Nanosmøremidler forbedret ved hjælp af ultralydsdispersion

Integrationen af nano-tilsætningsstoffer i smøremiddelformuleringer udgør et af de mest betydningsfulde fremskridt inden for tribologi i de seneste år. Forskere og procesingeniører står imidlertid over for en vedvarende udfordring: at opnå en homogen spredning af partikler i nanoskala i viskose baseolier uden at forringe deres strukturelle integritet. Traditionelle blandingsmetoder formår ofte ikke at nedbryde agglomerater effektivt, hvilket resulterer i uensartet produktydelse og begrænset holdbarhed.

Løsningen: Dispersion af nano-tilsætningsstoffer ved hjælp af ultralyd i smøremiddelsammensætningen

Højtydende ultralyd er den bedste løsning på disse dispersionsudfordringer. Ved at udnytte principperne for akustisk kavitation skaber ultralydsudstyr skiftende cyklusser med højt og lavt tryk i flydende medier. Under lavtrykscyklussen dannes der små vakuumbobler i væsken. Når disse bobler når deres maksimale volumen og ikke længere kan absorbere mere energi, kollapser de voldsomt under højtrykscyklussen. Dette kollaps skaber lokale ekstreme forhold – temperaturer på omkring 5000 Kelvin og tryk på over 1000 atmosfærer – som effektivt opløser nanopartikelklynger og sikrer en jævn fordeling i hele smøremiddelmatrixen.
For procesingeniører betyder det forskellen mellem et smøremiddel, der bundfælder sig og adskiller sig inden for få uger, og et, der bevarer sine ydeevneegenskaber gennem hele komponentens levetid.

Casestudie: Kvælstofdoterede bambuslignende kulstofnanorør i ledende fedtstoffer

Et overbevisende eksempel på ultralydsteknologiens effektivitet inden for smøremiddelfremstilling stammer fra en undersøgelse, der blev offentliggjort i tidsskriftet *Journal of Materials Research and Technology* (2019). Undersøgelsen, der har titlen “Anvendelse af kvælstofdoterede bambuslignende kulstofnanorør til udvikling af elektrisk ledende smøremidler,” viser, hvordan Hielschers UIP1000hdT-homogenisator med sonde (340 W, 2 minutters behandlingstid) gjorde det muligt at fremstille homogene, stabile og elektrisk ledende lejefedt.
Forskerne anvendte bambusformede kulstofnanorør (BCNT’er) som ledende tilsætningsstoffer til smøremidler. Takket være indlejringen af nitrogen i den grafitiske struktur i nanorørenes sidevægge udviklede der sig enestående elektroniske og strukturelle egenskaber, hvilket førte til fremragende adsorptionsadfærd og elektrisk ledningsevne. Kulstofnanorør er bemærkelsesværdige, elektrisk ledende nanostrukturerede materialer, og deres elektroniske egenskaber kan tilpasses specifikt ved at indarbejde nitrogenatomer gennem doteringsteknikker.
Resultaterne understreger effektiviteten af ultralydsdispersion:

Denne casestudie fungerer som et teknisk proof of concept: Når det rette nanomateriale kombineres med den rette ultralydsenergi, opnår det resulterende smøremiddel ydeevneparametre, som tidligere blev anset for uopnåelige ved hjælp af konventionelle blandingsmetoder.

Hovedegenskab ved ultralydsbaseret nanodispersion i smøremidler

Ultralydsdispersionsmetoden giver enestående resultater, der bekræfter dens industrielle potentiale:

• Minimale krav til tilsætningsstoffer: Relativt små mængder BCNT’er, nærmere bestemt 1,5 vægtprocent, er tilstrækkelige til at opnå en god elektrisk ledningsevne i fedtstoffer på over 14 mS. De nanorørsholdige prøver udviser en god elektrisk ledningsevne på mellem 7 og 18,5 mS ved stationære målinger.
• Forbedret ydeevne under drift: Målinger af elektrisk ledningsevne under faktisk drift af kuglelejer viser endnu højere værdier, hvor der blev registreret et maksimum på 31,5 mS med 3 % BCNT-formuleringen. Ledningsevnen stiger i alle tilfælde sammenlignet med målinger i stationær tilstand, hvilket tyder på, at mekanisk belastning under drift yderligere forbedrer de ledende veje.
• Fremragende friktionsegenskaber: Der opnås effektive friktionsegenskaber med prøverne tilsat 1,5 vægtprocent BCNT, som udviser friktionsmomentværdier på henholdsvis 6,1 og 5,1 Nmm. Dette viser, at den optimale tilsætningskoncentration skaber en balance mellem ledningsevne og mekaniske egenskaber.
• Forbedret termisk stabilitet: Tilsætning af silikoneolie med høj viskositet (5000 mm²/s) og pyrogent siliciumdioxid som fortykningsmidler hæver dryppepunktet til over 150 °C, hvilket løser en afgørende begrænsning i anvendelser ved høje temperaturer.
• Optimerede formuleringer: PDMS-baseolien, der indeholdt 3 % BCNT og 1,0 % kolloidalt SiO₂ og havde en viskositet på 50 mm/s, viste sig at være velegnet til anvendelse i kuglelejer, idet den kombinerede ledningsevne med mekanisk robusthed.

Ultralyd: Fordelen ved opskalering i industriel skala

Selvom udviklingen i laboratorieomfang ved hjælp af Hielscher UIP1000hdT viser, at konceptet fungerer, ligger den egentlige værdi for industrielle anvendelser i den lineære skalerbarhed. Hielschers ultralydsapparater tilbyder en unik fordel gennem deres evne til lineær opskalering, hvilket muliggør en problemfri overgang fra R&Fra bordbaseret forarbejdning til integreret produktion af store mængder.
Til industriel anvendelse kan procesingeniører benytte 4 kW-modellen UIP4000hdT, 6 kW-sonikatoren UIP6000hdT eller den kraftfulde 16 kW-model UIP16000hdT, der er udstyret med specialiserede gennemstrømningsceller. Denne lineære opskalering sikrer, at formuleringer, der er udviklet i laboratorieformat, bevarer den samme dispersionskvalitet og partikelfordelingsegenskaber, når de fremstilles i produktionsskala. Den konsistens, der opnås gennem ultralydsbehandling, eliminerer den variation fra batch til batch, der plager konventionelle blandingsmetoder, hvilket er særligt afgørende for højtydende smøremiddelapplikationer inden for luftfart, bilindustrien og præcisionsmaskiner.

Hvorfor ultralyd er vigtigt for innovation inden for smøremidler

Fordelene ved dispersion af nano-tilsætningsstoffer ved hjælp af ultralyd rækker ud over blot at sikre en effektiv blanding. Teknologien muliggør:

1. Forøget tilsætningsstofindhold: Der kan tilsættes højere koncentrationer af nano-tilsætningsstoffer uden, at der opstår agglomerering, hvilket maksimerer ydeevnefordelene.
2. Forbedret holdbarhed: Homogene dispersioner forhindrer bundfældning og faseadskillelse ved længerevarende opbevaring.
3. Ensartet produktkvalitet: Hvert produktionsparti opnår identiske spredningsegenskaber, hvilket er afgørende for anvendelser, der kræver streng kvalitetskontrol.
4. Reduceret behandlingstid: Ultralydskavitation opnår spredning på få minutter i stedet for de timer, der kræves ved traditionelle metoder.
5. Alsidighed på tværs af formuleringer: Teknologien fungerer med forskellige baseolier, fortykningsmidler og additivtyper, hvilket giver fleksibilitet i udviklingen af formuleringer.

Ultralydsdispersorer af sondetypen fremstiller højtydende biosmøremidler.
(Undersøgelse og billede: Liu m.fl., 2020)

Optimer din produktion af nanosmøremidler med ultralydsdispersion

Integrationen af ultralydsteknologi i produktionsprocesserne for smøremidler udgør et paradigmeskifte i måden, hvorpå nanoadditiver inkorporeres i smøremiddelformuleringer. Som den vellykkede udvikling af elektrisk ledende fedt med nitrogen-doterede bambuslignende kulstofnanorør viser, giver højenergi-ultralydsbehandling homogene, stabile dispersioner med enestående ydeevneegenskaber. Med Hielschers lineære opskaleringsmuligheder fra bordsonikatoren UIP1000hdT til industrielle inline-sonikatorer som UIP4000hdT, UIP6000hdT og UIP16000hdT med gennemstrømningsceller, kan forskere og procesingeniører trygt overgå fra R&Fra forskning til kommerciel produktion, hvor vi sikrer, at den innovation, der er udviklet i laboratoriet, fungerer på nøjagtig samme måde i fabrikken.
Fremtiden inden for smøremiddelteknologi ligger ikke blot i udviklingen af nye nano-tilsætningsstoffer, men også i at mestre de dispersionsteknikker, der udnytter deres fulde potentiale. Ultralydsbehandling udgør broen mellem videnskabelige opdagelser og industriel anvendelse og baner vejen for den næste generation af højtydende smøremidler til krævende industrielle anvendelser.

 
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Litteratur / Referencer