마이크로웨이브 합성 이황화 몰리브덴(MoS2) 나노입자의 마찰공학, 산화 및 열전도도 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14108(2022) 이 기사 인용

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급속한 글로벌화 시대에 엔진 효율을 높이기 위해서는 윤활이 필수가 되었습니다. 엔진 오일의 마찰, 산화 및 열 전도성 특성은 차량 엔진 수명의 질을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 본 연구에서는 이황화 몰리브덴(MoS2) 나노입자가 마이크로파 수열 반응기를 통해 합성되었습니다. 이후, 나노입자를 SAE 20W50 디젤 엔진 오일에 분산시켜 나노윤활제를 제조했습니다. 결과는 0.01wt% MoS2 농도의 나노윤활유가 기유에 비해 마찰계수, 평균 마모흔 직경이 각각 19.24% 및 19.52% 감소한 것으로 나타났습니다. 또한, 0.01 중량% 농도의 MoS2 나노입자를 함유한 나노윤활제는 베이스 오일에 비해 산화 유도 시간이 61.15% 향상되는 것으로 나타났습니다. 또한 베이스 오일에 MoS2를 첨가하면 베이스 오일에 비해 열전도도가 ~10% 향상되는 것으로 나타났습니다.

자동차 산업은 친환경, 품질, 내구성 및 에너지 효율성 특성을 강조하는 데 중점을 두고 있습니다. 예를 들어, 기존 승용차의 경우 에너지 손실로 인해 연료의 79%가 소실됩니다1. 에너지 손실과 기계적 고장은 주로 마찰과 마모로 인해 발생합니다. 마찰과 마모는 전세계 주요 에너지의 약 1/3을 소비하며, 운송 장비의 마찰은 전력의 절반 이상을 차지합니다2. 게다가 마모된 부품은 기계적 고장의 거의 4/5를 차지합니다3. 마찰은 또한 표면 부식 및 환경 오염과 같은 심각한 문제의 원인이 됩니다. 결과적으로 마찰과 마모를 줄이는 것은 기계 장비의 서비스 수명을 연장하고 연료 효율성을 향상시키며 배기가스 배출을 줄이는 데 매우 중요합니다.

윤활은 마찰 마모, 에너지 절약, 환경 보호 및 탄소 감소를 줄이는 가장 신뢰할 수 있는 방법 중 하나입니다4. 에너지 보존 목표를 달성하기 위해 마찰과 마모를 줄이기 위해 많은 솔루션이 사용되었습니다. 유체역학적 윤활 조건에서 홈 텍스처 프로파일을 개선하면 유막의 하중 전달 능력이 향상될 수 있습니다5. 반면, 마찰공학적 특성은 일반적으로 마찰 조건으로 인해 발생하며 장기간 사용하면 마모가 발생하기 쉽습니다. 마찰 미끄럼 중에 접촉 표면에 유체 역학적 또는 탄성 유체 역학적 윤활층을 형성할 수 있기 때문에 액체 윤활제는 자동차 산업에서 자주 사용됩니다6. 윤활유 외에도 이온성 액체도 때때로 액체 윤활제로 사용될 수 있습니다7. 기계 부품의 시작 및 종료 단계 또는 높은 마찰 환경이 발생하는 경우 액체 윤활제는 마찰 표면 중앙에 연속적인 윤활층을 형성할 수 없습니다. 이러한 맥락에서 경계 윤활 및 혼합 윤활 단계가 발생하여 마찰과 마모가 증가합니다. 윤활 첨가제의 적용은 경계 윤활에 의한 마찰과 마모를 줄이는 대표적인 방법입니다8. 유기 인산염, 유기 황화물 및 유기 금속 화합물은 강력한 분산 안정성과 마찰 특성을 지닌 전통적인 윤활제 첨가제입니다. 독성학 측면에서 산성비, 안개 낀 기후9 및 화학적 침식과 같은 대기 오염을 일으킬 수 있는 황산회, 인 및 황(SAPS)의 생성은 환경이 다양한 각도에서 직면하고 있는 문제입니다. 이온성 액체를 포함한 다른 첨가제는 우수한 마찰 특성을 갖고 있지만, 높은 비용과 환경 친화성이 부족하여 업계에서의 사용이 제한됩니다10,11. 나노윤활제는 나노입자를 기본 윤활제의 윤활 첨가제로 사용하며, 입자 직경은 일반적으로 1~100 nm입니다. 현장 실험에서는 나노윤활제를 베이스 오일이나 코팅에 통합하면 마찰과 마모가 크게 감소하는 동시에 흥미로운 마찰학적 특성도 나타나는 것으로 나타났습니다. 본 연구는 나노첨가제를 이용하여 디젤 기반 엔진오일의 마찰특성을 향상시키는 것을 목표로 한다. 이는 마찰공학적 적용을 위해 마이크로파 합성 경로를 사용하여 MoS2 나노입자를 합성하려는 첫 번째 시도입니다. 고급 마이크로파 합성 방법을 사용한 나노입자 합성은 시간과 에너지를 절약하고 기존 열수 방법보다 더 나은 마찰공학, 산화 및 열 전도성 특성을 생성합니다13. MoS2 나노입자의 물리화학적 매개변수를 결정하고, 나노입자를 디젤 기반 엔진 오일에 분산시켜 새로운 나노윤활제를 개발했습니다. 이어서 마찰공학적, 산화적, 열적 특성을 조사하였다. 본 연구의 주요 목표는 디젤 엔진 오일에 분산되었을 때 마찰공학, 산화 및 열 특성이 향상된 마이크로파 기술을 사용하여 MoS2 나노입자를 생성하는 것입니다. 이 연구는 디젤 엔진 오일을 위한 새로운 마이크로파 합성 MoS2 나노 첨가제를 개발하기 위한 길을 열어줄 것입니다.