Nanosmøremidler forbedret ved ultralydsdispergering

Integrationen af nanoadditiver i smøremiddelformuleringer udgør et af de mest betydningsfulde fremskridt inden for tribologi i de senere år. Forskere og procesingeniører står dog over for en vedvarende udfordring: at opnå en homogen dispergering af partikler i nanoskala i viskøse basisolier uden at forringe deres strukturelle integritet. Traditionelle blandingsmetoder formår ofte ikke at nedbryde agglomerater effektivt, hvilket resulterer i uensartet produktydeevne og begrænset lagerstabilitet.

Løsningen: Ultralydsdispergering af nanoadditiver i smøremiddelformuleringer

Ultralyd med høj effekt er den overlegne løsning på disse dispergeringsudfordringer. Ved at udnytte principperne for akustisk kavitation skaber ultralydsudstyr skiftende højtryks- og lavtrykscyklusser i væskemedier. Under lavtrykscyklussen dannes små vakuumbobler i væsken. Når disse bobler når deres maksimale volumen og ikke kan optage mere energi, kollapser de voldsomt under højtrykscyklussen. Dette kollaps skaber lokale ekstreme forhold – temperaturer på op til cirka 5000 kelvin og tryk på over 1000 atmosfærer – som effektivt deagglomererer nanopartikelklynger og sikrer en ensartet fordeling i hele smøremiddelmatricen.
For procesingeniører betyder dette forskellen mellem et smøremiddel, der bundfælder og skiller inden for få uger, og et, der bevarer sin ydeevneprofil i hele komponentens levetid.

Casestudie: Nitrogendoterede bambuslignende kulstofnanorør i ledende smørefedt

Et overbevisende eksempel på ultralydsteknologiens effektivitet i smøremiddelproduktion kommer fra forskning offentliggjort i Journal of Materials Research and Technology (2019). Studiet med titlen “Anvendelse af nitrogendoterede bambuslignende kulstofnanorør til udvikling af elektrisk ledende smøremidler” viser, hvordan homogeniseringsudstyr af probetypen fra Hielscher, UIP1000hdT (340 W, 2 min behandlingstid), muliggjorde produktionen af homogent, stabilt og elektrisk ledende lejefedt.
Forskerne anvendte bambusformede kulstofnanorør (BCNTs) som ledende additiver til smørefedt. Indbygningen af nitrogen i den grafitiske struktur i nanorørenes sidevægge gav ekstraordinære elektroniske og strukturelle egenskaber, hvilket førte til fremragende adsorptionsegenskaber og elektrisk ledningsevne. Kulstofnanorør er bemærkelsesværdige elektrisk ledende nanostrukturerede materialer, og deres elektroniske egenskaber kan tilpasses målrettet ved at indbygge nitrogenatomer gennem doteringsteknikker.
Resultaterne understreger styrken ved ultralydsdispergering:

Dette casestudie fungerer som et teknisk bevis på konceptets gennemførlighed: Når det rette nanomateriale møder den rette ultralydsenergi, opnår det resulterende smøremiddel præstationsværdier, som tidligere blev anset for uopnåelige med konventionelle blandingsmetoder.

Central egenskab ved ultralydsdispergering af nanopartikler i smøremidler

Ultralydsdispergering giver enestående resultater, der bekræfter metodens industrielle potentiale:

• Minimalt behov for additiver: Relativt små mængder BCNT’er, nærmere bestemt 1,5 wt%, er tilstrækkelige til at opnå en god elektrisk ledningsevne i smørefedt på over 14 mS. Prøverne med nanorør udviser en god elektrisk ledningsevne på mellem 7 og 18,5 mS ved målinger i stilstand.
• Forbedret ydeevne under drift: Målinger af elektrisk ledningsevne under faktisk drift af kuglelejer viser endnu højere værdier, med en maksimal registreret værdi på 31,5 mS for formuleringen med 3% BCNT. Ledningsevnen stiger i hvert tilfælde sammenlignet med målinger i stilstand, hvilket indikerer, at mekanisk belastning under drift yderligere forbedrer de ledende forbindelser.
• Overlegne friktionsegenskaber: Effektive friktionsegenskaber opnås med prøverne tilsat 1,5 wt% BCNT, som viser friktionsmomenter på 6,1 og 5,1 Nmm. Dette viser, at en optimal additivkoncentration afbalancerer ledningsevne og mekanisk ydeevne.
• Forbedret termisk stabilitet: Tilsætning af silikoneolie med høj viskositet (5000 mm²/s) og pyrogen silica som fortykningsmidler øger dråbepunktet til over 150°C og afhjælper dermed en kritisk begrænsning ved anvendelser ved høje temperaturer.
• Optimerede formuleringer: PDMS-basisolien med 3% BCNT og 1,0% kolloidt SiO₂ og en viskositet på 50 mm/s viste sig velegnet til belastning af kuglelejer og kombinerede ledningsevne med mekanisk robusthed.

Ultralyd: Fordelen ved industriel opskalering

Mens udvikling i laboratorieskala med Hielscher UIP1000hdT viser konceptets gennemførlighed, ligger den egentlige værdi for industrielle anvendelser i den lineære skalerbarhed. Sonikatorer fra Hielscher tilbyder en unik fordel gennem deres evne til lineær opskalering, som muliggør en problemfri overgang fra behandling på laboratoriebordet inden for forskning og udvikling til inlineproduktion af store volumener.
Til industriel implementering kan procesingeniører anvende modellen UIP4000hdT på 4kW, sonikatoren UIP6000hdT på 6kW eller den kraftige UIP16000hdT på 16kW, udstyret med specialiserede gennemstrømningsceller. Denne lineære opskaleringsmetode sikrer, at formuleringer udviklet i laboratorieskala bevarer identisk dispergeringskvalitet og identiske partikelfordelingsegenskaber, når de fremstilles i produktionsskala. Den ensartethed, der opnås gennem ultralydsbehandling, eliminerer den variation fra batch til batch, som præger konventionelle blandingsmetoder. Dette er særligt kritisk for anvendelser af højtydende smøremidler inden for luft- og rumfart, bilindustrien og præcisionsmaskiner.

Hvorfor sonikering er vigtig for innovation inden for smøremidler

Fordelene ved ultralydsdispergering af nanoadditiver rækker ud over selve blandingseffektiviteten. Teknologien muliggør:

1. Øget additivindhold: Højere koncentrationer af nanoadditiver kan indarbejdes uden agglomeration, hvilket maksimerer fordelene for ydeevnen.
2. Forbedret lagerstabilitet: Homogene dispersioner forhindrer sedimentation og faseadskillelse over længere opbevaringsperioder.
3. Ensartet produktkvalitet: Hver produktionsbatch opnår identiske dispersionsegenskaber, hvilket er afgørende for anvendelser, der kræver streng kvalitetskontrol.
4. Reduceret behandlingstid: Ultralydskavitation opnår dispergering på minutter frem for de timer, som traditionelle metoder kræver.
5. Alsidighed på tværs af formuleringer: Teknologien fungerer med forskellige basisolier, fortykningsmidler og additivtyper og giver dermed fleksibilitet i udviklingen af formuleringer.

En ultralydsdispergator af probetypen fremstiller højtydende biosmøremidler.
(Studie og billede: Liu et al., 2020)

Forbedr din produktion af nanosmøremidler med ultralydsdispergering

Integrationen af ultralydsteknologi i produktionsprocesser for smøremidler udgør et paradigmeskift i måden, hvorpå nanoadditiver indarbejdes i smøremiddelformuleringer. Som det fremgår af den vellykkede udvikling af elektrisk ledende smørefedt med nitrogendoterede bambuslignende kulstofnanorør, giver sonikering med høj energi homogene, stabile dispersioner med enestående ydeevneegenskaber. Med Hielschers evne til lineær opskalering fra bordsonikatoren UIP1000hdT til industrielle inlinesonikatorer som UIP4000hdT, UIP6000hdT og UIP16000hdT med gennemstrømningsceller kan forskere og procesingeniører trygt gå fra opdagelser inden for forskning og udvikling til kommerciel produktion og sikre, at innovationen fra laboratoriet yder identisk på fabrikken.
Fremtiden for smøremiddelteknologi ligger ikke blot i at udvikle nye nanoadditiver, men i at mestre de dispergeringsteknikker, der frigør deres fulde potentiale. Ultralydsbehandling bygger bro mellem videnskabelige opdagelser og industriel anvendelse og muliggør den næste generation af højtydende smøremidler til krævende industrielle anvendelser.

 
Tabellen nedenfor giver dig et indtryk af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Ultralydsapparater fra Hielscher er velkendte for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og enkel betjening gør det muligt at integrere vores ultralydsapparater problemfrit i industrielle anlæg. Ultralydsapparater fra Hielscher håndterer nemt barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Ultralydsapparater fra Hielscher overholder naturligvis CE-kravene og opfylder kravene fra UL, CSA og RoHs.

Litteratur / Referencer

• 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.