Наносмазочни материали, подобрени чрез ултразвукова дисперсия

Включването на нанодобавки в състава на смазочните материали представлява едно от най-значимите постижения в трибологията през последните години. Въпреки това изследователите и инженерите по технологични процеси се сблъскват с постоянен проблем: постигането на хомогенно разпръскване на наночастиците във вискозните базови масла, без да се нарушава тяхната структурна цялост. Традиционните методи за смесване често не успяват да разбият агломератите ефективно, което води до неравномерни експлоатационни характеристики на продукта и ограничена трайност при съхранение.

Решението: дисперсия на нанодобавки чрез ултразвук в състава на смазочните материали

Високомощният ултразвук е най-доброто решение на тези предизвикателства, свързани с дисперсията. Чрез използване на принципите на акустичната кавитация ултразвуковото оборудване създава редуващи се цикли на високо и ниско налягане в течните среди. По време на цикъла с ниско налягане в течността се образуват малки вакуумни мехурчета. Когато тези мехурчета достигнат максималния си обем и не могат да абсорбират повече енергия, те се сриват бурно по време на цикъла с високо налягане. Това сриване генерира локализирани екстремни условия – температури, достигащи приблизително 5000 Келвина, и налягания, надвишаващи 1000 атмосфери – които ефективно разбиват агрегатите от наночастици и осигуряват равномерно разпределение в цялата матрица на смазочното средство.
За инженерите по технологични процеси това означава разликата между смазочно средство, което се утаява и се разслоява в рамките на няколко седмици, и такова, което запазва своите експлоатационни характеристики през целия експлоатационен срок на компонента.

Пример от практиката: Нанотръби от въглерод, подобни на бамбук, легирани с азот, в проводими смазки

Убедителен пример за ефективността на ултразвуковата технология при производството на смазочни материали се съдържа в изследване, публикувано в списанието „Journal of Materials Research and Technology“ (2019 г.). Изследването, озаглавено “Приложение на нанотръби от въглерод, подобни на бамбук и легирани с азот, за разработването на електропроводими смазочни материали,” показва как хомогенизаторът с сонда Hielscher UIP1000hdT (340 W, време на обработка 2 минути) е позволил производството на хомогенни, стабилни и електропроводими смазки за лагери.
Изследователите използваха въглеродни нанотръби с форма на бамбук (BCNT) като проводими добавки за смазочни материали. Благодарение на вграждането на азот в графитната структура на страничните стени на нанотръбите се развиха изключителни електронни и структурни свойства, което доведе до отлични адсорбционни характеристики и електрическа проводимост. Въглеродните нанотръби са забележителни електропроводими наноструктурни материали, а техните електронни свойства могат да бъдат специфично регулирани чрез включването на азотни атоми посредством техники за легиране.
Резултатите подчертават ефективността на ултразвуковата дисперсия:

Настоящото казусно проучване служи като техническо доказателство за концепцията: когато подходящият наноматериал се съчетае с подходящата ултразвукова енергия, получената смазка постига показатели за ефективност, които преди това се смятаха за недостижими чрез конвенционалните методи на смесване.

Основна характеристика на ултразвуковата нанодисперсия в смазочните материали

Методът на ултразвуковата дисперсия дава изключителни резултати, което потвърждава неговия промишлен потенциал:

• Минимални изисквания за добавките: Сравнително малки количества BCNT, а именно 1,5 тегловни процента, са достатъчни за постигане на добра електропроводимост на смазките, надвишаваща 14 mS. Пробите, съдържащи нанотръби, показват добра електропроводимост в диапазона от 7 до 18,5 mS при стационарни измервания.
• Повишена производителност по време на работа: Измерванията на електропроводимостта по време на реалната работа на сачмените лагери показват дори по-високи стойности, като при състава с 3% BCNT е регистрирана максимална стойност от 31,5 mS. Проводимостта се увеличава във всеки отделен случай в сравнение с измерванията в стационарно състояние, което показва, че механичното натоварване по време на работа допълнително подобрява проводимите пътища.
• Отлични характеристики при триене: Ефективни триежни характеристики се постигат при пробите, съдържащи 1,5 тегловни процента BCNT, като те показват стойности на триежния въртящ момент от 6,1 и 5,1 Nmm. Това показва, че оптималната концентрация на добавката осигурява баланс между проводимостта и механичните характеристики.
• Подобрена термична стабилност: Добавянето на силиконово масло с висока вискозитет (5000 mm²/s) и пирогенен силициев диоксид като сгъстители повишава точката на капене до над 150 °C, като по този начин се преодолява едно от основните ограничения при приложения при високи температури.
• Оптимизирани формули: Базовото масло от PDMS, съдържащо 3 % BCNT и 1,0 % колоиден SiO₂, с вискозитет 50 мм/с, се оказа подходящо за пълнене на сачмени лагери, като съчетава проводимост и механична издръжливост.

Ултразвук: предимствата на мащабирането в промишлеността

Макар че разработката в лабораторни условия с използване на Hielscher UIP1000hdT доказва валидността на концепцията, истинската стойност за промишлените приложения се крие в линейната мащабируемост. Устройствата за ултразвукова обработка на Hielscher предлагат уникално предимство благодарение на способността си за линейно мащабиране, което позволява плавен преход от R&От настолна обработка до конвейерно производство на големи обеми.
За промишлено приложение инженерите по технологични процеси могат да използват модела UIP4000hdT с мощност 4 kW, ултразвуковия апарат UIP6000hdT с мощност 6 kW или мощния UIP16000hdT с мощност 16 kW, оборудван със специализирани проточни клетки. Този линеен подход за мащабиране гарантира, че формулировките, разработени в лабораторни условия, запазват идентично качество на дисперсията и характеристиките на разпределение на частиците при производство в промишлен мащаб. Постоянството, постигнато чрез ултразвукова обработка, елиминира вариациите между отделните партиди, които са характерни за конвенционалните методи на смесване, което е особено важно за приложенията с високопроизводителни смазочни материали в аерокосмическия, автомобилния и сектора на прецизната техника.

Защо ултразвуковото третиране е важно за иновациите в областта на смазочните материали

Предимствата на ултразвуковото диспергиране на нанодобавки надхвърлят обикновената ефективност на смесването. Тази технология позволява:

1. Повишено съдържание на добавки: Могат да се добавят по-високи концентрации на нанодобавки без да се образуват агломерати, което осигурява максимални предимства по отношение на експлоатационните характеристики.
2. Подобрена трайност при съхранение: Хомогенните дисперсии предотвратяват утаяването и фазовото разделяне при продължително съхранение.
3. Постоянно качество на продукта: Всяка производствена партида притежава идентични характеристики на дисперсията, което е от решаващо значение за приложения, изискващи строг контрол на качеството.
4. Намалено време за обработка: Ултразвуковата кавитация постига дисперсия за минути, а не за часове, както при традиционните методи.
5. Универсалност при различните формули: Технологията е съвместима с различни базови масла, сгъстители и видове добавки, което осигурява гъвкавост при разработването на формули.

Ултразвуковите диспергатори от типа „сонда“ позволяват производството на висококачествени биосмазочни материали.
(Изследване и илюстрация: Liu и др., 2020)

Подобрете производството на наносмазочни материали чрез ултразвукова дисперсия

Интегрирането на ултразвуковата технология в производствените процеси на смазочни материали представлява коренна промяна в начина, по който нанодобавките се включват в състава на смазочните материали. Както показва успешното разработване на електропроводими смазки с използване на азотно-легирани въглеродни нанотръби с бамбукова структура, високоенергийната ултразвукова обработка осигурява хомогенни и стабилни дисперсии с изключителни експлоатационни характеристики. Благодарение на линейната възможност за мащабиране на Hielscher – от настолния ултразвуков апарат UIP1000hdT до индустриалните модели за вграждане в производствената линия, като UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP16000hdT с проточни клетки, изследователите и инженерите по технологични процеси могат уверено да преминат от R&От откритието до серийното производство, като се гарантира, че иновацията, постигната в лабораторията, функционира по същия начин и в завода.
Бъдещето на технологията за смазочни материали се крие не само в разработването на нови нанодобавки, но и в овладяването на техниките за диспергиране, които разкриват пълния им потенциал. Ултразвуковата обработка представлява мост между научните открития и промишленото приложение, като позволява създаването на следващото поколение високопроизводителни смазочни материали за взискателни промишлени приложения.

 
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Литература / Препратки