Смазочни материали с функционални свойства, подобрени чрез наночастици
Смазочните масла могат да извлекат значителни ползи от нанодобавките, които спомагат за намаляване на триенето и износването. От решаващо значение обаче е нанодобавките, като наночастици, графенови монослоеве или наносфери от типа ядро–обвивка, да бъдат равномерно диспергирани в смазочния материал като отделни частици. Ултразвуковото диспергиране се е доказало като надежден и ефективен метод за смесване, който осигурява хомогенно разпределение на наночастиците и предотвратява агрегацията.
Как да диспергираме нанодобавки в смазочни течности? – С ултразвук!
Използването на нанодобавки в смазочните материали се счита за един от най-ефективните методи за подобряване на трибологичните характеристики чрез намаляване на триенето и износването. Такова трибологично подобрение значително увеличава икономията на енергия и намалява емисиите, като по този начин понижава въздействието върху околната среда.
Предизвикателството при смазочните материали, подобрени чрез наноматериали, е смесването: наноматериали като наночастици или кристална наноцелулоза изискват смесители с концентрирано действие и високо срязване, които диспергират и разделят наноматериалите равномерно на отделни частици. Като създава уникални полета с висока енергийна плътност, ултразвуковата обработка с мощни ултразвукови сонди е доказала своето превъзходство при обработката на наноматериали и поради това е утвърденият метод за получаване на нанодисперсии.
Molseh et al. (2009) показват, че стабилността на дисперсиите на три различни вида наночастици (молибденов дисулфид (MoS2), волфрамов дисулфид (WS2) и хексагонален борен нитрид (hBN)) в CIMFLO 20 при ултразвукова обработка е по-добра, отколкото при механично разклащане и разбъркване. Тъй като ултразвуковата кавитация създава уникални условия с висока енергийна плътност, ултразвуковата обработка със сонда превъзхожда конвенционалните техники за диспергиране по резултатност и ефективност.
Характеристиките на наночастиците, като размер, форма и концентрация, влияят върху техните трибологични свойства. Въпреки че идеалният наноразмер варира в зависимост от материала, повечето наночастици проявяват най-високи функционални свойства в диапазона от десет до сто нанометра. Идеалната концентрация на нанодобавки в смазочното масло обикновено е в диапазона 0,1–5,0% .
Оксидни наночастици като Al2O3, CuO или ZnO се използват широко за подобряване на трибологичните характеристики на смазочните материали. Други добавки включват безпепелни добавки, йонни течности, боратни естери, неорганични наноматериали и наноструктури на въглеродна основа, като въглеродни нанотръби (CNTs), графит и графен. Специфични добавки се използват за подобряване на конкретни свойства на смазочните масла. Например смазочните материали, предпазващи от износване, съдържат добавки за екстремни налягания, като молибденов дисулфид, графит, сулфурирани олефини и диалкилдитиокарбаматни комплекси, или противоизносни добавки, като триарилфосфати и цинков диалкилдитиофосфат.
Ултразвуковите хомогенизатори със сонда са надеждни смесители и се използват за разработване на състави на високоефективни смазочни материали. Известна със своето превъзходство при приготвянето на суспензии с частици с наноразмери, ултразвуковата обработка е високоефективна за промишленото производство на смазочни масла.
Прочетете повече за ултразвуковите диспергатори за производство на наносмазочни материали!
Промишлена ултразвукова система за смесване, предназначена за диспергиране на наночастици в смазочни масла с висок производствен капацитет.
- подобрени трибологични характеристики
- равномерно включване на нанодобавки
- смазочни материали на основата на растителни масла
- образуване на трибофилм
- течности за формоване на метални листове
- нанофлуиди за подобрена ефективност на охлаждането
- йонни течности в смазочни материали на водна или маслена основа
- течности за протегляне
Ултразвуковото диспергиране на алуминиев оксид (Al2O3) води до значително намаляване на размера на частиците и равномерно диспергиране.
Производство на смазочни материали с нанодобавки
За производството на смазочни масла, подобрени чрез наноматериали, подходящият наноматериал и мощната, ефективна техника за диспергиране са от решаващо значение. Без надеждна и дългосрочно стабилна нанодисперсия не може да се произведе високоефективен смазочен материал.
Ултразвуковото смесване и диспергиране е утвърден метод за производство на високоефективни смазочни материали. Базовото масло на смазочните материали се подобрява с добавки като наноматериали, полимери, инхибитори на корозията, антиоксиданти и други фини агрегати. Ултразвуковите сили на срязване са високоефективни за осигуряване на разпределение на частиците с много малки размери. Ултразвуковите (сономеханични) сили са способни да раздробяват дори първични частици и се прилагат за функционализиране на частиците, така че получените наночастици да притежават превъзходни характеристики (напр. модифицирана повърхност, наночастици от типа ядро–обвивка, легирани наночастици).
Ултразвуковите смесители с високо срязване могат значително да подпомогнат ефективното производство на високоефективни смазочни материали!
Маслена смес с цинков диалкилдитиофосфат (ZDDP) и PTFE наночастици с модифицирана повърхност (PHGM) след ултразвуково диспергиране.
(Изследване и изображение: Sharma et al., 2017)
Нови нанодобавки в смазочните масла
Разработват се нови добавки с наноразмери за допълнително подобряване на функционалните свойства и експлоатационните характеристики на смазочните масла и гресите. Например целулозни нанокристали (CNCs) се изследват и изпитват за разработване на състави на екологични смазочни материали. Zakani et al. (2022) показват, че – в сравнение със смазочни суспензии, които не са обработени с ултразвук – ултразвуково обработените смазочни материали с CNC могат да намалят COF (коефициента на триене) и износването съответно с почти 25 и 30%. Резултатите от това изследване предполагат, че ултразвуковата обработка може значително да подобри смазочните характеристики на водните суспензии на CNC.
Високоефективни ултразвукови диспергатори за производство на смазочни материали
Когато нанодобавки се използват в промишлени производствени процеси, като производството на смазочни масла, от решаващо значение е сухите прахове (т.е. наноматериалите) да се смесват хомогенно с течна фаза (смазочно масло). Диспергирането на наночастици изисква надеждна и ефективна техника за смесване, която прилага достатъчно енергия за разрушаване на агломератите, за да се проявят свойствата на частиците с наноразмери. Ултразвуковите устройства са добре известни като мощни и надеждни диспергатори и затова се използват за деагломерация и хомогенно разпределяне на различни материали, като алуминиев оксид, нанотръби, графен, минерали и много други материали, в течна фаза, като минерални, синтетични или растителни масла. Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и предлага високоефективни ултразвукови диспергатори за всякакви приложения за хомогенизиране и деагломерация.
Свържете се с нас сега, за да научите повече за ултразвуковото диспергиране на нанодобавки в смазочни материали!
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови устройства:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500mL | от 10 до 200mL/min | UP100H |
| от 10 до 2000mL | от 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| от 0,1 до 20L | от 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| от 10 до 100L | от 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| от 15 до 150L | от 3 до 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | от 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-висок | група от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори за приложения за смесване, диспергиране, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.
PTFE наносмазочни материали 7 дни след приготвянето (A: базово масло, B: PTFE наносмазочен материал с 1 hr ултразвукова обработка, C: PTFE наносмазочен материал с 30 min. ултразвукова обработка).
(Изследване и изображение: © Kumar et al., 2013)
Влияние на ултразвуковата обработка върху стабилността на дисперсията на Al2O3 в смазочни материали.
(Изследване и графика: © Sharif et al., 2017)
Полезни факти
Какво представляват смазочните материали?
Основното приложение на смазочните материали или смазочните масла е да намаляват триенето и износването при механичен контакт, както и отделянето на топлина. В зависимост от приложението и състава си смазочните материали се разделят на моторни масла, трансмисионни течности, хидравлични течности, редукторни масла и промишлени смазочни материали.
Затова смазочните материали се използват широко както в моторните превозни средства, така и в промишлените машини. За да осигурят добро смазване, смазочните масла обикновено съдържат 90% базово масло (предимно нефтени фракции, т.е. минерални масла) и по-малко от 10% добавки. Когато се избягват минералните масла, като алтернативни базови масла могат да се използват растителни масла или синтетични течности, като хидрогенирани полиолефини, естери, силикони, флуоровъглероди и много други. Основното приложение на смазочните материали е да намаляват триенето и износването при механичен контакт, както и да понижават топлината от триене и енергийните загуби. Затова смазочните материали се използват широко както в моторните превозни средства, така и в промишлените машини.
Антиоксидантни вещества, като аминни и фенолни първични антиоксиданти, природни киселини, вещества, разграждащи пероксиди, и пиразини, удължават жизнения цикъл на смазочните материали, като увеличават устойчивостта им към окисление. По този начин базовото масло е защитено от термично разграждане, тъй като термоокислителното разграждане протича в по-малка степен и се забавя.
Видове смазочни материали
Течни смазочни материали: Течните смазочни материали обикновено са на основата на един вид базово масло. Към това базово масло често се добавят други вещества за подобряване на функционалните свойства и експлоатационните характеристики. Типичните добавки включват например вода, минерално масло, ланолин, растително или природно масло, нанодобавки и др.
По-голямата част от смазочните материали са течности и могат да бъдат класифицирани според произхода си в две групи:
- Минерални масла: минералните масла са смазочни масла, получени чрез рафиниране на суров нефт.
- Синтетични масла: синтетичните масла са смазочни масла, произведени с помощта на съединения, които са изкуствено модифицирани или синтезирани от модифициран нефт.
Смазочната грес е твърд или полутвърд смазочен материал, състоящ се от течен смазочен материал, който се сгъстява чрез диспергиране на сгъстители в него. За производството на смазочна грес се използват смазочни масла като базови масла и те са основната съставка. Смазочната грес съдържа приблизително от 70% до 80% смазочно масло.
Проникващите смазочни материали и сухите смазочни материали са други видове, които се използват предимно за нишови приложения.
Биосмазочните материали се определят главно според базовата течност или общия екологичен профил, без непременно всяка отделна добавка да е с биологичен произход. Биосмазочните материали обикновено са на основата на растителни масла, синтетични естери, масла с растителен произход или други възобновяеми/биоразградими базови материали. Подобно на конвенционалните смазочни материали обаче, те често все пак изискват функционални добавки за подобряване на защитата от износване, окислителната стабилност, защитата от корозия, вискозитетното поведение и товароносимостта. Това означава, че биосмазочните материали се определят в широк смисъл според възобновяемия произход, биоразградимостта, ниската токсичност и екологичните характеристики, вместо да се изисква всяка добавка да е биологична.
Прочетете повече за ултразвуковата обработка при разработването на състави на биосмазочни материали!
Нанодобавки като посочените по-горе примери могат успешно да се смесват със смазочни материали с помощта на ултразвукови диспергатори.
Литература / Източници
- 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.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори с размери от лабораторни до промишлени.