Наносмазочни материали, подобрени чрез ултразвуково диспергиране

Включването на нанодобавки в съставите на смазочните материали представлява едно от най-значимите постижения в трибологията през последните години. Изследователите и инженерите по технологични процеси обаче се сблъскват с постоянно предизвикателство: постигането на хомогенно диспергиране на наномащабни частици във вискозни базови масла, без да се нарушава структурната им цялост. Традиционните методи за смесване често не успяват да разрушат ефективно агломератите, което води до непостоянни експлоатационни характеристики на продукта и ограничена стабилност при съхранение.

Решението: ултразвуково диспергиране на нанодобавки при формулирането на смазочни материали

Ултразвукът с висока мощност е най-доброто решение за тези предизвикателства при диспергирането. Използвайки принципите на акустичната кавитация, ултразвуковото оборудване създава редуващи се цикли на високо и ниско налягане в течни среди. По време на цикъла на ниско налягане в течността се образуват малки вакуумни мехурчета. Когато тези мехурчета достигнат максималния си обем и не могат да поглъщат повече енергия, те се свиват и разрушават бурно по време на цикъла на високо налягане. Това разрушаване създава локализирани екстремни условия – температури, достигащи приблизително 5000 келвина, и налягания, надвишаващи 1000 атмосфери – които ефективно деагломерират струпванията от наночастици и осигуряват равномерното им разпределение в цялата матрица на смазочния материал.
За инженерите по технологични процеси това означава разликата между смазочен материал, който се утаява и разслоява в рамките на седмици, и такъв, който запазва експлоатационните си характеристики през целия експлоатационен живот на компонента.

Пример от изследване: легирани с азот бамбукоподобни въглеродни нанотръби в електропроводими греси

Убедителен пример за ефективността на ултразвуковата технология при производството на смазочни материали е изследване, публикувано в Journal of Materials Research and Technology (2019). Изследването, озаглавено „Приложение на легирана с азот бамбукоподобна въглеродна нанотръба за разработване на електропроводими смазочни материали“, показва как хомогенизаторът от сонден тип Hielscher UIP1000hdT (340 W, време за обработка 2 min) е позволил производството на хомогенни, стабилни и електропроводими лагерни греси.
Изследователите са използвали въглеродни нанотръби с бамбукоподобна форма (BCNTs) като електропроводими добавки за греси. Включването на азот в графитната структура на страничните стени на нанотръбите е довело до развитие на изключителни електронни и структурни свойства, осигуряващи отлични адсорбционни характеристики и електропроводимост. Въглеродните нанотръби са забележителни електропроводими наноструктурирани материали, а електронните им свойства могат да бъдат целенасочено регулирани чрез включване на азотни атоми посредством техники за легиране.
Резултатите подчертават силата на ултразвуковото диспергиране:

Този пример от изследване служи като техническо доказателство за приложимостта на концепцията: когато подходящият наноматериал се съчетае с подходящата ултразвукова енергия, полученият смазочен материал постига експлоатационни показатели, които преди са били считани за недостижими чрез конвенционалните методи за смесване.

Основна характеристика на ултразвуковото нанодиспергиране в смазочни материали

Подходът с ултразвуково диспергиране дава изключителни резултати, които потвърждават потенциала му за промишлено приложение:

• Минимални необходими количества добавки: Относително малки количества BCNTs, по-конкретно 1,5 wt%, са достатъчни за постигане на добра електропроводимост на гресите, надвишаваща 14 mS. Пробите, съдържащи нанотръби, показват добра електропроводимост в диапазона от 7 до 18,5 mS при измервания в неподвижно състояние.
• Подобрени експлоатационни характеристики по време на работа: Измерванията на електропроводимостта по време на действителна работа на сачмените лагери показват още по-високи стойности, като при състава с 3% BCNT е регистриран максимум от 31,5 mS. Във всеки случай електропроводимостта се увеличава спрямо измерванията в неподвижно състояние, което показва, че механичното натоварване по време на работа допълнително подобрява пътищата за провеждане на електрически ток.
• Превъзходни характеристики на триене: При пробите със съдържание на 1,5 wt% BCNT се постигат ефективни характеристики на триене, като стойностите на момента на триене са 6,1 и 5,1 Nmm. Това показва, че оптималната концентрация на добавката осигурява баланс между електропроводимостта и механичните характеристики.
• Подобрена термична стабилност: Добавянето на силиконово масло с висок вискозитет (5000 mm²/s) и пирогенен силициев диоксид като сгъстители повишава температурата на капене до над 150°C, преодолявайки критично ограничение при високотемпературни приложения.
• Оптимизирани състави: Базовото масло от PDMS с вискозитет 50 mm/s, съдържащо 3% BCNT и 1,0% колоиден SiO₂, се е оказало подходящо за натоварването на сачмените лагери, като съчетава електропроводимост с механична устойчивост.

Ултразвукова технология: предимството при мащабиране до промишлени обеми

Докато разработването в лабораторен мащаб с Hielscher UIP1000hdT доказва приложимостта на концепцията, истинската стойност за промишлените приложения се крие в линейната мащабируемост. Ултразвуковите апарати на Hielscher предлагат уникално предимство благодарение на възможността си за линейно мащабиране, което позволява плавен преход от обработка с настолно оборудване за научноизследователска и развойна дейност към производство на големи обеми в поточна линия.
За промишлено внедряване инженерите по технологични процеси могат да използват модела UIP4000hdT с мощност 4kW, ултразвуковия апарат UIP6000hdT с мощност 6kW или мощния UIP16000hdT с мощност 16kW, оборудвани със специализирани проточни клетки. Този подход на линейно мащабиране гарантира, че съставите, разработени в лабораторен мащаб, запазват идентично качество на диспергиране и характеристики на разпределението на частиците при производство в промишлен мащаб. Постоянството, постигнато чрез ултразвуковата обработка, елиминира различията между партидите, характерни за конвенционалните методи за смесване, което е особено важно за приложенията на високоефективни смазочни материали в аерокосмическата и автомобилната промишленост и в прецизното машиностроене.

Защо ултразвуковата обработка е важна за иновациите в смазочните материали

Предимствата на ултразвуковото диспергиране на нанодобавки надхвърлят простото повишаване на ефективността на смесването. Технологията позволява:

1. Повишено съдържание на добавки: Могат да се включват по-високи концентрации на нанодобавки без агломерация, което увеличава максимално ползите за експлоатационните характеристики.
2. Подобрена стабилност при съхранение: Хомогенните дисперсии предотвратяват утаяването и разделянето на фазите при продължително съхранение.
3. Постоянно качество на продукта: Всяка производствена партида постига идентични характеристики на дисперсията, което е от решаващо значение за приложения, изискващи строг контрол на качеството.
4. Намалено време за обработка: Ултразвуковата кавитация постига диспергиране за минути вместо за часовете, необходими при традиционните методи.
5. Универсалност при различни състави: Технологията е приложима при различни базови масла, сгъстители и видове добавки, като осигурява гъвкавост при разработването на състави.

Ултразвуковият диспергатор от сонден тип създава високоефективни биосмазочни материали.
(Изследване и изображение: Liu et al., 2020)

Подобрете производството си на наносмазочни материали чрез ултразвуково диспергиране

Внедряването на ултразвукова технология в процесите за производство на смазочни материали представлява промяна на парадигмата за начина, по който нанодобавките се включват в съставите на смазочните материали. Както показва успешното разработване на електропроводими греси с легирани с азот бамбукоподобни въглеродни нанотръби, високоенергийната ултразвукова обработка осигурява хомогенни, стабилни дисперсии с изключителни експлоатационни характеристики. Благодарение на възможността на Hielscher за линейно мащабиране от настолния ултразвуков апарат UIP1000hdT до промишлени модели за обработка в поточна линия като UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP16000hdT с проточни клетки, изследователите и инженерите по технологични процеси могат уверено да преминат от открития в научноизследователската и развойната дейност към търговско производство, като гарантират, че постигнатата в лабораторията иновация дава идентични резултати в завода.
Бъдещето на технологията на смазочните материали е не само в разработването на нови нанодобавки, но и в овладяването на техниките за диспергиране, които разкриват пълния им потенциал. Ултразвуковата обработка осигурява връзката между научното откритие и промишленото приложение, позволявайки създаването на следващото поколение високоефективни смазочни материали за взискателни промишлени приложения.

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

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре известни с най-високите си стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесното управление позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени инсталации. Ултразвуковите апарати на Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни среди.

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

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.
• Kałużny Jarosł, Waligórski M, Szymański GM, Merkisz J, Różański J, Nowicki M, Al Karawi M, Kempa K. (2020): Reducing friction and engine vibrations with trace amounts of carbon nanotubes in the lubricating oil. Tribology International 2020.
• 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.
• Li J, Du C, Delgado MA, et al. (2026): The application of nanocellulose in eco-friendly lubricants: A review. Friction, 2026.