиц создаются оболочки из молекул этанола, радиально ориентиро- ванных к поверхности наночастиц. В результате такого локального упорядочения раствора его несущая спо- собность повышается более, чем в 2 раза. В настоящее время большой интерес исследовате- лей в области нанообъектов привлекают вопросы син- теза и перспективы использования карбоновых нано- материалов различного строения. Одними из таких объектов являются луковичные (онионоподобные) структуры, к которым относятся карбоновые кластеры, представляющие собой многослойные сферические или сфероидальные наноматериалы, образованные либо слоями графена (состоящими из гексагонов, сфо- рмированных sp2-связанными атомами углерода), либо имеющие структуру, подобную фуллеренам (т. е. со- держащие как пентагоны, так и гексагоны) [6, 7]. Карбоновые нанокластеры не содержат серы, хло- ра, фосфора и могут быть эффективными в качестве присадок к смазочным материалам при очень низких концентрациях. Как показано нами в работе [8], введе- нием минимальных доз (мас. доля порядка 0,01 %) карбоновых сфероидальных наночастиц в этанолсо- держащие моторные топлива можно существенно увеличить несущую способность жидкости, а исполь- зование этого эффекта в этанольных топливах повы- шает надежность работы узлов двигателей. Для широкого практического применения такого пути повышения долговечности двигателей внутрен- него сгорания при работе на этанолсодержащих топ- ливах необходимо выяснение закономерностей влия- ния химического строения наночастиц, их размеров и концентраций на величину эффекта повышения несу- щей способности этанольных растворов. Неясны также побочные негативные последствия от возможного изменения физико-химических свойств топлив при внесении наноразмерных частиц. Так, при повышении вязкости ухудшится фильтруемость и испаряемость этих топлив, что, в свою очередь, может повысить вероятность отказов двигателей. Цель работы – выяснение зависимости несущей способности этанольного раствора от концентрации карбоновых сфероидальных наночастиц. Объекты и методики исследования Наночастицы в виде многослойных сфероидальных карбоновых кластеров размерами 5–40 нм были полу- чены высокочастотным электроразрядным импульс- ным методом в газовой среде пропан–бутана при ат- мосферном давлении [9]. Выделение сфероидальных карбоновых нанокла- стеров из продуктов синтеза и фракционирование на- ночастиц по размерам осуществляли последовательной экстракцией в различных растворителях. Для повыше- ния растворимости наночастиц в спиртовых растворах проводили их бромирование при комнатной темпера- туре в избытке жидкого брома. По результатам хими- ческого анализа массовая доля связанного брома в полученных кластерах составляла около 25 %. Несущую способность этанольных растворов оце- нивали по методике ASTM D2783 (ГОСТ 9490–75) на четырехшариковом трибометре по величине критиче- ской нагрузки. Этот показатель представляет собой максимальное значение осевой нагрузки, до которой не возникает задиров при трении в исследуемой жидко- сти стандартизированных металлических шариков из стали ШХ15 (микротвердость 64–66 HRC, параметр шероховатости Ra < 0,25 мкм). Условия испытаний: частота вращения – 1500 мин−1, температура – 20 С, время испытаний – 10 с. При каждой нагрузке прово- дили не менее трех испытаний. Погрешность измере- ния критической нагрузки составляла ± 5 Н. Относительную вязкость этанола и его растворов измеряли с помощью капиллярного вискозиметра (диаметр капилляра 0,37 мм) при температуре 20 С по времени истечения стандартного объема. Распределение по размерам сольватированных ча- стиц в исследованных растворах определяли методом динамического рассеяния света [10]. Данный метод основан на измерении средней скорости диффузии дисперсных частиц в жидкости путем регистрации флуктуаций интенсивности рассеянного света – спек- тральной плотности (временной корреляционной функции) рассеянного света. Коэффициент диффузии дисперсных частиц однозначно связан с их размером, поэтому метод динамического рассеяния света в настоящее время является одним из наиболее исполь- зуемых прямых методов измерения размеров таких частиц в растворах [10]. Интервал определяемых раз- меров частиц в растворах составлял 0,001–6 мкм. Результаты и их обсуждение На рис. 1 представлена концентрационная зависи- мость несущей способности этанольных растворов от содержания в них карбоновых нанокластеров. В исследованном интервале концентраций добавки несущая способность растворов изменяется нелинейно и немонотонно: существуют две области, которые различаются характером изменения критической нагрузки при увеличении содержания наночастиц в растворе. В первой области, соответствующей низкой кон- центрации добавки, наблюдалось резкое двукратное повышение Рк (от 50 Н для чистого этанола до 100 Н для раствора с массовой долей наночастиц 0,01 %) при повышении содержания добавки. Во второй концентрационной области (мас. доля наночастиц свыше 0,01 %) с увеличением количества наночастиц в исследованных растворах критическая нагрузка уменьшается по сравнению с экстремальным Каталіз та нафтохімія, 2019, № 28 31 40 50 60 70 80 90 100 110 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 Маc. доля, % К р и т и ч е с к а я н а гр у зк а , Н 1 2 Рис. 1. Зависимость несущей способности этанольных растворов от концентрации карбоновых сфероидальных нанокластеров максимальным значением. Повышение несущей способности раствора при введении наночастиц можно объяснить несколькими причинами. Во-первых, если при добавлении наночастиц в эта- ноле образуется коллоидный раствор, то это должно приводить к повышению вязкости. В соответствии с формулой Эйнштейна, вязкость таких растворов зави- сит от концентрации дисперсной фазы [11]: η = η0(1 + αj), где η0 – вязкость дисперсионной среды (чистого растворителя); j – объемная доля дисперсной фазы (наночастиц); α – коэффициент, зависящий от формы частиц (для частиц круглой формы α = 2,5, удлиненной формы α > 2,5). Симбатно с повышением вязкости раствора должна возрастать и его несущая способность [12]. Однако как следует из данных, представленных на рис. 2, введение синтезированных нанокластеров в этанол приводит не к увеличению, а, наоборот, к сни- жению вязкости раствора в области минимальных концентраций добавки (мас. доля от 0 до пороговых значений 0,01 %). В связи с этим рост несущей способности раствора в этом диапазоне концентраций не может быть объяс- нен изменением вязкости. В соответствии с представ- лениями П.А. Ребиндера [11], снижение вязкости в жидких средах всегда связано с разрушением некото- рой структуры. Вероятно, наблюдаемый нами эффект обусловлен разрушением сетки водородных связей между молекулами этанола в объеме и началом пере- стройки надмолекулярной структуры раствора в дру- гие объединения. Во-вторых, частицы карбоновых нанокластеров мо- гут адсорбироваться на металлических поверхностях трения и формировать защитную пленку, которая спо- собна вносить дополнительный вклад в предотвраще- 490 500 510 520 530 540 550 560 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 Мас. доля нанокластеров, % О тн о си те л ь н ая в я зк о ст ь , с Рис. 2. Зависимость относительной вязкости этанольного раствора от концентрации карбоновых нанокластеров ние металлического контакта при нагружении фрик- ционных поверхностей [13, 14] и в повышение несу- щей способности трибосопряжения. Если бы несущая способность контакта действи- тельно увеличивалась за счет осаждения карбоновых нанокластеров на поверхностях трения, то чем больше таких частиц будет введено в раствор, тем легче дол- жен формироваться этот слой и тем больше должна увеличиваться несущая способность с ростом концен- трации наночастиц в растворе. Однако эксперимен- тальные данные не подтвердили такой механизм, по- скольку при повышении содержания наночастиц в растворе выше порогового значения (мас. доля 0,01 %) несущая способность далее не растет, а падает (рис. 1). Немонотонный характер зависимости эффекта от дозы добавки, по-видимому, обусловлен тем, что под действием внесенных наночастиц в растворах низкой концентрации (разбавленных растворах) происходят преобразования, в которых наночастицы играют роль организатора таких изменений. Мономодальность (с одним максимумом) установ- ленной зависимости свидетельствует, что вначале из- менения в жидкой среде (ответ системы на воздей- ствие) в области низких концентраций добавки сораз- мерны силе воздействия на эту систему, которая про- порциональна количеству вводимых наночастиц. По- сле достижения порогового воздействия (предельной дозы наночастиц) из-за истощения адаптационных возможностей системы ответная реакция системы вначале снижается, а затем сменяется на противопо- ложную. Какие же преобразования, приводящие к такому инверсионному характеру изменений несущей способности, могут происходить в этаноле при раство- рении наночастиц? Для объяснения механизма таких преобразований важны, на наш взгляд, результаты исследований, выполненных под руководством академика РАН Каталіз та нафтохімія, 2019, № 28 32 А.И. Коновалова [15, 16] методом динамического све- торассеяния водных разбавленных растворов ряда соединений различной химической и биологической природы. При наличии электромагнитных полей сла- бой интенсивности в таких растворах в интервале ма- лых и сверхмалых концентраций (от 10–2 до 10–20 М) наблюдалось образование наноразмерных молекуляр- ных ансамблей-наноассоциатов, размеры которых (средний гидродинамический диаметр) достигали 400– 500 нм. Формирование наноразмерных супрамолекулярных структур в воде под воздействием малых и сверхмалых доз растворенного вещества было изучено и другими авторами. Так, в работах [17, 18] в связи с имеющими- ся в литературе данными о различных кластерных структурах в воде предложена и проанализирована концепция образования гигантских гетерофазных кла- стеров воды (ГГКВ). Авторы сделали вывод о том, что в состав ГГКВ могут входить кластеры воды малых размеров. В образовании и стабилизации ГГКВ, по мнению академика НАН Украины В.В. Гончарука и его сотрудников [18], важную роль играет наличие дейтерия, содержащегося в воде в виде HDO. На основании полученных экспериментальных ре- зультатов и анализа литературных данных нами в ра- ботах [19–21] было высказано предположение о воз- никновении в этанольных растворах под действием вводимых наночастиц упорядоченных областей из молекул этанола. Действительно, при оценке бромированных карбо- новых нанокластеров методами сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии было выявлено, что синтезированные карбоновые наноча- стицы имели разброс диаметров в диапазоне 5–40 нм. Последующее детальное уточнение с помощью атом- но-силовой микроскопии размеров выделенных образ- цов карбоновых наноматериалов показало, что сред- ний размер наночастиц составлял 5–10 нм. При исследовании растворов синтезированных на- ночастиц методом динамического когерентного рассе- яния света установлено [21], что гидродинамический диаметр карбоновых нанокластеров, сольватирован- ных в различных растворителях, значительно превы- шал размеры индивидуальных порошковых наноча- стиц. Для этанола этот диаметр находился в пределах 100–1000 нм при среднем значении 400 нм. Средний размер сольватированных нанокластеров в растворителях Растворитель Размер сольватной оболочки вокруг наночастиц, нм Этанол 100–1000 N,N-Диметилформамид 220 1,4-Диоксан 28 Бензиловый спирт 21 В средах, в молекулярном строении которых со- держится шестичленное кольцо (бензиловый спирт, 1,4-диоксан), молекулы растворителя формируют во- круг наночастиц фуллероидного типа только моно- слой. Эти кольца в силу подобия плоским шестичлен- ным структурным фрагментам карбоновых кластеров располагаются планарно к таким фрагментам наноча- стиц и блокируют их ненасыщенные двойные связи С=С с повышенной электронной плотностью. В этаноле, молекулы которого имеют линейное строение, вокруг карбоновых нанокластеров форми- руются многослойные сольватные оболочки вслед- ствие наведенной поляризации молекул растворителя. Такие локализованные упорядоченные области (доме- ны) состоят из молекул этанола, ориентированных радиально к центру введенной наночастицы (рис. 3), и находятся в жидкой матрице с первоначальной хаоти- ческой структурой. С повышением концентрации наночастиц в области 1 (рис. 1) увеличивается доля объема жидкости, зани- маемая такими доменами. При достижении опреде- ленной пороговой концентрации наночастиц домены полностью заполняют объем жидкости и соприкаса- ются друг с другом (рис. 4), происходит полное струк- турирование раствора. Значение пороговой концентрации наночастиц, со- ответствующей полному структурированию раствора, должно определяться размерами наночастиц, их по- лярностью и поляризуемостью, а также строением и Рис. 3. Последовательное наращивание слоев ориентированных молекул этанола вокруг отдельной наночастицы http://www.waterjournal.org/volume-6/ho http://www.waterjournal.org/volume-6/ho Каталіз та нафтохімія, 2019, № 28 33 Рис. 4. Полное структурирование раствора при по- роговой концентрации наночастиц поляризуемостью молекул модифицируемой жидкой матрицы. При максимальном насыщении раствора доменны- ми структурами в биконтинуальной жидкостной си- стеме формируются жесткие дорожки из ориентиро- ванных в одном направлении соприкасающихся цепо- чек молекул этанола. Скорость передачи импульса движения (скорость звука) вдоль таких дорожек дости- гает максимальных значений и поэтому, в соответ- ствии с результатами работ [21, 22], в таких условиях реализуется максимальная динамическая несущая способность. При дальнейшем повышении концентрации нано- частиц в растворе и превышении порогового значения (соответствующего контактированию доменов) от- дельные наночастицы сближаются на расстояние, при котором происходит ассоциация (объединение) нано- частиц между собой (рис. 5). При этом размер домена из молекул среды вокруг ассоциата наночастиц остается на уровне размера до- мена вокруг индивидуальной наночастицы, но ориен- тация молекул этанола в различных доменах становит- ся более хаотичной и параллельность их ориентации в дорожках нарушается. В связи с этим влияние допол- нительно вводимых доз наночастиц на изменение мак- росвойств раствора сначала уменьшается, а затем ме- няется на обратное. Таким образом, первоначально инверсия влияния дополнительных порций наночастиц на несущую спо- собность раствора при переходе через пороговые зна- чения концентрации обусловлена, по-видимому, дез- ориентацией молекул этанола в отдельных доменах. Действительно, несовпадение ориентации молекул этанола в соседних контактирующих доменах (вноси- мые при агрегации наночастиц внутри этих доменов) должны приводить к снижению скорости передачи упругого взаимодействия вдоль таких искаженных дорожек из молекулярных цепочек, а значит, и к сни- жению несущей способности среды. При дальнейшем повышении концентрации нано- 12 Ассоциаты из нескольких наночастиц внутри домена из ориентированных упорядоченных молекул этанола Неупорядоченные молекулы жидкости Рис. 5. Ассоциация наночастиц внутри доменов в рас- творе при превышении пороговой концентрации частиц происходит агрегирование их между собой в более крупные объединения с высаждением из раство- ра, что сопровождается распадом надмолекулярной доменной структуры в растворе и снижением его не- сущей способности вплоть до значений, соответствую- щих растворителю без добавки наночастиц (рис. 1). Выводы 1. Выявлен немонотонный экстремальный характер концентрационной зависимости несущей способности этанола от содержания в нем карбоновых сфероидаль- ных нанокластеров. 2. Показано, что максимальный эффект повышения несущей способности таких растворов достигается в области малых концентраций добавки (мас. доля до 0,01 %). 3. Мономодальный характер данной зависимости объяснен перестройкой надмолекулярной структуры раствора: под влиянием карбоновых нанокластеров в области их низких концентраций разрушается трех- мерная сетка водородных связей в этаноле и вокруг отдельных наночастиц или их ассоциатов формируется система локализованных упорядоченных областей (доменов) из ориентированных молекул спирта. 4. При превышении пороговых концентраций на- ночастиц в этаноле происходит агрегация наночастиц между собой, что сопровождается разрушением строго регулярной системы доменов и снижением несущей способности раствора. 5. Установлено, что введение в этанол карбоновых сфероидальных нанокластеров в наиболее эффектив- ных минимальных дозах не приводит к росту вязкости, а значит, не ухудшает фильтруемость и тонкость рас- пыления этанольных растворов при использовании их в качестве моторного топлива в двигателях. 6. Результаты выполненных исследований важны для понимания механизмов возникновения в жидких средах с наноразмерными частицами выделенных направлений, по которым преимущественно происхо- дит скольжение при сдвиговой деформации (опреде- ляющее вязкость) и осуществляется передача импуль- Каталіз та нафтохімія, 2019, № 28 34 са движения в потоке жидкости (обеспечивающая динамическую несущую способность жидкостного слоя). 7. Полученные в работе данные найдут применение для решения практических проблем улучшения экс- плуатационных свойств этанолсодержащих моторных топлив. Литература 1. Пилявський В.С., Гайдай О.О., Кирпач К.О., По- лункін Є.В., Трошин П.А., Мараховський В.П., Екс- плуатаційні властивості альтернативних моторних палив на основі оксигенатів. Катализ и нефтехимия. 2012. (21). 162–167. 2. Емельянов В.Е., Никитина Е.А., Асяев А.Н., Био- этанольное топливо Е-85. Мир нефтепродуктов. 2005. 8. 34–37. 3. Пилявский В.С., Полункин Е.В., Каменева Т.М. О кинетической природе несущей способности мало- вязких жидкостей. Катализ и нефтехимия. 2013. 22. 37–41. 4. Полункин Е.В., Каменева Т.М., Пилявский В.С., Жила Р.С., Гайдай О.А., Трошин П.А. Антиокисли- тельные и противозадирные свойства галогенирован- ных фуллеренов. Катализ и нефтехимия. 2012. 20. 70–74. 5. Божко Е.А., Есилевский С.А., Чернявский Е.К., Шелудько Е.В., Пилявский В.С., Полункин Е.В, Бого- молов Ю.И. Повышение несущей способности этанола как компонента альтернативного моторного топлива: эксперимент и молекулярное моделирование. Доп. НАН України. 2016. 2. 79–86. 6. Kuznetsov V.L., Chuvilin A.L., Butenko Y.V., Malkov I.L., Titov V.M. Onion-like carbon from ultra- disperse diamond. Chem. Phys. Lett. 1994. 222 (4). 343– 347. 7. Bartelmess Ju., Giordani S. Carbon nano-onions (multi-layer fullerenes): chemistry and applications. Beilstein Journal of Nanotechnology. 2014. 5. 1980–1998. 8. Polunkin E.V., Piljavsky V.S., Zhila R.S., Kameneva T.M., Troshin P.A. The antioxidative and tribological prop- erties of modified fullerenes in liquid mediums. 5th Int. Conf.: Physics of Liquid Matter: Modern Problems, Kyiv, Ukraine, May 21–24. 2010. 305. 9. Рудь А.Д., Кускова Н.И., Богуславский Л.З., Ки- рьян И.М., Зелинская Г.М., Белый Н.М. Структурно- энергетические аспекты синтеза углеродных нанома- териалов высоковольтными электроразрядными мето- дами. Химия и химическая технология. 2013. 56(7). 99– 104. 10. Vogel R., Willmott G., Kozak D., Roberts G., An- derson W., Groenewegen L., Glossop B., Barnett A., Turner A., Trau M. Quantitative sizing of nano- microparticles with a tunable elastomeric pore sensor. Analyt. Chem. 2011. 83(9). 3499–3506. 11. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дис- персных системах. Коллоидная химия. Избранные тру- ды. Москва. Наука. 1978. 368. 12. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии. Москва. Машиностро- ение. 1986. 360. 13. Кулиев А.М. Химия и технология присадок к маслам и топливам. Ленинград. Химия. 1985. 312. 14. Гаркунов Д.Н. Триботехника. Москва. Изд-во МСХА. 2001. 616. 15. Коновалов А.И., Рыжкина И.С. Образование наноассоциатов – ключ к пониманию физико- химических и биологических свойств высокоразбав- ленных водных растворов. Изв. РАН. Сер. хим. 2014. 1. 1–14. 16. Коновалов А.И., Мальцева Е.Л., Рыжкина И.С., Муртазина Л.И., Киселева Ю.В., Каспаров В.В., Паль- мина Н.П. Образование наноассоциатов – фактор, определяющий физико-химические и биологические свойства высокоразбавленных водных растворов. Докл. РАН. 2014. 456 (5). 561–564. 17. Маленков Г.Г. Структура и динамика жидкой воды. Журнал структурной химии. 2006. 47. 5–35. 18. Гончарук В.В., Смирнов В.Н., Сыроешкин А.В., Маляренко В.В. Кластеры и гигантские гетерофазные кластеры воды. Химия и технология воды. 2007. 29 (1). 3–17. 19. Haidai O., Pilyavskiy V., Shelud’ko Y., Polunkin Y. Improvement of performance characteristics of ethanol motor fuels through use of additives based on nanoscale carbon clusters. EUREKA: Physical Sciences and Engi- neering. 2016. 6. 3–10. 20. Полункин Е.В., Гайдай О.А., Пилявский В.С., Стельмах А.У. Влияние углеродных нанокластеров на трибологические характеристики моторных топлив. Сб. тезисов: Межд. научно-техническая конференция. “Поликомтриб – 2015”. Гомель. ИММС НАНБ. 2015. 187. 21. Гайдай О.О., Пилявський В.С., Полункін Є.В. Поліпшення експлуатаційних властивостей етаноль- них моторних палив мікродозами карбонових сферої- дальних нанокластерів, Наукоємні технології (Science- based technologies). 2016. 1 (29). 3–8. 22. Павлинов Л.И., Рабинович И.Б., Погорелко В.З., Рябов А.В. Скорость звука и сжимаемость сополиме- ров метилметакрилата с метакриловой кислотой. Вы- сокомолекулярные соединения. 1968. 6. 1270–1276. References 1. Pylyavsʹkyy V.S., Hayday O.O., Kyrpach K.O., Polunkin Ye.V., Troshyn P.A., Marakhovskyi V.P. Ekspluatatsiini vlastyvosti alternatyvnykh motornykh palyv na osnovi oksyhenativ. Kataliz i neftekhimia. 2012. (21). http://ctj.isuct.ru/?q=ejournal/term/2/_/taxonomy%3Aterm%3A1 Каталіз та нафтохімія, 2019, № 28 35 162–167. [In Ukrainian]. 2. Emelianov V.E., Nykytyna E.A., Asiaev A.N. Bioеtanolnoe toplivo E-85. Mir nefteproduktov. 2005. 8. 34–37. [In Russian]. 3. Pyliavskyi V.S., Polunkin Ye.V., Kameneva T.M. O kineticheskoy prirode nesushchei sposobnosti maloviazkikh zhydkostei. Kataliz i neftekhimia. 2013. 22. 37–41. [In Russian]. 4. Polunkyn E.V., Kameneva T.M., Pyliavskyi V.S., Zhyla R.S., Haidai O.A., Troshyn P.A. Antyokyslytelnye i protyvozadyrnye svoistva halohenirovannykh fullerenov. Kataliz i neftekhimia. 2012. 20. 70–74. [In Russian]. 5. Bozhko E.A., Esylevskyi S.A., Cherniavskyi E.K., Sheludko E.V., Pyliavskyi V.S., Polunkyn E.V, Bohomolov Yu.Y. Povyshenie nesushchei sposobnosty etanola kak komponenta alternatyvnoho motornoho topliva: eksperyment i molekuliarnoe modelirovanie. Dop. NAN Ukrainy. 2016. 2. 79–86. [In Russian]. 6. Kuznetsov V.L., Chuvilin A.L., Butenko Y.V., Malkov I.L., Titov V.M. Onion-like carbon from ultra- disperse diamond. Chem. Phys. Lett. 1994. 222(4). 343– 347. 7. Bartelmess Ju., Giordani S. Carbon nano-onions (multi-layer fullerenes): chemistry and applications. Beilstein Journal of Nanotechnology. 2014. 5. 1980–1998. 8. Polunkin E.V., Piljavsky V.S., Zhila R.S., Kameneva T.M., Troshin P.A. The antioxidative and tribological prop- erties of modified fullerenes in liquid mediums. 5th Int. Conf.: Physics of Liquid Matter: Modern Problems, Kyiv, Ukraine, May 21–24. 2010. 305. 9. Rud A.D., Kuskova N.Y., Bohuslavskyi L.Z., Kyrian Y.M., Zelynskaia H.M., Belыi N.M. Strukturno- enerhetycheskie aspekty synteza uhlerodnykh nanomaterialov vysokovoltnymi elektrorazriadnymi metodami. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya. 2013. 56 (7). 99–104. [In Russian]. 10.Vogel R., Willmott G., Kozak D., Roberts G., An- derson W., Groenewegen L., Glossop B., Barnett A., Turner A., Trau M. Quantitative sizing of nano- microparticles with a tunable elastomeric pore sensor. Ana- lyt. Chem. 2011. 83 (9). 3499–3506. 11. Rebynder P.A. Poverkhnostnye yavlenyia v disper- snykh systemakh. Kolloidnaya khimiya. Izbrannyye trudy. M. Nauka. 1978. 368. [In Russian]. 12. Bakly D. Poverkhnostnye yavleniya pri adgezii i friktsionnom vzaimodeystvii. M. Mashynostroenye. 1986. 360. [In Russian]. 13. Kuliyev A.M., Khimiya i tekhnologiya prisadok k maslam i toplivam. Leningrad. Khimiya.1985. 312. [In Russian]. 14. Harkunov D.N. Trybotekhnika. Moskva. Izd-vo MSKhA. 2001. 616. [In Russian]. 15. Konovalov A.I., Ryzhkina I.S. Obrazovaniye nano- assotsiatov – klyuch k ponimaniyu fiziko-khimicheskikh i biologicheskikh svoystv vysokorazbavlennykh vodnykh rastvorov. Izv. RAN. Ser. khim. 2014. 1. 1–14. [In Russian]. 16. Konovalov A.I., Mal'tseva Ye.L., Ryzhkina I.S., Murtazina L.I., Kiseleva Yu.V., Kasparov V.V., Pal'mina N.P. Obrazovaniye nanoassotsiatov – faktor, opredelyay- ushchiy fiziko-khimicheskiye i biologicheskiye svoystva vysokorazbavlennykh vodnykh rastvorov. Dokl. RAN. 2014. 456 (5). 561–564. [In Russian]. 17. Malenkov H.H., Struktura i dinamika zhydkoi vody. Zhurnal strukturnoy khimii. 2006. 47. 5–35. [In Russian]. 18. Goncharuk V.V., Smirnov V.N., Syroyeshkin A.V., Malyarenko V.V., Klastery i gigantskiye geterofaznyye klastery vody. Khimiya i tekhnologiya vody. 2007. 29 (1). 3–17. [In Russian]. 19. Haidai О., Pilyavskiy V., Shelud’ko Y., Polunkin Y. Improvement of performance characteristics of ethanol motor fuels through use of additives based on nanoscale carbon clusters. EUREKA: Physical Sciences and Engi- neering. 2016. 6. 3–10. 20. Polunkin Ye.V., Gayday O.A., Pilyavskiy V.S., Stel'makh A.U. Vliyaniye uglerodnykh nanoklasterov na tribologicheskiye kharakteristiki motornykh topliv. Sb. tezisov: Mezhd. nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya. “Polikomtrib – 2015”. Gomel'. IMMS NANB. 2015. 187. [In Russian]. 21. Gayday O.O., Pilyavskiy V.S., Polunkin Ye.V., Polipshennya ekspluatatsiynykh vlastyvostey etanol'nykh motornykh palyv mikrodozamy karbonovykh sfero- idal'nykh nanoklasteriv, Naukoemni tekhnologii (Science- based technologies). 2016. 1 (29). 3–8. [In Ukrainian]. 22. Pavlinov L.I., Rabinovich I.B., Pogorelko V.Z., Ryabov A.V., Skorost' zvuka i szhimayemost' sopolimerov metilmetakrilata s metakrilovoy kislotoy. Vy- sokomolekulyarnyye soyedineniya. 1968. 6. 1270–1276. [In Russian]. Поступила в редакцию 11.06.2019 г. Каталіз та нафтохімія, 2019, № 28 36 Особливості концентраційної залежності несучої здатності етанольних розчинів карбонових сфероїдальних нанокластеров В.С. Пилявський, Є.В. Полункін, Т.М. Каменєва, Я.О. Березницький Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України, Україна, 02094 Київ, вул. Мурманська,1; тел. (044) 559-71-81, e-mail: pilvs@ukr.net Використання етанолу як моторного палива для двигунів внутрішнього згоряння разом із позитивними моментами має й негативні боки. Істотним недоліком етанолу в такій якості є невисокі протизношувальні властивості через низьку несучу здатність. Низька несуча здат- ність етанолу не дає змоги забезпечити гідродинамічний режим тертя у фрикційних вузлах паливної апаратури і тим самим скорочує ресурс їх роботи. Розглянуто суть поняття несу- чої здатності, показано, що для рідких середовищ воно аналогічне характеристиці твердості для твердих тіл. Обидві ці властивості характеризують придатність матеріалів для експлуа- тації у тих чи інших умовах. Водночас результати досліджень зміни цих властивостей за- лежно від варіювання складу матеріалу, зовнішніх умов і навантажень уможливлюють встановлення механізмів і закономірностей перетворень в об’ємі або в поверхневих шарах досліджуваних матеріалів під впливом різних чинників. Для підвищення несучої здатності етанольних палив як присадки до них запропоновано використовувати нанорозмірні кар- бонові кластери сфероїдальної будови. Виявлено немонотонний мономодальний характер залежності несучої здатності етанольних розчинів від вмісту нанорозмірних (5–40 нм) кар- бонових сфероїдальних кластерів. Показано, що зі збільшенням кількості наночастинок у розчині несуча здатність зростає та досягає максимуму за їх масової частки 0,01 %. При пе- ревищенні цієї порогової концентрації несуча здатність розчину зменшується і наближаєть- ся до значення, характерного для етанолу без добавки. Виявлений екстремальний характер залежності пояснили перебудовою надмолекулярної структури рідини під впливом карбо- нових наночастинок. Ключові слова: етанольне моторне паливо, двигуни внутрішнього згоряння, карбонові нанокластери, несуча здатність мастильних матеріалів, сольватація, надмолекулярна структура розчинів Каталіз та нафтохімія, 2019, № 28 37 Features of concentration dependence of load-carrying performance of spheroidal carbonic nanoclusters ethanol solutions V.S. Pilyavsky, Ye.V. Polunkin, T.M. Kameneva, Ya.A. Bereznitsky V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry, NAS of Ukraine, 1, Murmanska Str., 02094 Kyiv, Ukraine, Tel.: (044) 559-71-81, e-mail:pilvs@ukr.net Though having significant advantages, use of ethanol as motor fuel for internal combustion engines entails a number of drawbacks. Substantial disadvantages of ethanol as such are its low anti-wear properties due to low load-carrying performance. Low load-carrying performance of ethanol does not allow for hydrodynamic friction mode in frictional nodal points of the fuel-delivery equipment and thereby shortens their operational life. The essence of concept of load-carrying performance has been analyzed. It has been shown that load-carrying performance for liquid media is similar to the characteristic of hardness for solid bodies. Both of these properties characterize suitability of materials for operation in certain conditions. At the same time, results of studies on changes that occur in these properties depending on variation of material composition, external conditions and influences enable to determine mechanisms and consistent patterns of transformations in volume or in surface layers of the studied materials under the influence of different factors. To increase load- carrying performance, we proposed to use nano-sized carbonic clusters of spheroidal structure as additives to ethanol fuels. The nonmonotone monomodal nature of dependence of load-carrying performance of ethanol solutions from the content of nano-sized (5–40 nm) spheroidal carbonic clusters has been established. It has been demonstrated that with increase in solution concentration of nanoparticles the load-carrying performance escalates and reaches a maximum with their mass fraction of 0.01 %. When concentration of nanoparticles exceeds this threshold value, the load- carrying performance of the solution starts to decline and approaches a value that is characteristic of additive-free ethanol. The established extreme nature of dependence has been accounted for reor- ganization of liquid supramolecular structure under the influence of carbonic nanoparticles. Key words: motor ethanol fuel, internal combustion engines, carbonic nanoclusters, load-carrying performance of lubricants, solvation, solutions supramolecular structure
id	oai:katalizorgua:article-43
institution	Catalysis and petrochemistry
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-03-12T15:49:59Z
publishDate	2019
publisher	V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine
record_format	ojs
resource_txt_mv	katalizorgua/9a/4c26498fd8b411d341df24d8ea35bc9a.pdf
spelling	oai:katalizorgua:article-432021-12-10T12:30:42Z Особенности концентрационной зависимости несущей способности этанольных растворов карбоновых сфероидальных нанокластеров Features of concentration dependence of load-carrying performance of spheroidal carbonic nanoclusters ethanol solutions Pilyavsky, V.S. Polunkin, Ye.V. Kameneva, T.M. Bereznitsky, Ya.A. motor ethanol fuel, internal combustion engines, carbonic nanoclusters, load-carrying performance of lubricants, solvation, solutions supramolecular structure этанольное моторное топливо, двигатели внутреннего сгорания, карбоновые нанокластеры, несущая способность смазочных материалов, сольватация, надмолекулярная структура растворов Использование этанола в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания наряду с позитивными моментами имеет и отрицательные стороны. Существенными недостатками этанола в таком качестве являются невысокие противоизносные свойства изза низкой несущей способности. Низкая несущая способность этанола не позволяет обеспечить гидродинамический режим трения во фрикционных узлах топливоподающей аппаратуры и тем самым сокращает ресурс их работы. Рассмотрена суть понятия несущей способности, показано, что для жидких сред оно аналогично характеристике твердости для твердых тел. Оба эти свойства характеризуют пригодность материалов для эксплуатации в тех или иных условиях. В то же время, результаты исследований по изменению этих свойств в зависимости от варьирования состава материала, внешних условий и воздействий дают возможность устанавливать механизмы и закономерности превращений в объеме или в поверхностных слоях исследуемых материалов под влиянием различных факторов. Для повышения несущей способности в качестве присадок к этанольным топливам предложено использовать наноразмерные карбоновые кластеры сфероидального строения. Выявлен немонотонный мономодальный характер зависимости несущей способности этанольных растворов от содержания наноразмерных (5–40 нм) карбоновых сфероидальных кластеров. Показано, что с увеличением количества наночастиц в растворе несущая способность возрастает и достигает максимума при их массовой доле 0,01 %. При превышении этой пороговой концентрации несущая способность раствора уменьшается и приближается к значению, характерному для этанола без добавки. Обнаруженный экстремальный характер зависимости объяснили перестройкой надмолекулярной структуры жидкости под влиянием карбоновых наночастиц. Though having significant advantages, use of ethanol as motor fuel for internal combustion engines entails a number of drawbacks. Substantial disadvantages of ethanol as such are its low anti-wear properties due to low load-carrying performance. Low load-carrying performance of ethanol does not allow for hydrodynamic friction mode in frictional nodal points of the fuel-delivery equipment and thereby shortens their operational life. The essence of concept of load-carrying performance has been analyzed. It has been shown that load-carrying performance for liquid media is similar to the characteristic of hardness for solid bodies. Both of these properties characterize suitability of materials for operation in certain conditions. At the same time, results of studies on changes that occur in these properties depending on variation of material composition, external conditions and influences enable to determine mechanisms and consistent patterns of transformations in volume or in surface layers of the studied materials under the influence of different factors. To increase loadcarrying performance, we proposed to use nano-sized carbonic clusters of spheroidal structure as additives to ethanol fuels. The nonmonotone monomodal nature of dependence of load-carrying performance of ethanol solutions from the content of nano-sized (5–40 nm) spheroidal carbonic clusters has been established. It has been demonstrated that with increase in solution concentration of nanoparticles the load-carrying performance escalates and reaches a maximum with their mass fraction of 0.01 %. When concentration of nanoparticles exceeds this threshold value, the loadcarrying performance of the solution starts to decline and approaches a value that is characteristic of additive-free ethanol. The established extreme nature of dependence has been accounted for reorganization of liquid supramolecular structure under the influence of carbonic nanoparticles. V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine 2019-11-20 Article Article application/pdf https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/43 10.15407/kataliz2019.28.029 Catalysis and petrochemistry; No. 28 (2019): Catalysis and petrochemistry; 29-37 Каталіз та нафтохімія; № 28 (2019): Каталіз та нафтохімія; 29-37 2707-5796 2412-4176 10.15407/kataliz2020.28 uk https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/43/33
spellingShingle	этанольное моторное топливо двигатели внутреннего сгорания карбоновые нанокластеры несущая способность смазочных материалов сольватация надмолекулярная структура растворов Pilyavsky, V.S. Polunkin, Ye.V. Kameneva, T.M. Bereznitsky, Ya.A. Особенности концентрационной зависимости несущей способности этанольных растворов карбоновых сфероидальных нанокластеров
title	Особенности концентрационной зависимости несущей способности этанольных растворов карбоновых сфероидальных нанокластеров
title_alt	Features of concentration dependence of load-carrying performance of spheroidal carbonic nanoclusters ethanol solutions
title_full	Особенности концентрационной зависимости несущей способности этанольных растворов карбоновых сфероидальных нанокластеров
title_fullStr	Особенности концентрационной зависимости несущей способности этанольных растворов карбоновых сфероидальных нанокластеров
title_full_unstemmed	Особенности концентрационной зависимости несущей способности этанольных растворов карбоновых сфероидальных нанокластеров
title_short	Особенности концентрационной зависимости несущей способности этанольных растворов карбоновых сфероидальных нанокластеров
title_sort	особенности концентрационной зависимости несущей способности этанольных растворов карбоновых сфероидальных нанокластеров
topic	этанольное моторное топливо двигатели внутреннего сгорания карбоновые нанокластеры несущая способность смазочных материалов сольватация надмолекулярная структура растворов
topic_facet	motor ethanol fuel internal combustion engines carbonic nanoclusters load-carrying performance of lubricants solvation solutions supramolecular structure этанольное моторное топливо двигатели внутреннего сгорания карбоновые нанокластеры несущая способность смазочных материалов сольватация надмолекулярная структура растворов
url	https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/43
work_keys_str_mv	AT pilyavskyvs osobennostikoncentracionnojzavisimostinesuŝejsposobnostiétanolʹnyhrastvorovkarbonovyhsferoidalʹnyhnanoklasterov AT polunkinyev osobennostikoncentracionnojzavisimostinesuŝejsposobnostiétanolʹnyhrastvorovkarbonovyhsferoidalʹnyhnanoklasterov AT kamenevatm osobennostikoncentracionnojzavisimostinesuŝejsposobnostiétanolʹnyhrastvorovkarbonovyhsferoidalʹnyhnanoklasterov AT bereznitskyyaa osobennostikoncentracionnojzavisimostinesuŝejsposobnostiétanolʹnyhrastvorovkarbonovyhsferoidalʹnyhnanoklasterov AT pilyavskyvs featuresofconcentrationdependenceofloadcarryingperformanceofspheroidalcarbonicnanoclustersethanolsolutions AT polunkinyev featuresofconcentrationdependenceofloadcarryingperformanceofspheroidalcarbonicnanoclustersethanolsolutions AT kamenevatm featuresofconcentrationdependenceofloadcarryingperformanceofspheroidalcarbonicnanoclustersethanolsolutions AT bereznitskyyaa featuresofconcentrationdependenceofloadcarryingperformanceofspheroidalcarbonicnanoclustersethanolsolutions

Особенности концентрационной зависимости несущей способности этанольных растворов карбоновых сфероидальных нанокластеров

Репозитарії

Схожі ресурси