Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Оба препарата совместимы с нейтрализаторами отработавших газов. Эффект от их введения достигается за счет действия высокоэффективных моющих компонентов, модификатора трения и нанокатализатора горения.

Наноочиститель каталитического нейтрализатора выхлопных газов Fenom Catalytic Converter Nanocleaner создан для очистки и восстановления каталитической активности нейтрализаторов выхлопных газов бензиновых двигателей, а также электродов кислородного датчика (лямбда-зонда). Он способствует повышению приемистости двигателя, снижению расхода топлива и токсичности выхлопа, увеличению срока службы нейтрализатора.

В целом все нанокаталитические добавки (присадки) к бензину и дизельному топливу очищают детали, каналы топливных систем, нейтрализаторы выхлопных газов, повышают энергоэкономические показатели двигателей за счет применения современных моющих компонентов, химических нанокатализаторов и регуляторов горения топлива.

Как показывают результаты лабораторных исследований и эксплуатационных испытаний, применение РВП позволяет получить результат, сравнимый по величине с эффектом от использования специальных методов спортивной доводки двигателя – доработки каналов в головке блока цилиндров, изменения фаз газораспределения, уменьшения сопротивления фильтров и т. д. Например, на серийном автомобильном двигателе без каких-либо конструкторских доработок можно получить прирост мощности на 5–7 л.с. (3–5 кВт), экономию расхода топлива и смазочных материалов на 5-10 % и ряд других положительных характеристик.

Для получения наилучшего эффекта при применении РЭП при безразборном сервисе необходимо строго соблюдать требования производителей препаратов во избежание негативных последствий. При этом необходимость того или иного воздействия оценивается на основании результатов технической диагностики обрабатываемых узлов и агрегатов машин и механизмов.

Лакокрасочные покрытия и полироли

Один из секторов практического применения достижений нанотехнологий в автомобильной промышленности – получение прочных и стойких материалов, обладающих самоочищающимися свойствами, для лакокрасочных покрытий (KRG) автомобилей и другой транспортной техники, зеркал, керамики, текстиля и ряда других целей.

Формирование заданной наноструктуры (наноинженерия) поверхности может быть выполнено с помощью нескольких основных технологий:

• создания («черчение») рельефа лазерным лучом или плазменным травлением;

• анодного окисления (алюминия) с последующим покрытием специальными веществами;

• придания формы и создания микрорельефа гравировкой;

• покрытия поверхности слоем металлических кластеров, комплексами «поверхностно-активное вещество – полимер» или трехбочных сополимеров, самоорганизующихся в наноструктуры;

• нанесения дисперсией наночастиц с морфологией, не образующей агломератов.

Последняя технология является наиболее многообещающей, так как позволяет образовывать большое число частиц при минимуме затрат. Для формирования таких наночастиц подходят полимеры, сажа, пирогенные кремниевые кислоты, оксиды железа и диоксид титана.

Одна из основных проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, чтобы сформированные поверхности или нанесенные частицы, обладающие новым распределением по размеру и новой структурой, оказались стабильными по отношению к старению и факторам воздействия окружающей среды. Например, ультрафиолетовое излучение может инициировать окисление покрытия, что приводит к гидрофилизации поверхности за счет образования кислородсодержащих групп.

Немецкая фирма Duales System Deutschland AG одной из первых представила на проходившей в Ганновере Всемирной выставке «ЭКСПО-2000» новую краску для автомобилей, обладающую самоочищающимся эффектом. Для очистки поверхности сильно загрязненную машину достаточно полить водой.

Более того, в настоящее время имеются разработки на основе нанотехнологий, позволяющие вообще обходиться без воды. На загрязненные поверхности автомобиля из баллона распыляется специальный состав, которой затем растирается салфеткой или полотенцем. В результате не только удаляются образовавшиеся загрязнения, но и осуществляется нанесение защитного самоочищающегося покрытия, остающегося на поверхности более полугода.

Установлено, что любую поверхность можно изменять от су-пергидрофобных до супергидрофильных свойств с помощью розеткообразных частиц пентоксида ванадия (V2O5), которые легко нанести с помощью струйного принтера (или ввести в основу полироли), и последующего облучения ультрафиолетом. При этом гидрофобные свойства вызываются межслойными воздушными полостями размером 2,1 нм. Ультрафиолет обеспечивает создание пар «электрон – вакансия», в которых в кристаллической решетке «дырки» реагируют с кислородом, образуя на поверхности кислородные вакансии, а электроны восстанавливают V5+ до V3+. В свою очередь кислородные вакансии закрываются (поглощаются) водой, делая ее гидрофильной. При длительном нахождении частиц в темноте происходит утрата ими своих гидрофильных свойств за счет замещения воды кислородом.

С 2003 года легковые автомобили Mercedes-Benz серий E, S, CL, SL и SLK покрыты прозрачным лаком с наноразмерными (около 20 нм) керамическими частицами, созданными на основе нанотехнологий, которые в процессе высушивания в лакокрасочном цехе отвердевают, образуя на поверхности лакового покрытия чрезвычайно плотную сетчатую структуру.

Если обычный лак представляет собой длинные молекулярные цепочки связующего вещества с большими расстояниями между перекрестно-сшивающими агентами (рис. 70, слева), то структура нанолака представляет собой разветвленную сеть перекрестных межмолекулярных связей в сочетании с керамическими наночастицами (рис. 70, справа). Благодаря этому в три раза повышается прочность (износостойкость) лака и обеспечивается более интенсивный и долговечный блеск покрытия. Автомобили Mercedes-Benz с лакокрасочным покрытием на основе нанотехнологии отмечены наградой на специализированной выставке Automechanika как «самые легкомоющиеся автомобили 2004 года».

Рис. 70. Длинные молекулярные цепочки связующего вещества и большие расстояния между перекрестно-сшивающими агентами (слева)

Структура износостойкого слоя лака: разветвленная сеть перекрестных межмолекулярных связей в сочетании с керамическими наночастицами (справа).

В настоящее время в области разработки и применения соответствующей нанотехнологической продукции для автомобильной промышленности основная конкуренция развернулась между американскими компаниями PPG, Dupont и Nanovere, а также немецким концерном BASF .

В 2002 году американская компания PPG Industries Inc. представила на автомобильном рынке первое высокоустойчивое керамическое самоочищающееся покрытие – CeramiClear® Clearcoat.

Для самоочистки поверхности фирма использует диоксид титана (TiO2). Его свойства таковы, что покрытие из данного вещества не только окисляет и расщепляет грязь, но и нейтрализует различные запахи и убивает микроорганизмы.

На практике это приводит к тому, что износоустойчивость лакового покрытия возрастает – оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40 % дольше, чем окрашенные обычной краской. Такому заключению предшествовали четыре года экспериментов и 150 окрашенных новой краской «тестовых» автомобилей. В сушильной камере при температуре 140 °C молекулярные цепи «нанолака» вытягиваются, а покрытие становится прочнее «традиционного» в несколько раз. Для повреждения «нанопокрытия» потребовалось усилие 20 мН, тогда как обычное деформировалось уже при 7 мН.

Другое направление использования нанотехнологий в автомобильном машиностроении – исключение экологически вредных красок, содержащих различные растворители, которые выбрасываются в атмосферу во время процесса сушки. Для решения этих проблем вместо традиционных жидких покрытий на водной основе используются порошковые покрытия, которые становятся все более распространенными, поскольку не содержат летучих органических соединений.

Как уверяют в компании DuPont, еще в начале 1990-х годов с активным привлечением последних «нанодостижений» они разработали принципиально новый экологически чистый порошковый материал на водной основе для покраски автомобилей. По словам разработчика, высыхание слоя такой краски при воздействии на него УФ-излучения не превышает десяти секунд.

Аналогичные исследования проводятся и другими конкурирующими фирмами. В 2006 году PPG создала собственный порошковый материал Clearcoat с характеристиками стойкости практически на уровне верхних значений для жидких красителей. С тех пор аналогичные покрытия быстро становятся стандартом в автомобильной промышленности.