Nanomaziva vylepšená ultrazvukovou disperzí

Začlenění nanoaditiv do formulací maziv představuje jeden z nejvýznamnějších pokroků v tribologii za posledních několik let. Výzkumníci a procesní inženýři však čelí přetrvávající výzvě: dosáhnout homogenní disperze částic nanometrických rozměrů ve viskózních základových olejích, aniž by došlo k narušení jejich strukturní integrity. Tradiční metody míchání často nedokážou účinně rozrušit aglomeráty, což vede k nekonzistentním užitným vlastnostem produktu a omezené skladovací stabilitě.

Řešení: ultrazvuková disperze nanoaditiv ve formulaci maziv

Vysoce výkonný ultrazvuk představuje lepší řešení těchto problémů s disperzí. Ultrazvuková zařízení využívají principů akustické kavitace a vytvářejí v kapalném médiu střídavé cykly vysokého a nízkého tlaku. Během cyklu nízkého tlaku vznikají v kapalině malé vakuové bublinky. Když tyto bublinky dosáhnou maximálního objemu a nemohou již absorbovat další energii, během cyklu vysokého tlaku prudce implodují. Tento kolaps vytváří lokálně extrémní podmínky – teploty dosahující přibližně 5000 kelvinů a tlaky přesahující 1000 atmosfér – a ty účinně deaglomerují shluky nanočástic a zajišťují rovnoměrnou distribuci v celé matrici maziva.
Pro procesní inženýry to znamená rozdíl mezi mazivem, které během několika týdnů sedimentuje a separuje se, a mazivem, které si zachovává svůj výkonnostní profil po celou dobu životnosti součásti.

Případová studie: dusíkem dopované bambusovité uhlíkové nanotrubice ve vodivých plastických mazivech

Přesvědčivý příklad účinnosti ultrazvukové technologie při výrobě maziv přináší výzkum publikovaný v časopise Journal of Materials Research and Technology (2019). Studie s názvem „Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants“ ukazuje, jak homogenizátor sondového typu Hielscher UIP1000hdT (340 W, doba zpracování 2 min) umožnil výrobu homogenních, stabilních a elektricky vodivých ložiskových plastických maziv.
Výzkumníci použili bambusovité uhlíkové nanotrubice (BCNT) jako vodivá aditiva do plastických maziv. Díky začlenění dusíku do grafitické struktury stěn nanotrubic se vyvinuly mimořádné elektronické a strukturní vlastnosti, které vedly k vynikajícímu adsorpčnímu chování a elektrické vodivosti. Uhlíkové nanotrubice jsou pozoruhodné elektricky vodivé nanostrukturované materiály a jejich elektronické vlastnosti lze cíleně ladit začleněním atomů dusíku pomocí dopovacích technik.
Výsledky zdůrazňují sílu ultrazvukové disperze:

Tato případová studie slouží jako technický důkaz koncepce: když se správný nanomateriál setká se správnou ultrazvukovou energií, dosáhne výsledné mazivo výkonnostních parametrů, které byly dříve pomocí konvenčních metod míchání považovány za nedosažitelné.

Klíčové vlastnosti ultrazvukové nanodisperze v mazivech

Přístup založený na ultrazvukové disperzi přináší výjimečné výsledky, které potvrzují jeho průmyslový potenciál:

• Minimální požadavky na aditiva: K dosažení dobré elektrické vodivosti plastických maziv přesahující 14 mS postačují relativně malá množství BCNT, konkrétně 1,5 wt%. Vzorky obsahující nanotrubice vykazují při stacionárních měřeních dobrou elektrickou vodivost v rozmezí od 7 do 18,5 mS.
• Zvýšený výkon během provozu: Měření elektrické vodivosti během skutečného provozu kuličkových ložisek odhalují ještě vyšší hodnoty, přičemž maximum 31,5 mS bylo zaznamenáno u formulace s 3 % BCNT. Vodivost se v každém případě zvyšuje ve srovnání s měřeními ve stacionárním stavu, což naznačuje, že mechanické namáhání během provozu dále zlepšuje vodivé dráhy.
• Vynikající třecí vlastnosti: Účinných třecích charakteristik je dosaženo u vzorků s obsahem 1,5 wt% BCNT, které vykazují hodnoty třecího momentu 6,1 a 5,1 Nmm. To dokazuje, že optimální koncentrace aditiv vyvažuje vodivost a mechanické vlastnosti.
• Zlepšená tepelná stabilita: Přídavek vysoce viskózního silikonového oleje (5000 mm²/s) a pyrogenní siliky jako zahušťovadel zvyšuje bod skápnutí nad 150°C, čímž řeší zásadní omezení ve vysokoteplotních aplikacích.
• Optimalizované formulace: Základový olej PDMS s viskozitou 50 mm/s obsahující 3 % BCNT a 1,0 % koloidního SiO₂ se ukázal jako dobře vhodný pro zatěžování kuličkových ložisek, protože kombinuje vodivost s mechanickou odolností.

Ultrazvuk: výhoda při průmyslovém zvětšování měřítka

Zatímco vývoj v laboratorním měřítku s přístrojem Hielscher UIP1000hdT poskytuje důkaz koncepce, skutečná hodnota pro průmyslové aplikace spočívá v lineární škálovatelnosti. Sonikátory Hielscher nabízejí jedinečnou výhodu díky možnosti lineárního zvětšování měřítka, která umožňuje plynulý přechod od stolního zpracování ve výzkumu a vývoji k inline výrobě velkých objemů.
Pro průmyslovou realizaci mohou procesní inženýři využít 4kW model UIP4000hdT, 6kW sonikátor UIP6000hdT nebo výkonný 16kW UIP16000hdT vybavené specializovanými průtokovými celami. Tento přístup lineárního zvětšování měřítka zajišťuje, že formulace vyvinuté v laboratorním měřítku si při výrobě v provozním měřítku zachovají identickou kvalitu disperze a charakteristiky distribuce částic. Konzistence dosažená ultrazvukovým zpracováním eliminuje variabilitu mezi jednotlivými šaržemi, která sužuje konvenční metody míchání, což je obzvláště důležité pro aplikace vysoce výkonných maziv v leteckém a automobilovém průmyslu a v oblasti přesných strojů.

Proč je ultrasonikace důležitá pro inovace maziv

Výhody ultrazvukové disperze nanoaditiv přesahují pouhou účinnost míchání. Tato technologie umožňuje:

1. Vyšší obsah aditiv: Lze začlenit vyšší koncentrace nanoaditiv bez aglomerace, a maximalizovat tak přínosy pro užitné vlastnosti.
2. Zlepšená skladovací stabilita: Homogenní disperze zabraňují sedimentaci a fázové separaci během delšího skladování.
3. Konzistentní kvalita produktu: Každá výrobní šarže dosahuje identických disperzních charakteristik, což je zásadní pro aplikace vyžadující přísnou kontrolu kvality.
4. Kratší doba zpracování: Ultrazvuková kavitace dosahuje disperze během minut namísto hodin, které vyžadují tradiční metody.
5. Univerzálnost napříč formulacemi: Technologie funguje s různými základovými oleji, zahušťovadly a typy aditiv, což poskytuje flexibilitu při vývoji formulací.

Ultrazvukové disperzéry sondového typu vytvářejí vysoce výkonná biomaziva.
(Studie a obrázek: Liu et al., 2020)

Zdokonalte svou výrobu nanomaziv pomocí ultrazvukové disperze

Integrace ultrazvukové technologie do výrobních procesů maziv představuje změnu paradigmatu v tom, jak se nanoaditiva začleňují do formulací maziv. Jak ukazuje úspěšný vývoj elektricky vodivých plastických maziv s dusíkem dopovanými bambusovitými uhlíkovými nanotrubicemi, vysokoenergetická ultrasonikace poskytuje homogenní, stabilní disperze s výjimečnými užitnými vlastnostmi. Díky možnosti lineárního zvětšování měřítka společnosti Hielscher od stolního sonikátoru UIP1000hdT až po průmyslové inline sonikátory, jako jsou modely UIP4000hdT, UIP6000hdT a UIP16000hdT s průtokovými celami, mohou výzkumníci a procesní inženýři s jistotou přejít od objevů ve výzkumu a vývoji ke komerční výrobě a zajistit, že inovace dosažená v laboratoři bude v továrně fungovat identicky.
Budoucnost technologie maziv nespočívá jen ve vývoji nových nanoaditiv, ale také ve zvládnutí disperzních technik, které uvolní jejich plný potenciál. Ultrazvukové zpracování tvoří most mezi vědeckým objevem a průmyslovou aplikací a umožňuje novou generaci vysoce výkonných maziv pro náročné průmyslové aplikace.

Níže uvedená tabulka vám poskytne představu o přibližné kapacitě zpracování našich ultrazvukových přístrojů:

Návrh, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou známé svou nejvyšší kvalitou a konstrukčními standardy. Robustnost a snadná obsluha umožňují bezproblémovou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě vyhovují požadavkům CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Literatura / Reference

• 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.