Исследование влияния концентрации фуллеренов C60 на вязкость индустриального масла И-20



В данной статье рассматривается влияние наноматериалов на концентрацию индустриального масла И-20. В рамках эксперимента мы использовали концентрат фуллеренов на оливковом масле, содержащий 5 % на кг масла. Концентрация масла измерялась с применением метода Стокса. Экспериментальное исследование было проведено в двух сериях при различных температурах. На основании полученных данных установлено, что повышение концентрации фуллеренов в индустриальном масле приводит к линейному увеличению его вязкости.

Ключевые слова : вязкость, наноматериалы, фуллерены, метод Стокса.

Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм.

В настоящее время предлагаются разные способы сборки молекулы фуллерена из фрагментов. Целью этих исследований является достижение понимания механизма образования сферических молекул из известной структуры графита и других органических соединений, используемых в качестве сырья при генерации фуллеренов. Знание механизма образования фуллеренов позволит исследователям, в свою очередь, целенаправленно создавать и варьировать способы и условия синтеза различных типов фуллеренов и их производных.

В нашей проектной работе мы работали с углеродными наноматериалами.

Углеродные наноматериалы — наноматериалы основой которых является углерод

Фуллерены состоят из атомов углерода, образуя замкнутые полные сферические или эллиптические структуры. Основной элемент структуры — шестигранное кольцо, которое соединяется с пятиугольными кольцами, создавая уникальные геометрические формы. Процесс полного образования молекулы начинается с образования каркаса из пентагональных и гексагональных граней

Метод Стокса для измерения вязкости

При движении жидкости между слоями возникают силы внутреннего трения, которые стремятся уровнять скорости всех слоев жидкости. Пусть два ближайших слоя жидкости, находящихся на расстоянии Δz друг от друга, движутся по оси X с различными скоростями, отличающимися на величину ΔV. Тогда на площадку ΔS между этими слоями будет действовать сила внутреннего трения (вязкости), величина которой равна:

(1). Где η — так называемый динамический коэффициент внутреннего трения или просто коэффициент вязкости, значение которого зависит от свойств жидкости и от температуры.

Решая уравнение (1) относительно η, находим:

Следовательно, коэффициент внутреннего трения численно равен силе, действующей на единицу площади при градиенте скорости, равном единице. Размерность коэффициента внутреннего трения в системе СИ, следующая:

Единица коэффициента внутреннего трения в системе СИ — пуаз. Один пуаз равен 0,1 Па·с.

Для определения коэффициента динамической вязкости жидкости в работе используется метод Стокса, основанный на измерении скорости падения шарика в жидкости. Стокс установил, что при небольших скоростях движения, сила сопротивления, с которой действует жидкая среда на движущееся в ней твердое тело, пропорциональна коэффициенту динамической вязкости жидкости , скорости V движения тела относительно жидкости и характерному размеру тела. Коэффициент пропорциональности зависит от формы тела. Для шара, если в качестве взять радиус шара r, коэффициент пропорциональности оказывается равным 6. Следовательно, сила сопротивления движению шарика в жидкостях при небольших скоростях в соответствии с формулой Стокса равна:

(2).

На падающий в жидкости шарик действуют три силы:

— сила сопротивления среды, определяемая по (2),

— сила тяжести: (3)

— выталкивающая сила Архимеда: (4)

где  и — плотности материала шарика и жидкости соответственно. Второй закон Ньютона для падающего шарика запишется в виде:

(5)

Вначале движение шарика будет ускоренным  0, но так как сила сопротивления, согласно формуле Стокса, увеличивается с увеличением скорости падения, то при некоторой скорости левая и правая части уравнения движения (5) обратятся в нуль, и движение шарика станет равномерным (6). Параметры установки подобраны таким образом, чтобы движение шарика установилось, когда он при своем падении достигнет верхней метки. Тогда скорость равномерного движения определяется из соотношения:

(7)

где l и t — расстояние между верхней и нижней метками и время, за которое это расстояние пройдено.

Подставляем выражение для сил (2) — (4) в уравнение (5) и при условии (6) получим:

 ,

откуда с учётом (7) находим коэффициент динамической вязкости:

Таким образом, определение коэффициента динамической вязкости жидкости сводится к измерению радиуса шарика и скорости его равномерного падения в жидкости.

Цель исследования

Цель нашего исследования заключается в изучении влияния концентрации фуллеренов в машинном масле на его вязкость с использованием метода Стокса.

Описание использованных наноматериалов

В качестве наноматериала мы использовали концентрат фуллеренов на оливковом масле, с концентрацией 5 % на кг масла.

Для производства масла с добавлением фуллерена , используется центрифугальная методика. Основой концентрата является оливковое масло, оно разливается в чашку центрифуги, создавая основу для модификации. В смесь добавляется фуллерен высокой степени чистоты (99,9 %). Центрифуга запускается на скорости от 10,000 оборотов в минуту и выше, что создает высокие гравитационные силы и способствует равномерному распределению фуллерена в масле. Процесс модификации продолжается 24/7 в течение 17 дней, обеспечивая достаточное время для взаимодействия фуллерена с маслом и достижения оптимальных характеристик. Этот метод обработки позволяет достичь высокой степени дисперсии фуллеренов в масле, что способствует улучшению свойств смазочного материала.

Индустриальное масло и его характеристики

В нашем эксперименте мы решили сделать выбор в пользу индустриального масла И-20, т. к. оно не имеет в себе каких-либо примесей и представляет собой представляет собой очищенное дистиллятное или остаточное базовое масло.

Масло И-20, входящее в категорию веретенных масел, представляет собой наиболее востребованное в данной группе. Его популярность обусловлена универсальностью применения и относительной доступностью с точки зрения стоимости.

Производство этого масла осуществляется путем избирательной очистки сырой нефти с низким или высоким содержанием серы. Масло И-20 может быть получено как путем дистилляции (очистки мазута с применением вакуумных установок), так и методом деасфальтизации остаточных продуктов нефтепереработки, либо путем их комбинирования.

Оборудование для измерения вязкости

Для проведения опыта мы использовали цилиндрический стеклянный сосуд, который заполняли индустриальным маслом, металлический шарик, электронный штангенциркуль, масштабную линейку с миллиметровыми делениями, пинцет, электронные весы, камеру, шприц, колбы для смешивания масла.

Подробное описание процесса проведения эксперимента

Для определения вязкости мы использовали метод Стокса, наши действия заключались в следующем:

1. Мы определили плотности масла шариков  и масла . Для определения плотности материала шарика, мы его взвесили и измерили его диаметр, нашли его объем, и вычисляли плотность как отношение массы шарика к его объему. Для определения плотности масала мы налили его в колбу известного объема и взвесили, затем также вычисляли плотность как отношение массы шарика к его объему.
2. Сделали метки на цилиндрическом сосуде, отмерив с помощью линейки расстояние 50 см.
3. В колбе мы смешивали индустриальное масло И-20 и концентрат фуллеренов , а затем переливали его в цилиндрическую колбу.
4. В сосуд, заполненный маслом, мы пинцетом опускали шарик, не сообщая ему начальной скорости. Шарик в масле двигался очень быстро, используя секундомер измерения получались очень неточные, поэтому мы решили снимать на камеру прохождения шариком верхней и нижней метки, и зная частоту кадров камеры и время падения шарика, мы смогли получить более точные результаты. Однако, время падения шарика очень маленькое, поэтому каждый раз при изменении концентрации масла мы проводили опыт 5 раз, чтобы результат оказался более точным. Мы сделали 2 серии экспериментов, первая серия была проведена при температуре 28 , в которой мы изменяли концентрацию масла о 0 %, до 5 %. Вторая серия экспериментов была проведена при температуре 23 , концентрацию изменяли с 6 % до 10 %.
5. Провели расчеты и обработку полученных данных.

Обработка полученных данных

Ниже приведены таблицы с данными, полученными в ходе экспериментов. При изменении концентрации на 1 %, мы проводили опыт 5 раз, чтобы результаты измерений были более точными.

Расчёты мы проводили следующим образом:

Скорость мы рассчитывали по формуле . Затем, по формуле рассчитали коэффициент динамической вязкости.

Масса шарика m=2,05 гр. Диаметр шарика D=7,92 мл. Следовательно, плотность шарика рассчитали по формуле и получили, что = 7781 . Плотность концентрата с фуллеренами, почти не отличается от плотности масла, поэтому при расчетах, плотность масла мы брали постоянную. Для первого случая, плотность масла мы брали как

. Для второго случая, плотность масла мы брали как . Коэффициент Стьюдента для расчета погрешностей мы брали .

Измерения при температуре 28 :

Концентрация 0 %

№	l, м	t, c	V, м/с	η, Па·с
1	0,5	0,62	0,81	0,25
2	0,5	0,55	0,91	0,23
3	0,5	0,59	0,85	0,24
4	0,5	0,61	0,81	0,25
5	0,5	0,63	0,79	0,26

Концентрация 1 %

№	l, м	t, c	V, м/с	η, Па·с
1	0,5	0,72	0,70	0,29
2	0,5	0,62	0,81	0,25
3	0,5	0,65	0,77	0,27
4	0,5	0,73	0,68	0,30
5	0,5	0,66	0,76	0,27

Концентрация 2 %

№	l, м.	t, c.	V, м/с.	η, Па·с
1	0,5	0,61	0,82	0,25
2	0,5	0,65	0,77	0,26
3	0,5	0,70	0,71	0,28
4	0,5	0,78	0,64	0,32
5	0,5	0,73	0,68	0,30

Концентрация 3 %

№	l, м	t, c	V, м/с	η, Па·с
1	0,5	0,68	0,73	0,28
2	0,5	0,73	0,68	0,30
3	0,5	0,79	0,63	0,32
4	0,5	0,70	0,71	0,29
5	0,5	0,75	0,67	0,30

Концентрация 4 %

№	l, м	t, c	V, м/с	η, Па·с
1	0,5	0,80	0,62	0,33
2	0,5	0,61	0,81	0,25
3	0,5	0,79	0,63	0,32
4	0,5	0,75	0,67	0,30
5	0,5	0,73	0,68	0,30

Концентрация 5 %

№	l, м	t, c	V, м/с	η, Па·с
1	0,5	0,66	0,75	0,27
2	0,5	0,74	0,67	0,30
3	0,5	0,85	0,59	0,35
4	0,5	0,72	0,69	0,29
5	0,5	0,83	0,60	0,34

Получили следующие результаты:

Концентрация, с %	Среднее значение вязкости, <η>, Па·с	Стандартное отклонение, S	Стандартное отклонение среднего арифметического,	Абсолютная погрешность, 𝑆 <𝑋> ∙ 𝑡 𝑝,𝑛	Относительная погрешность, η, %
0	0,246	0,01	0,42	0,01	4,06
1	0,276	0,02	0,71	0,02	7,24
2	0,282	0,03	1,04	0,03	10,63
3	0,298	0,01	0,54	0,02	6,71
4	0,300	0,03	1,08	0,03	10,00
5	0,310	0,04	1,49	0,04	12,90

Измерения при температуре 23 :

Концентрация 6 %

№	l, м	t, c	V, м/с	η, Па·с
1	0,5	0,61	0,82	0,29
2	0,5	0,65	0,77	0,31
3	0,5	0,65	0,77	0,31
4	0,5	0,63	0,79	0,30
5	0,5	0,66	0,76	0,32

Концентрация 7 %

№	l, м	t, c	V, м/с	η, Па·с
1	0,5	0,68	0,74	0,32
2	0,5	0,68	0,74	0,32
3	0,5	0,65	0,77	0,31
4	0,5	0,66	0,76	0,32
5	0,5	0,70	0,71	0,34

Концентрация 8 %

№	l, м	t, c	V, м/с	η, Па·с
1	0,5	0,70	0,71	0,34
2	0,5	0,68	0,74	0,33
3	0,5	0,71	0,70	0,34
4	0,5	0,71	0,70	0,34
5	0,5	0,73	0,68	0,35

Концентрация 9 %

№	l, м	t, c	V, м/с	η, Па·с
1	0,5	0,73	0,68	0,35
2	0,5	0,75	0,67	0,36
3	0,5	0,75	0,67	0,36
4	0,5	0,73	0,68	0,35
5	0,5	0,76	0,66	0,37

Концентрация 10 %

№	l, м	t, c	V, м/с	η, Па·с
1	0,5	0,82	0,61	0,39
2	0,5	0,80	0,67	0,36
3	0,5	0,78	0,59	0,41
4	0,5	0,80	0,69	0,35
5	0,5	0,81	0,60	0,40

Для второго случая получили такие результаты:

Концентрация, с %	Среднее значение вязкости, <η>, Па·с	Стандартное отклонение, S	Стандартное отклонение среднего арифметического,	Абсолютная погрешность, 𝑆 <𝑋> ∙ 𝑡 𝑝,𝑛	Относительная погрешность, η, %
6	0,306	0,01	0,51	0,01	3,26
7	0,322	0,01	0,49	0,01	3,11
8	0,340	0,01	0,32	0,01	2,94
9	0,358	0,01	0,33	0,01	2,79
10	0,382	0,03	1,16	0,03	7,85

Анализ полученных результатов

Анализ позволяет нам проследить явное увеличение вязкости индустриального масла при повышении концентрации фуллеренов. Важно отметить, что наблюдаемая зависимость оказывается линейной, и данное явление становится более очевидным на втором графике.

На первом графике мы видим, что кривая роста вязкости не столь плавна, как на втором, что может быть обусловлено тем, что измерения были проведены в разные дни и условия в лаборатории не были постоянными. Однако в случае второго графика, где эксперименты были проведены в один день при однородных условиях, наблюдается гораздо более прямолинейная зависимость. Помимо этого, погрешности измерений, проведенных при температуре 28 оказываются выше, погрешностей результатов, проведенных при температуре 23 , что подчеркивает важность однородности условий для достоверности результатов.

Литература:

1. Трофимова Т. И. Курс физики. 11-е изд., стер. — М.: 2006.— 560 с. Учебное пособие.
2. Детлаф А.А и Яворский Б. М. Курс физики. М. Высшая школа. 2002.
3. Керл Р. Ф., Смолли Р. Э. Фуллерены // В мире науки. 1991.- № 12.- С.14–24
4. Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Фуллерены и структуры углерода//УФН, т. 165 (9), с.977, 1995.
5. Лозовик Ю. В., Попов А. М. Образование и рост углеродных наноструктур.