مواد تشحيم ذات خصائص وظيفية محسّنة بالجسيمات النانوية
يمكن أن تستفيد زيوت التشحيم بدرجة كبيرة من الإضافات النانوية التي تساعد على تقليل الاحتكاك والتآكل. ولكن من الضروري أن تكون الإضافات النانوية، مثل الجسيمات النانوية أو طبقات الغرافين الأحادية أو الكرات النانوية ذات البنية اللبّية القشرية، مشتتة بانتظام وعلى نحو منفرد في مادة التشحيم. وقد ثبت أن التشتيت بالموجات فوق الصوتية طريقة خلط موثوقة وفعالة، توفر توزيعًا متجانسًا للجسيمات النانوية وتمنع تجمعها.
كيف يمكن تشتيت الإضافات النانوية في سوائل التشحيم؟ – بالموجات فوق الصوتية!
يُعد استخدام الإضافات النانوية في مواد التشحيم من أكثر الطرق فعالية لتحسين خصائص الاحتكاك والتآكل، مما يقلل الاحتكاك والتآكل. ويسهم هذا التحسين بدرجة كبيرة في توفير الطاقة وتقليل الانبعاثات، مما يخفض الأثر البيئي.
يكمن التحدي في مواد التشحيم المحسّنة نانويًا في عملية الخلط: فالمواد النانوية، مثل الجسيمات النانوية أو السليلوز النانوي البلوري، تتطلب خلاطات ذات قص مرتفع ومركّز تشتت المواد النانوية وتفك تشابكها بانتظام إلى جسيمات منفردة. ومن خلال إنشاء مجالات فريدة عالية الكثافة الطاقية، أثبتت المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام مجسات عالية القدرة تفوقها في معالجة المواد النانوية، وأصبحت بذلك الطريقة المعتمدة لتحضير المشتتات النانوية.
أظهر Molseh et al. (2009) أن استقرار تشتيت ثلاثة أنواع مختلفة من الجسيمات النانوية، وهي ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2)، وثاني كبريتيد التنغستن (WS2)، ونتريد البورون السداسي (hBN)، في CIMFLO 20 باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية كان أفضل منه باستخدام الرجّ والتحريك الميكانيكيين. وبما أن التجويف فوق الصوتي يخلق ظروفًا فريدة عالية الكثافة الطاقية، فإن المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام المجسات تتفوق على تقنيات التشتيت التقليدية من حيث الفعالية والكفاءة.
تؤثر خصائص الجسيمات النانوية، مثل الحجم والشكل والتركيز، في خصائصها المتعلقة بالاحتكاك والتآكل. وعلى الرغم من أن الحجم النانوي المثالي يختلف باختلاف المادة، فإن معظم الجسيمات النانوية تُظهر أعلى أداء وظيفي في نطاق عشرة إلى مئة نانومتر. ويتراوح التركيز المثالي للإضافات النانوية في زيت التشحيم غالبًا بين 0.1–5.0% .
تُستخدم الجسيمات النانوية من الأكاسيد، مثل Al2O3 أو CuO أو ZnO، على نطاق واسع لتحسين أداء مواد التشحيم من حيث الاحتكاك والتآكل. وتشمل الإضافات الأخرى إضافات لا تكوّن رمادًا، وسوائل أيونية، وإسترات البورات، ومواد نانوية غير عضوية، وبنى نانوية مشتقة من الكربون، مثل الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs)، والغرافيت والغرافين. وتُستخدم إضافات معينة لتحسين خصائص محددة لزيوت التشحيم. فعلى سبيل المثال، تحتوي مواد التشحيم المانعة للتآكل على إضافات للضغط الشديد، مثل ثاني كبريتيد الموليبدينوم، والغرافيت، والأوليفينات المكبرتة، ومعقّدات ثنائي ألكيل ثنائي ثيوكربامات، أو إضافات مضادة للتآكل، مثل فوسفات ثلاثي الأريل وثنائي ألكيل ثنائي ثيوفوسفات الزنك.
تُعد المجانسات بالموجات فوق الصوتية من نوع المجس خلاطات موثوقة، وتُستخدم في صياغة مواد تشحيم عالية الأداء. وتشتهر المعالجة بالموجات فوق الصوتية بتفوقها في تحضير المعلقات ذات الأحجام النانوية، وهي عالية الكفاءة في التصنيع الصناعي لزيوت التشحيم.
اقرأ المزيد عن أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية لإنتاج مواد التشحيم النانوية!
نظام خلط صناعي بالموجات فوق الصوتية لتشتيت الجسيمات النانوية في زيوت التشحيم بمعدل معالجة مرتفع.
- تحسين أداء الاحتكاك والتآكل
- دمج الإضافات النانوية بانتظام
- مواد تشحيم قائمة على الزيوت النباتية
- تحضير الغشاء الاحتكاكي
- سوائل تشكيل الصفائح المعدنية
- سوائل نانوية لتحسين فعالية التبريد
- سوائل أيونية في مواد تشحيم مائية أو قائمة على الزيت
- سوائل التشغيل بالتخويش
يؤدي تشتيت أكسيد الألومنيوم (Al2O3) بالموجات فوق الصوتية إلى انخفاض كبير في حجم الجسيمات وتشتيت منتظم.
تصنيع مواد التشحيم المحتوية على إضافات نانوية
لإنتاج زيوت تشحيم معززة نانويًا، تُعد المادة النانوية المناسبة وتقنية التشتيت القوية والفعالة أمرين أساسيين. ومن دون تشتيت نانوي موثوق ومستقر على المدى الطويل، لا يمكن تصنيع مادة تشحيم عالية الأداء.
يُعد الخلط والتشتيت بالموجات فوق الصوتية طريقة معتمدة لإنتاج مواد تشحيم عالية الأداء. ويُعزز الزيت الأساسي لمواد التشحيم بإضافات مثل المواد النانوية، والبوليمرات، ومثبطات التآكل الكيميائي، ومضادات الأكسدة، وغيرها من التجمعات الدقيقة. وتتميز قوى القص فوق الصوتية بكفاءة عالية في توفير توزيع لأحجام الجسيمات بالغ الدقة. وتستطيع القوى فوق الصوتية (الصوتية الميكانيكية) طحن حتى الجسيمات الأولية، وتُستخدم لإكساب الجسيمات وظائف محددة، بحيث تقدم الجسيمات النانوية الناتجة خصائص متفوقة (مثل تعديل السطح، والجسيمات النانوية ذات البنية اللبّية القشرية، والجسيمات النانوية المطعّمة).
يمكن لخلاطات القص المرتفع بالموجات فوق الصوتية أن تساعد بدرجة كبيرة في تصنيع مواد تشحيم عالية الأداء بكفاءة!
مزيج زيتي يحتوي على ثنائي ألكيل ثنائي ثيوفوسفات الزنك (ZDDP) وجسيمات PTFE نانوية معدلة السطح (PHGM) بعد التشتيت بالموجات فوق الصوتية.
(الدراسة والصورة: Sharma et al., 2017)
إضافات نانوية جديدة في زيوت التشحيم
تُطوّر إضافات جديدة ذات أحجام نانوية لزيادة تحسين الخصائص الوظيفية وأداء زيوت التشحيم والشحوم. فعلى سبيل المثال، تُبحث بلورات السليلوز النانوية (CNCs) وتُختبر لصياغة مواد تشحيم صديقة للبيئة. وقد أثبت Zakani et al. (2022) أن مواد التشحيم المحتوية على CNC والمعالجة بالموجات فوق الصوتية – مقارنة بمعلقات التشحيم غير المعالجة بالموجات فوق الصوتية – يمكن أن تخفض COF (معامل الاحتكاك) والتآكل بنسبة تقارب 25 و30% على التوالي. وتشير نتائج هذه الدراسة إلى أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية يمكن أن تحسّن بدرجة كبيرة أداء التشحيم للمعلقات المائية المحتوية على CNC.
أجهزة تشتيت عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية لتصنيع مواد التشحيم
عند استخدام الإضافات النانوية في عمليات التصنيع الصناعي، مثل إنتاج زيوت التشحيم، من الضروري خلط المساحيق الجافة (أي المواد النانوية) بصورة متجانسة في طور سائل (زيت التشحيم). ويتطلب تشتيت الجسيمات النانوية تقنية خلط موثوقة وفعالة توفر طاقة كافية لتفكيك التكتلات، بهدف إتاحة خصائص الجسيمات ذات المقياس النانوي. وتُعرف أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بأنها أجهزة تشتيت قوية وموثوقة، ولذلك تُستخدم لتفكيك تكتلات مواد متنوعة، مثل أكسيد الألومنيوم، والأنابيب النانوية، والغرافين، والمعادن، والعديد من المواد الأخرى، وتوزيعها بصورة متجانسة في طور سائل، مثل الزيوت المعدنية أو الاصطناعية أو النباتية. وتصمم Hielscher Ultrasonics أجهزة تشتيت عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية وتصنعها وتوزعها لجميع أنواع تطبيقات التجانس وتفكيك التكتلات.
تواصل معنا الآن لمعرفة المزيد عن تشتيت الإضافات النانوية في مواد التشحيم بالموجات فوق الصوتية!
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على القدرة التقريبية للمعالجة التي توفرها أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150L | 3 إلى 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أعلى | مجموعة من UIP16000 |
تواصل معنا! / اسألنا!
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المخبري والتجريبي والصناعي.
مواد تشحيم نانوية من PTFE بعد 7 أيام من التحضير (A: الزيت الأساسي، B: مادة تشحيم نانوية من PTFE مع معالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 1 hr، C: مادة تشحيم نانوية من PTFE مع معالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 30 min.).
(الدراسة والصورة: © Kumar et al., 2013)
تأثير المعالجة بالموجات فوق الصوتية في استقرار تشتيت Al2O3 في مواد التشحيم.
(الدراسة والرسم: © Sharif et al., 2017)
معلومات جديرة بالمعرفة
ما هي مواد التشحيم؟
يتمثل الاستخدام الرئيسي لمواد التشحيم أو زيوت التشحيم في تقليل الاحتكاك والتآكل الناتجين عن التلامس الميكانيكي، وكذلك الحرارة. وتُقسم مواد التشحيم، بحسب استخدامها وتركيبها، إلى زيوت محركات، وسوائل ناقل الحركة، وسوائل هيدروليكية، وزيوت تروس، ومواد تشحيم صناعية.
ولذلك، تُستخدم مواد التشحيم على نطاق واسع في المركبات الآلية وكذلك في الآلات الصناعية. ولتوفير تشحيم جيد، تحتوي زيوت التشحيم عادةً على 90% من الزيت الأساسي (غالبًا من المقطرات النفطية، أي الزيوت المعدنية) وأقل من 10% من الإضافات. وعند تجنب الزيوت المعدنية، يمكن استخدام الزيوت النباتية أو السوائل الاصطناعية، مثل البولي أوليفينات المهدرجة، والإسترات، والسيليكونات، والفلوروكربونات، والعديد غيرها، بوصفها زيوتًا أساسية بديلة. ويتمثل الاستخدام الرئيسي لمواد التشحيم في تقليل الاحتكاك والتآكل الناتجين عن التلامس الميكانيكي، وكذلك خفض حرارة الاحتكاك وفقد الطاقة. ولذلك، تُستخدم مواد التشحيم على نطاق واسع في المركبات الآلية وكذلك في الآلات الصناعية.
تُطيل المواد المضادة للأكسدة، مثل مضادات الأكسدة الأولية الأمينية والفينولية، والأحماض الطبيعية، والمواد المحللة للبيروكسيدات، والبيرازينات، دورة حياة مواد التشحيم من خلال زيادة مقاومة الأكسدة. وبذلك يُحمى الزيت الأساسي من التحلل الحراري، إذ يحدث التحلل التأكسدي الحراري بدرجة أقل وفي وقت متأخر.
أنواع مواد التشحيم
مواد التشحيم السائلة: تعتمد مواد التشحيم السائلة عمومًا على نوع واحد من الزيت الأساسي. وغالبًا ما تُضاف مواد أخرى إلى هذا الزيت الأساسي لتحسين الخصائص الوظيفية والأداء. وتشمل الإضافات المعتادة، على سبيل المثال، الماء، والزيت المعدني، واللانولين، والزيت النباتي أو الطبيعي، والإضافات النانوية، وغيرها.
معظم مواد التشحيم سائلة، ويمكن تصنيفها بحسب منشئها إلى مجموعتين:
- الزيوت المعدنية: الزيوت المعدنية هي زيوت تشحيم مكررة من النفط الخام.
- الزيوت الاصطناعية: الزيوت الاصطناعية هي زيوت تشحيم تُصنع باستخدام مركبات تُعدّل اصطناعيًا أو تُصنّع من نفط معدل.
شحم التشحيم هو مادة تشحيم صلبة أو شبه صلبة تتكون من مادة تشحيم سائلة تُزاد كثافتها بتشتيت عوامل تثخين فيها. ولإنتاج شحم التشحيم، تُستخدم زيوت التشحيم بوصفها زيوتًا أساسية، وهي المكون الرئيسي. ويحتوي شحم التشحيم على نحو 70% إلى 80% من زيت التشحيم.
مواد التشحيم المتغلغلة و مواد التشحيم الجافة هي أنواع أخرى تُستخدم غالبًا في تطبيقات متخصصة.
مواد التشحيم الحيوية تشير أساسًا إلى السائل الأساسي أو الخصائص البيئية الإجمالية، ولا تعني بالضرورة أن كل إضافة منفردة مشتقة من مصدر حيوي. وتعتمد مواد التشحيم الحيوية عادةً على الزيوت النباتية، أو الإسترات الاصطناعية، أو الزيوت المشتقة من النباتات، أو مواد أساسية أخرى متجددة أو قابلة للتحلل الحيوي. ومع ذلك، فإنها، مثل مواد التشحيم التقليدية، غالبًا ما تظل بحاجة إلى إضافات وظيفية لتحسين الحماية من التآكل الميكانيكي، والثبات التأكسدي، والحماية من التآكل الكيميائي، وسلوك اللزوجة، والقدرة على تحمل الأحمال. وهذا يعني أن تعريف مواد التشحيم الحيوية يستند عمومًا إلى المنشأ المتجدد، وقابلية التحلل الحيوي، وانخفاض السمية، والأداء البيئي، بدلًا من اشتراط أن تكون كل إضافة حيوية المنشأ.
اقرأ المزيد عن المعالجة بالموجات فوق الصوتية لصياغة مواد التشحيم الحيوية!
يمكن خلط الإضافات النانوية، مثل الأمثلة المذكورة أعلاه، بنجاح في مواد التشحيم باستخدام أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية.
المؤلفات / المراجع
- László Vanyorek, Dávid Kiss, Ádám Prekob, Béla Fiser, Attila Potyka, Géza Németh, László Kuzsela, Dirk Drees, Attila Trohák, Béla Viskolcz (2019): Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants. Journal of Materials Research and Technology, Volume 8, Issue 3, 2019. 3244-3250.
- Reddy, Chenga; Arumugam, S.; Venkatakrishnan, Santhanam (2019): RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant. Arabian Journal for Science and Engineering 44, 2019.
- Zakani, Behzad; Entezami, Sohrab; Grecov, Dana; Salem, Hayder; Sedaghat, Ahmad (2022): Effect of ultrasonication on lubrication performance of cellulose nano-crystalline (CNC) suspensions as green lubricants. Carbohydrate Polymers 282(5), 2022.
- Mosleh, Mohsen; Atnafu, Neway; Belk, John; Nobles, Orval (2009): Modification of sheet metal forming fluids with dispersed nanoparticles for improved lubrication. Wear 267, 2009. 1220-1225.
- Sharma, Vinay, Johansson, Jens; Timmons, Richard; Prakash, Braham; Aswath, Pranesh (2018): Tribological Interaction of Plasma-Functionalized Polytetrafluoroethylene Nanoparticles with ZDDP and Ionic Liquids. Tribology Letters 66, 2018.
- Haijun Liu, Xianjun Hou, Xiaoxue Li, Hua Jiang, Zekun Tian, Mohamed Kamal Ahmed Ali (2020): Effect of Mixing Temperature, Ultrasonication Duration and Nanoparticles/Surfactant Concentration on the Dispersion Performance of Al2O3 Nanolubricants. Research Square 2020.
- Kumar D.M., Bijwe J., Ramakumar S.S. (2013): PTFE based nano-lubricants. Wear 306 (1–2), 2013. 80–88.
- Sharif M.Z., Azmi W.H., Redhwan A.A. M, Mamat R., Yusof T.M. (2017): Performance analysis of SiO2 /PAG nanolubricant in automotive air conditioning system. International Journal of Refrigeration 75, 2017. 204–216.
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية بأحجام تتراوح من الحجم المخبري إلى الحجم الصناعي.