Schmierstoffe - Nanopartikel verbessern Schmierstoff-Performance

Schmieröle können in hohem Maße von Nano-Zusatzstoffen profitieren, welche zugesetzt werden, um Reibung und Verschleiß zu verringern. Entscheidend ist jedoch, dass Nano-Zusatzstoffe wie Nanopartikel, Graphen-Monoschichten oder Core-Shell-Nanosphären gleichmäßig und einzeln im Schmierstoff dispergiert werden. Die Ultraschall-Dispergierung hat sich als zuverlässige und effiziente Mischmethode erwiesen, die eine homogene Verteilung der Nanopartikel gewährleistet und zuverlässig Aggregate zerschlägt.

Wie dispergiert man Nano-Additive in Schmiermitteln? – Mit Ultrasonics!

Die Verwendung von Nano-Zusatzstoffen in Schmierstoffen gilt als eine der wirksamsten Methoden zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften und zur Verringerung von Reibung und Verschleiß. Eine solche tribologische Verbesserung in Schmierstoffen trägt erheblich zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung bei und senkt damit die Umweltbelastung.
Die Herausforderung bei nanoverbesserten Schmierstoffen liegt in der Dispergierung: Nanomaterialien wie Nanopartikel oder kristalline Nano-Zellulose erfordern fokussierte Hochleistungs-Mischer mit hoher Scherkraft, welche die Nanomaterialien gleichmäßig in einzelne Partikel dispergieren und im Medium verteilen. Durch die Erzeugung einzigartiger energiedichter Felder hat sich die Beschallung mit Hochleistungs-Ultraschallsonotroden bei der Verarbeitung von Nanomaterialien als überlegene Mischtechnologie erwiesen und ist dadurch eine der etabliertesten Methoden für Nanodispersionen.
Ultraschall-Dispergierer können sowohl im Batch- als auch im kontinuierlichen Durchflussverfahren verwendet werden, um Nanofüllstoffen in Lacke einzuarbeiten.Molseh et al. (2009) zeigten, dass die Dispersionsstabilität von drei verschiedenen Nanopartikeln (Molybdändisulfid (MoS2), Wolframdisulfid (WS2) und hexagonales Bornitrid (hBN)) in CIMFLO 20 mittels Ultraschallbehandlung deutlich besser ist als wenn traditionelles mechanisches Schütteln und Rühren angewendet wird. Da die Ultraschallkavitation einzigartige energiedichte Bedingungen schafft, übertrifft die Beschallung mittels Ultraschallsonotrode herkömmliche Dispersionstechniken an Effektivität und Effizienz.
Die Eigenschaften von Nanopartikeln, wie Größe, Form und Konzentration, beeinflussen ihre tribologischen Eigenschaften. Während die ideale Nanogröße je nach Material variiert, weisen die meisten Nanopartikel im Bereich von zehn bis hundert Nanometern die höchste Funktionalität auf. Die ideale Konzentration von Nano-Additiven in Schmieröl liegt meist zwischen 0,1-5,0 %.
Oxid-Nanopartikel wie Al2O3, CuO oder ZnO werden häufig als Nanopartikel eingesetzt, um die tribologische Leistung von Schmierstoffen zu verbessern. Andere Additive, die häufig in Schmierstoffen eingesetzt werden, sind aschefreie Additive, ionische Flüssigkeiten, Boratester, anorganische Nanomaterialien und aus Kohlenstoff gewonnene Nanostrukturen wie Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), Graphit und Graphen. Spezifische Additive werden verwendet, um bestimmte Eigenschaften von Schmierölen zu verbessern. So enthalten beispielsweise verschleißverhindernde Schmierstoffe Hochdruckadditive wie Molybdändisulfid, Graphit, geschwefelte Olefine und Dialkyldithiocarbamatkomplexe oder Antiverschleißadditive wie Triarylphosphate und Zinkdialkyldithiophosphat.
Ultraschallhomogenisatoren (auch Ultraschallstabschwinger genannt) sind zuverlässige Mischer und werden für die Formulierung von Hochleistungsschmierstoffen eingesetzt. Die Beschallung gilt als überlegene Mischtechnologie, wenn es um die Herstellung von nano-skaligen Suspensionen geht, und ist bei der industriellen Herstellung von Schmierölen äußerst effizient.

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Hochleistungs-Ultraschallgeräte sind zuverlässige und hocheffiziente Inline-Mischsysteme für die Herstellung von Nano-Schmierstoffen.

Industrielles Ultraschall-Mischsystem für die Dispersion von Nanopartikeln in Schmierölen.

Das Video zeigt das Ultraschallmischen und Dispergieren von Graphit in 250 ml Epoxidharz (Toolcraft L) mit einem Ultraschallhomogenisator (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics stellt Geräte zum Dispergieren von Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Nanodrähten oder Füllstoffen im Labor oder in der Großserienproduktion her. Typische Anwendungen sind das Dispergieren von Nano- und Mikromaterialien während des Funktionalisierungsprozesses oder das Dispergieren in Harzen oder Polymeren.

Mischen von Epoxidharz mit Graphit-Füllstoff mit dem Ultraschallhomogenisator UP400St (400 Watt)

Ultraschall-gestützte Schmierstoffproduktion

  • verbesserte tribologische Performanz
  • gleichmäßige Dispersion von Nano-Additiven
  • Schmierstoffe auf Pflanzenölbasis
  • Herstellung von Tribofilmen
  • Flüssigkeiten für die Blechumformung
  • Nanofluide für verbesserte Kühlwirkung
  • ionische Flüssigkeiten in wässrigen oder ölhaltigen Schmierstoffen
  • Metallbearbeitungsflüssigkeiten
Aluminiumoxid wird in Schmiermitteln mittels Leistungs-Ultraschall dispergiert.

Die Ultraschall-Dispergierung von Aluminiumoxid (Al2O3) führt zu einer deutlichen Verringerung der Partikelgröße und einer gleichmäßigen Dispersion.

Herstellung von Schmierstoffen mit Nano-Additiven

Für die Herstellung von nano-verstärkten Schmierölen sind zum einen geeignete Nanomaterialien und zum anderen eine leistungsfähige, effiziente Dispersionstechnik entscheidend. Ohne zuverlässige und langzeitstabile Nano-Dispersion kann kein Hochleistungsschmierstoff hergestellt werden.
Das Mischen und Dispergieren mit Ultraschall ist ein bewährtes Verfahren zur Herstellung von Hochleistungsschmierstoffen. Das Grundöl von Schmierstoffen wird mit Additiven wie Nanomaterialien, Polymeren, Korrosionsinhibitoren, Antioxidantien und anderen feinen Aggregaten versetzt. Die Scherkräfte des Ultraschalls sind sehr effizient und sorgen für eine sehr feine Partikelgrößenverteilung. Ultraschallkräfte (sonomechanische Kräfte) sind in der Lage, selbst Primärpartikel zu zerkleinern, und werden zur Funktionalisierung von Partikeln eingesetzt, so dass die resultierenden Nanopartikel bessere Eigenschaften aufweisen (z. B. Oberflächenmodifikation, Core-Shell-NP, dotierte NPs).
Ultraschall-High-Shear-Mixer können wesentlich dazu beitragen, Hochleistungsschmierstoffe effizient herzustellen!

Das Ultraschall-Dispergieren ist sehr effizient für die Verteilung von Nano-Additiven wie Nanopartikeln, Korrosionsschutzmitteln und Verschleißschutzadditiven in Schmierölen.

Schmieröl mit Zinkdialkyldithiophosphat (ZDDP) und oberflächenmodifizierten PTFE-Nanopartikeln (PHGM) nach ultraschall-gestützter Dispergierung.
(Studie und Bild: Sharma et al., 2017)

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Neuartige Nano-Zusatzstoffe in Schmierölen

Neuartige Nano-Additive werden entwickelt, um die Funktionalitäten und die Leistung von Schmierölen und -fetten noch weiter zu verbessern. So werden beispielsweise Cellulose-Nanokristalle (CNCs) erforscht und für die Formulierung umweltfreundlicher Schmierstoffe getestet. Zakani et al. (2022) zeigten, dass – im Vergleich zu unbeschallten Schmierstoffsuspensionen – die mit Ultraschall behandelte CNC-Schmierstoffe den Reibungskoeffizienten (COF) und den Verschleiß um fast 25 bzw. 30 % senken konnten. Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass die Ultraschallbehandlung die Schmierleistung von wässrigen CNC-Suspensionen erheblich verbessern kann.

Hochleistungs-Ultraschall-Dispergierer für die Schmierstoffherstellung

Bei der Verwendung von Nano-Zusatzstoffen in industriellen Fertigungsprozessen wie der Herstellung von Schmierölen ist es entscheidend, dass trockene Pulver (d.h. Nanomaterialien) homogen in eine flüssige Phase (Schmieröl) eingemischt werden. Die Dispersion von Nanopartikeln erfordert eine zuverlässige und wirksame Mischtechnik, die genügend Energie aufbringt, um Agglomerate aufzubrechen und somit die Eigenschaften nanoskaliger Partikel freizusetzen. Ultraschallgeräte sind als leistungsstarke und zuverlässige Dispergiergeräte bekannt und werden daher eingesetzt, um verschiedene Materialien wie Aluminiumoxid, Nanoröhren, Graphen, Mineralien und viele andere Stoffe zu desagglomerieren und homogen in einer flüssigen Phase wie Mineral-, synthetischen oder pflanzlichen Ölen zu verteilen. Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschall-Dispergierer für jede Art von Homogenisierungs- und Deagglomerierungsanwendungen.
Kontaktieren Sie uns jetzt, um mehr über die Ultraschall-Dispersion von Nano-Additiven in Schmierstoffen zu erfahren!

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
15 bis 150 Liter 3 bis 15 l/min UIP6000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



Das mit Ultraschall dispergierte PTFE-Nanoschmiermittel zeigt nach der Ultraschallbehandlung eine gute Stabilität.

PTFE-Nano-Schmierstoffe nach 7 Tagen Herstellung (A: Basisöl, B: PTFE-Nanoschmierstoff mit 1 Std. Ultraschallbehandlung, C: PTFE-Nanolschmierstoff mit 30 Min. Ultraschallbehandlung).
(Studie und Bild: © Kumar et al., 2013)

Die Ultraschallbehandlung führt zu gleichmäßig verteilten und sehr stabilen Aluminium-Nanopartikeln in Schmierölen.

Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf die Dispersionsstabilität von Al2O3 in Schmiermitteln.
(Studie und Grafik: © Sharif et al., 2017)

Wissenswertes

Was sind Schmierstoffe?

Der Hauptzweck von Schmierstoffen oder Schmierölen besteht darin, Reibung und Verschleiß durch mechanischen Kontakt und Hitze zu verringern. Je nach Verwendung und Zusammensetzung werden Schmierstoffe in Motoröle, Getriebeöle, Hydraulikflüssigkeiten, Getriebeöle und Industrieschmierstoffe unterteilt.
Daher werden große Mengen Schmierstoffe in Kraftfahrzeugen und Industriemaschinen verwendet. Um eine gute Schmierung zu gewährleisten, enthalten Schmieröle in der Regel 90 % Basisöl (meist Erdölfraktionen, d.h. Mineralöle) und weniger als 10 % Additive. Werden keine Mineralöle verwendet, können Pflanzenöle oder synthetische Flüssigkeiten wie hydrierte Polyolefine, Ester, Silikone, Fluorkohlenwasserstoffe und viele andere als alternative Basisöle verwendet werden. Der Hauptzweck von Schmierstoffen ist die Verringerung von Reibung und Verschleiß bei mechanischem Kontakt sowie die Verringerung von Reibungswärme und Energieverlusten. Daher werden Schmierstoffe sowohl in Kraftfahrzeugen als auch in Industriemaschinen eingesetzt.
Antioxidative Substanzen wie aminische und phenolische Primärantioxidantien, natürliche Säuren, Peroxidzersetzer und Pyrazine verlängern die Lebensdauer von Schmierstoffen, indem sie die oxidative Beständigkeit erhöhen. Dadurch wird das Öl vor Hitze geschützt, da der thermo-oxidative Abbau in deutlich reduzierter und verzögerter Form erfolgt.

Schmierstoff-Typen

Flüssige Schmiermittel: Flüssige Schmierstoffe basieren im Allgemeinen auf einem Öl-Typ (Basisöl). Diesem Basisöl werden häufig weitere Stoffe zugesetzt, um die Funktionalität und Leistung zu verbessern. Typische Zusätze sind z. B. Wasser, Mineralöl, Lanolin, pflanzliche oder natürliche Öle, Nano-Additive usw.
Die meisten Schmierstoffe sind flüssig und können je nach ihrer Herkunft in zwei Gruppen eingeteilt werden:

  1. Mineralöle: Mineralöle sind Schmieröle, die aus Rohöl raffiniert werden.
  2. Synthetische Öle: Synthetische Öle sind Schmieröle, bei deren Herstellung künstlich modifizierte Substanzen oder aus modifiziertem Erdöl synthetisierte Verbindungen eingesetzt werden.

Schmierfett ist ein fester oder halbfester Schmierstoff, der aus einem flüssigen Schmiermittel besteht, das durch das Dispergieren von Verdickungsmitteln eingedickt wird. Zur Herstellung von Schmierfett werden Schmieröle als Ausgangsstoff verwendet, die damit den Hauptbestandteil darstellen. Schmierfett besteht zu ca. 70% bis 80% aus Schmieröl.

Kriechöle und Festschmierstoffe sind weitere Typen, die meist für Nischenanwendungen eingesetzt werden.

Zahlreiche Arten von Nanopartikeln wurden mit Hilfe von Ultraschalldispergierern erfolgreich in Schmiermittel eingearbeitet.

Die oben beispielhaft aufgeführten Nano-Zusatzstoffe können mit Hilfe von Ultraschall-Dispergierern erfolgreich in Schmierstoffe eingemischt werden.


 

Literatur / Literaturhinweise


Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Bench-top-Homogenisatoren bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.