Può il grafene migliorare le prestazioni dei lubrificanti?

Il grafene può migliorare le prestazioni dei lubrificanti per trasmissioni meccaniche?

Un’attività di ricerca – svolta presso il Politecnico di Torino da Francesca Curà, Andrea Mura, Federica Adamo – ha lo scopo di indagare se è possibile migliorare le prestazioni tribologiche di un lubrificante addittivandolo con particelle di grafene e di verificarne l’utilizzo su un componente meccanico.

Si è parlato e si continua a parlare molto diffusamente del grafene e delle sue strabilianti proprietà chimico-fisiche utilizzabili in numerose applicazioni tecnologiche.

Il grafene, come è noto, è un materiale bidimensionale ultrasottile dotato di elevata resistenza meccanica associata ad una altrettanto elevata flessibilità, conduce l’elettricità meglio del rame, è anche un ottimo conduttore termico e mantiene inalterate le sue proprietà per un grande intervallo di temperature. Ha inoltre proprietà ottiche fuori dal comune.

I campi di utilizzo possono essere quello dell’energia (batterie, pannelli solari, fuelcells, ….), dell’elettronica (inchiostri conduttivi, touch screen pieghevoli, transistor a bassissimo consumo, ….), dei materiali nanocompositi ad alte prestazioni, della medicina….

Nonostante il grafene sia relativamente facile da preparare anche in grandi quantità e le proprietà definite su scala microscopica siano ottime, risulta molto complesso tradurre tutto ciò in risultati su scala macroscopica e, soprattutto, nella pratica ingegneristica.

Di grande attualità è l’applicazione del grafene in campo industriale relativamente alla diminuzione dell’attrito e dell’usura, sia come strato di materiale depositato sui corpi a contatto, sia come additivo nei lubrificanti.

Per quanto riguarda l’utilizzo di additivi a base di grafene nei lubrificanti, la letteratura scientifica degli ultimi anni è ricca di lavori che perlopiù si riferiscono agli aspetti legati alla caratterizzazione chimica e fisica del lubrificante, andando ad indagare i fattori che possono influenzarne la stabilità, la conducibilità termica, la viscosità e le altre proprietà tribologiche.

Per contro, nessuna informazione viene data sul reale utilizzo del lubrificante e sulla sua eventuale applicazione a componenti meccanici classici ai fini della riduzione dell’usura e del miglioramento dell’efficienza dell’intera trasmissione.

Il presente studio descrive un’attività di ricerca che si prefigge da un lato di verificare se è possibile migliorare le prestazioni tribologiche di un lubrificante commerciale addittivandolo con particelle di grafene, dall’altro lato di verificarne l’utilizzo su un componente meccanico.

A questo scopo si è scelto come lubrificante un grasso commerciale per cuscinetti al quale sono state mescolate percentuali differenti di nanopiastrine di grafene (graphene nanoplatelets, GNP) e come componente meccanico un accoppiamento scanalato.

Il lubrificante così ottenuto è stato in primo luogo caratterizzato tramite prove di tipo Pin-on-Disk effettuate su un tribometro al fine di valutarne le prestazioni in termini di coefficiente d’attrito. Quindi si è proceduto a valutare le prestazioni tribologiche del medesimo grasso additivato applicato questa volta sul componente, misurando la forza d’attrito tra albero e mozzo dell’accoppiamento scanalato tramite un banco prova dedicato.

I risultati ottenuti sono molto incoraggianti dal momento che sia per il solo lubrificante, sia per il componente meccanico lubrificato il valore del coefficiente d’attrito risulta ridotto aggiungendo l’additivo a base di grafene al grasso base.

Fig. 1 – Esempio di lubrificanti ottenuti da grasso addizionato con grafene.

Materiali e metodi

Il lubrificante analizzato, come già anticipato nel precedente paragrafo, è un grasso commerciale per cuscinetti del tipo SKF LGMT 2, adatto ad un uso generale e caratterizzato da un’eccellente stabilità termica in un ampio intervallo di temperatura.

Al grasso è stato aggiunto del grafene in piastrine del tipo C-500 (nano piastrine di grafene (GNP)), reperibili commercialmente, con le seguenti caratteristiche: superficie media pari a 500m2/g, spessore del fiocco (piastrina) pari a 2 nm e diametro inferiore a 2 µm.

Sono state ottenute differenti tipologie di lubrificante miscelando grasso e grafene con un omogeneizzatore di precisione (HeidolphHei Torque Precision 400) per 30 minuti, mantenendo la temperatura ambiente costante, al fine di ottenere una dispersione il più uniforme possibile.

Nelle prove tribologiche di seguito descritte sono stati impiegati quattro diversi tipi di lubrificante (identificati rispettivamente come L1, L2, L3, L4), ottenuti a partire dal grasso puro e aggiungendo piastrine di grafene (GNP) con differenti percentuali in peso, secondo lo schema seguente:

  • L1 – Grasso puro
  • L2 – Grasso + 0.5% GNP
  • L3 – Grasso + 5% GNP
  • L4 – Grasso + 10% GNP

Alcune mescole di grasso additivato sono illustrate a titolo di esempio in figura 1.

Prima di tutto è stata effettuata la caratterizzazione dei lubrificanti per la determinazione del coefficiente d’attrito tramite prove di tipo Pin-on-Disk effettuate su un tribometro (TRB – Anton Paar) (con riferimento ad un caso di disco e sfera entrambi in acciaio C40).

Per ogni lubrificante sono state svolte tre misure di caratterizzazione durante le quali sono state mantenute costanti temperatura (21°C) e umidità (40%).

I parametri utilizzati nelle prove sono i seguenti: distanza di scorrimento 100 m, carico normale 5N, velocità lineare di scorrimento 100 mm/s, raggio di prova 13.5 mm.

Fig. 2 –  Prove Pin-on-Disk: disco ricoperto da grasso puro (sinistra) e disco ricoperto da grasso addizionato con GNP al 0.5% (destra).

L’immagine relativa a due prove svolte sul tribometro è riportata in figura 2: a sinistra, il caso di disco ricoperto di grasso puro, a destra, il caso di disco ricoperto da grasso addizionato da GNP in percentuale pari a 0.5%.

Una volta effettuata la caratterizzazione dei quattro lubrificanti ed elaborati i risultati in termini di valori del coefficiente d’attrito, si è proceduto a svolgere l’indagine sul componente lubrificato utilizzando gli stessi composti di grasso e grafene prodotti. Come già anticipato, si è scelto di effettuare queste prove su un provino costituito da un accoppiamento scanalato, albero e mozzo (figura 3), in riferimento al quale erano già note le problematiche relative all’usura, avendo eseguito su provini identici una campagna sperimentale molto vasta.

Fig. 3 – Accoppiamento scanalato.

Le prove sono state eseguite su un banco molto semplice sviluppato ad hoc, atto a misurare l’attrito di primo distacco fra albero e mozzo (figura 4).

Il banco è costituito da una flangia rotante, connessa alla parte fissa del banco, alla quale è a sua volta collegato il mozzo dell’accoppiamento scanalato; l’albero da parte sua è vincolato ad una slitta che può traslare in direzione orizzontale tramite guide lineari.

L’albero (che può ruotare) è connesso ad una barra, atta a generare la coppia torcente T, alla quale vengono appesi dei pesi calibrati (forza peso W). Cambiando semplicemente i pesi si varia l’entità della coppia; applicando i pesi da un lato o dall’altro si inverte il verso della coppia, mettendo in presa una faccia o quella opposta di ciascun dente dello scanalato.

Il banco può sopportare un carico massimo pari a 40 kg che corrisponde a generare una coppia torcente T di 63 Nm.

Banco prova.
Fig. 4 – Banco prova.

La slitta è connessa tramite una cella di carico ad un martinetto attuato da un motoriduttore. La slitta fa scorrere (con una velocità di scorrimento pari a 0.23 mm/s) avanti e indietro l’albero dello scanalato rispetto al mozzo fisso e la cella di carico misura la forza F necessaria a svolgere questa operazione. Il rapporto fra la forza F e la corrispondente forza ottenuta dal rapporto fra coppia T e braccio di momento (noto, essendo corrispondente alla lunghezza della barra) permette determinare il valore numerico del coefficiente d’attrito fra albero e mozzo dell’accoppiamento scanalato.

Le prove sono state svolte in diverse configurazioni, variando di fatto i parametri che possono influire sulle prestazioni tribologiche del componente nelle sue reali condizioni di funzionamento (tre livelli di carico, tre posizioni di ingranamento, accoppiamento sui due diversi lati dei denti, due direzioni di scorrimento). Per ogni specifica configurazione si sono effettuate tre misure.

Più nel dettaglio, per ciascuna tipologia di lubrificante (i quattro tipi già utilizzati per la caratterizzazione sul tribometro) sono stati fatti variare: il livello di carico, il lato dei denti in presa cambiando il verso della coppia, la posizione di ingranamento fra i denti.

Risultati

La tabella 1 riassume tutti i risultati sperimentali, sia relativi alle prove di caratterizzazione Pin-on-Disk, sia relativi alle prove svolte sui componenti reali.

Per quanto riguarda le prove Pin-on-Disk, la tabella 1 riporta per ciascun lubrificante (L1, L2, L3, L4) i valori (mediati sulle tre misure) del coefficiente d’attrito (CoF).

Tab. 1 – Risultati delle prove
Lubrificante Pin-on-Disk Accoppiamenti scanalati
CoF CoF SD
L1 – Grasso puro 0.130 0.141 0.006
L2 – Grasso + 0.5% GNP 0.111 0.129 0.008
L3 – Grasso + 5% GNP 0.097 0.122 0.008
L4 – Grasso + 10% GNP 0.114 0.118 0.011

Per quanto riguarda gli accoppiamenti scanalati, la medesima tabella riporta i risultati riassuntivi di tutte le prove condotte, in termini di valori del coefficiente d’attrito (CoF) e della corrispondente deviazione standard (DS); i risultati si riferiscono alla media di tutte le 432 prove, con riferimento a trentasei configurazioni differenti, alle quattro tipologie di lubrificante e a tre misure per ciascuna condizione. I valori del coefficiente d’attrito sono stati ottenuti dal rapporto fra il valor medio della forza misurata (con riferimento alla parte stazionaria di ciascuna corsa, avanti e indietro) e il corrispondente valore di quella applicata tramite il peso W (figura 4).

Infine, la figura 5 mostra il confronto fra le due tipologie di risultati, cioè fra i valori del coefficiente d’attrito ottenuti dalle prove sul tribometro e da quelle sul componente.

Dall’analisi della figura 5, si può osservare che, per ogni caso studiato, l’introduzione di nanoparticelle di grafene nel grasso utilizzato fornisce senza alcun dubbio dei vantaggi in termini di riduzione del coefficiente d’attrito.

Si osserva in particolare che, per quanto riguarda l’applicazione sull’accoppiamento scanalato, il valore del coefficiente d’attrito diminuisce in modo progressivo a partire dal grasso base con l’aggiunta di quantità di grafene via via crescente.

Fig. 5 – Confronto fra valori del coefficiente d’attrito CoF ottenuti nelle prove Pin-on-Disk e da quelle relative agli accoppiamenti scanalati.

Anche nel caso delle prove Pin-on-Disk si osserva una diminuzione del coefficiente d’attrito per tutti i lubrificanti analizzati, sempre con riferimento al grasso base; tale diminuzione si mantiene progressiva per le mescole L2 e L3, mentre per il caso L4 il coefficiente d’attrito riprende a crescere, pur mantenendosi comunque al di sotto di quello relativo al grasso base.

Conclusioni

Il presente lavoro si basa su una ricerca, ancora nelle sue prime fasi, avente lo scopo di indagare se il grafene sotto forma di nanopiastrine può essere utilizzato come additivo nei lubrificanti di uso comune con lo scopo di aumentarne le prestazioni.

Si è scelto a questo proposito di analizzare dal punto di vista sperimentale le prestazioni di un grasso di uso comune con e senza grafene e di confrontarne le caratteristiche, con riferimento ad una prova classica del tipo Pin-on-Disk e ad una prova su componente meccanico tramite un banco dedicato.

Dall’analisi dei risultati ottenuti si può osservare che il grafene, sotto forma di nanopiastrine, utilizzato come additivo nel lubrificante scelto per questa indagine determina sicuramente un miglioramento delle prestazioni tribologiche, cioè una diminuzione del coefficiente d’attrito con riferimento al grasso base.

Questo miglioramento risulta essere crescente con continuità all’aumentare della percentuale di grafene nel caso dell’accoppiamento scanalato; nel caso, invece, della prova sul tribometro, sebbene il coefficiente d’attrito diminuisca rispetto a quanto avviene nel grasso base in tutte le prove, tale diminuzione risulta crescente nei lubrificanti L2 e L3, per poi ridimensionarsi nel composto L3, caratterizzato dalla percentuale di grafene più elevata.

Si può quindi concludere che questa prima indagine ha fornito risultati molto interessanti circa la possibilità di utilizzare particelle di grafene, prodotte industrialmente, come additivi nei lubrificanti al fine di migliorarne le proprietà tribologiche.

Restano ancora molti interrogativi sulle percentuali di grafene da utilizzare per raggiungere i risultati ottimali e sui fenomeni fisici che stanno alla base di questi interessanti risultati.

Ovviamente, quelli descritti in questo articolo sono effettivamente solo i primi passi e il cammino è ancora lungo, se si pensa come scopo ultimo ad un processo di industrializzazione del prodotto.

Resta il fatto che questi primi risultati, almeno per quanto riguarda il grasso, sono molto promettenti e la strada da intraprendere per l’ulteriore sviluppo della ricerca risulta tracciata dall’esperienza svolta e dalle informazioni acquisite.

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