Schmierstoffe mit durch Nanopartikel verbesserten Funktionseigenschaften

Schmieröle können erheblich von Nanoadditiven profitieren, die zur Verringerung von Reibung und Verschleiß beitragen. Entscheidend ist jedoch, dass Nanoadditive wie Nanopartikel, Graphenmonolagen oder Kern-Schale-Nanokugeln gleichmäßig und einzeln im Schmierstoff dispergiert sind. Die Ultraschalldispergierung hat sich als zuverlässige und effiziente Mischmethode bewährt, die eine homogene Verteilung der Nanopartikel gewährleistet und Aggregation verhindert.

Wie lassen sich Nanoadditive in Schmierflüssigkeiten dispergieren? – Mit Ultraschall!

Der Einsatz von Nanoadditiven in Schmierstoffen gilt als eine der wirksamsten Methoden zur Verbesserung tribologischer Eigenschaften und damit zur Verringerung von Reibung und Verschleiß. Eine solche tribologische Verbesserung trägt erheblich zur Energieeinsparung und Emissionsminderung bei und reduziert dadurch die Umweltbelastung.
Die Herausforderung bei durch Nanomaterialien verbesserten Schmierstoffen liegt im Mischen: Nanomaterialien wie Nanopartikel oder kristalline Nanozellulose erfordern Hochschermischer mit konzentrierter Wirkung, die die Nanomaterialien gleichmäßig dispergieren und zu einzelnen Partikeln entflechten. Die Ultraschallbehandlung mit Hochleistungssonotroden erzeugt einzigartige Felder hoher Energiedichte und hat sich bei der Verarbeitung von Nanomaterialien als überlegen erwiesen. Sie ist daher eine etablierte Methode zur Herstellung von Nanodispersionen.
Molseh et al. (2009) zeigten, dass die Dispersionsstabilität dreier verschiedener Nanopartikelarten (Molybdändisulfid (MoS2), Wolframdisulfid (WS2) und hexagonales Bornitrid (hBN)) in CIMFLO 20 bei Ultraschallbehandlung besser war als bei mechanischem Schütteln und Rühren. Da Ultraschallkavitation einzigartige Bedingungen mit hoher Energiedichte erzeugt, übertrifft die Ultraschallbehandlung mit Sonotroden herkömmliche Dispergiertechniken hinsichtlich Wirksamkeit und Effizienz.
Eigenschaften von Nanopartikeln wie Größe, Form und Konzentration beeinflussen ihre tribologischen Eigenschaften. Während die ideale Nanopartikelgröße vom Material abhängt, zeigen die meisten Nanopartikel im Bereich von zehn bis hundert Nanometern die beste Funktionalität. Die ideale Konzentration von Nanoadditiven im Schmieröl liegt meist im Bereich von 0,1–5,0%.
Oxidnanopartikel wie Al2O3, CuO oder ZnO werden häufig zur Verbesserung der tribologischen Leistungsfähigkeit von Schmierstoffen eingesetzt. Weitere Additive sind aschefreie Additive, ionische Flüssigkeiten, Borsäureester, anorganische Nanomaterialien und kohlenstoffbasierte Nanostrukturen wie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Graphit und Graphen. Bestimmte Additive werden eingesetzt, um gezielt einzelne Eigenschaften von Schmierölen zu verbessern. Beispielsweise enthalten verschleißmindernde Schmierstoffe Hochdruckadditive wie Molybdändisulfid, Graphit, geschwefelte Olefine und Dialkyldithiocarbamat-Komplexe oder Verschleißschutzadditive wie Triarylphosphate und Zinkdialkyldithiophosphat.
Ultraschallhomogenisatoren mit Sonotroden sind zuverlässige Mischer und werden zur Formulierung von Hochleistungsschmierstoffen eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung ist für ihre Überlegenheit bei der Herstellung von Suspensionen mit nanoskaligen Partikeln bekannt und für die industrielle Herstellung von Schmierölen hocheffizient.
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Die Ultraschalldispergierung von Aluminiumoxid (Al2O3) führt zu einer deutlichen Verringerung der Partikelgröße und einer gleichmäßigen Dispergierung.

Herstellung von Schmierstoffen mit Nanoadditiven

Für die Herstellung von durch Nanomaterialien verstärkten Schmierölen sind geeignete Nanomaterialien und eine leistungsstarke, effiziente Dispergiertechnik entscheidend. Ohne eine zuverlässige und langfristig stabile Nanodispersion lässt sich kein Hochleistungsschmierstoff herstellen.
Das Mischen und Dispergieren mit Ultraschall ist eine etablierte Methode zur Herstellung von Hochleistungsschmierstoffen. Das Grundöl der Schmierstoffe wird mit Additiven wie Nanomaterialien, Polymeren, Korrosionsinhibitoren, Antioxidantien und anderen feinen Zuschlagstoffen angereichert. Die Scherkräfte des Ultraschalls sind sehr effizient und sorgen für eine sehr feine Partikelgrößenverteilung. Ultraschallkräfte (sonomechanische Kräfte) können sogar Primärpartikel zerkleinern und werden zur Funktionalisierung von Partikeln eingesetzt, sodass die entstehenden Nanopartikel überlegene Eigenschaften aufweisen (z. B. Oberflächenmodifikation, Kern-Schale-Nanopartikel, dotierte Nanopartikel).
Ultraschall-Hochschermischer können wesentlich zur effizienten Herstellung von Hochleistungsschmierstoffen beitragen!

Neuartige Nanoadditive in Schmierölen

Neuartige nanoskalige Additive werden entwickelt, um die Funktionseigenschaften und Leistungsfähigkeit von Schmierölen und Schmierfetten weiter zu verbessern. Beispielsweise werden Zellulose-Nanokristalle (CNCs) für die Formulierung umweltfreundlicher Schmierstoffe erforscht und getestet. Zakani et al. (2022) zeigten, dass ultraschallbehandelte CNC-Schmierstoffe – im Vergleich zu nicht ultraschallbehandelten Schmiersuspensionen – den COF (Reibungskoeffizienten) und den Verschleiß um nahezu 25 bzw. 30% verringern konnten. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass eine Ultraschallbehandlung die Schmierleistung wässriger CNC-Suspensionen deutlich verbessern kann.

Hochleistungs-Ultraschalldispergierer für die Schmierstoffherstellung

Wenn Nanoadditive in industriellen Herstellungsprozessen wie der Produktion von Schmierölen eingesetzt werden, ist es entscheidend, dass trockene Pulver (also Nanomaterialien) homogen in eine flüssige Phase (Schmieröl) eingemischt werden. Die Dispergierung von Nanopartikeln erfordert eine zuverlässige und wirksame Mischtechnik, die genügend Energie einträgt, um Agglomerate aufzubrechen und die Eigenschaften nanoskaliger Partikel zur Geltung zu bringen. Ultraschallgeräte sind als leistungsstarke und zuverlässige Dispergierer bekannt. Daher werden sie eingesetzt, um verschiedene Materialien wie Aluminiumoxid, Nanoröhren, Graphen, Mineralien und viele weitere Materialien zu deagglomerieren und homogen in einer flüssigen Phase wie Mineralölen, synthetischen Ölen oder Pflanzenölen zu verteilen. Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt Hochleistungs-Ultraschalldispergierer für Homogenisierungs- und Deagglomerationsanwendungen aller Art.
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Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: