Durch Ultraschalldispergierung verbesserte Nano-Schmierstoffe

Die Integration von Nanoadditiven in Schmierstoffformulierungen stellt einen der bedeutendsten Fortschritte in der Tribologie der letzten Jahre dar. Forschende und Verfahrenstechniker stehen jedoch vor einer anhaltenden Herausforderung: nanoskalige Partikel in viskosen Grundölen homogen zu dispergieren, ohne ihre strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Herkömmliche Mischverfahren können Agglomerate häufig nicht wirksam aufbrechen, was zu einer uneinheitlichen Produktleistung und begrenzten Lagerstabilität führt.

Die Lösung: Ultraschalldispergierung von Nanoadditiven bei der Schmierstoffformulierung

Hochleistungsultraschall ist die überlegene Lösung für diese Herausforderungen bei der Dispergierung. Auf Grundlage der Prinzipien der akustischen Kavitation erzeugen Ultraschallgeräte abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen in flüssigen Medien. Während des Niederdruckzyklus bilden sich kleine Vakuumblasen in der Flüssigkeit. Wenn diese Blasen ihr maximales Volumen erreichen und keine weitere Energie aufnehmen können, kollabieren sie während des Hochdruckzyklus heftig. Dieser Kollaps erzeugt lokal extreme Bedingungen – Temperaturen von etwa 5000 Kelvin und Drücke von mehr als 1000 Atmosphären –, die Nanopartikelcluster wirksam deagglomerieren und eine gleichmäßige Verteilung in der gesamten Schmierstoffmatrix gewährleisten.
Für Verfahrenstechniker bedeutet dies den Unterschied zwischen einem Schmierstoff, bei dem sich innerhalb weniger Wochen Bestandteile absetzen und Phasen trennen, und einem Schmierstoff, der sein Leistungsprofil über die gesamte Lebensdauer des Bauteils beibehält.

Fallstudie: Stickstoffdotierte bambusartige Kohlenstoffnanoröhren in leitfähigen Schmierfetten

Ein überzeugendes Beispiel für die Wirksamkeit der Ultraschalltechnologie bei der Schmierstoffherstellung liefert eine im Journal of Materials Research and Technology (2019) veröffentlichte Forschungsarbeit. Die Studie mit dem Titel „Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants“ zeigt, wie der Ultraschallhomogenisator UIP1000hdT mit Sonotrode von Hielscher (340 W, 2 min Behandlungsdauer) die Herstellung homogener, stabiler und elektrisch leitfähiger Lagerfette ermöglichte.
Die Forschenden verwendeten bambusförmige Kohlenstoffnanoröhren (BCNTs) als leitfähige Additive für Schmierfette. Durch den Einbau von Stickstoff in die graphitische Struktur der Seitenwände der Nanoröhren entstanden außergewöhnliche elektronische und strukturelle Eigenschaften, die zu einem hervorragenden Adsorptionsverhalten und einer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit führten. Kohlenstoffnanoröhren sind bemerkenswerte elektrisch leitfähige nanostrukturierte Materialien, deren elektronische Eigenschaften durch den Einbau von Stickstoffatomen mittels Dotierungstechniken gezielt eingestellt werden können.
Die Ergebnisse unterstreichen die Leistungsfähigkeit der Ultraschalldispergierung:

Diese Fallstudie dient als technischer Machbarkeitsnachweis: Wenn das richtige Nanomaterial auf die richtige Ultraschallenergie trifft, erreicht der daraus entstehende Schmierstoff Leistungskennwerte, die mit herkömmlichen Mischverfahren zuvor als unerreichbar galten.

Zentrales Merkmal der Ultraschall-Nanodispergierung in Schmierstoffen

Die Ultraschalldispergierung liefert außergewöhnliche Ergebnisse, die ihr industrielles Potenzial bestätigen:

• Minimaler Additivbedarf: Relativ geringe Mengen an BCNTs, konkret 1,5 wt%, reichen aus, um eine gute elektrische Leitfähigkeit der Schmierfette von mehr als 14 mS zu erreichen. Die nanoröhrenhaltigen Proben zeigen bei Messungen im Stillstand eine gute elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 7 bis 18,5 mS.
• Verbesserte Leistung im Betrieb: Messungen der elektrischen Leitfähigkeit während des tatsächlichen Kugellagerbetriebs zeigen noch höhere Werte, wobei mit der Formulierung mit 3% BCNT ein Höchstwert von 31,5 mS gemessen wurde. Die Leitfähigkeit steigt in jedem Fall gegenüber den Messungen im Stillstand, was darauf hindeutet, dass die mechanische Beanspruchung während des Betriebs die leitfähigen Pfade weiter verbessert.
• Überlegenes Reibungsverhalten: Die mit 1,5 wt% BCNT versetzten Proben erzielen ein günstiges Reibungsverhalten mit Reibmomenten von 6,1 und 5,1 Nmm. Dies zeigt, dass eine optimale Additivkonzentration die Leitfähigkeit mit der mechanischen Leistungsfähigkeit in Einklang bringt.
• Verbesserte thermische Stabilität: Die Zugabe von hochviskosem Silikonöl (5000 mm²/s) und pyrogener Kieselsäure als Verdickungsmittel erhöht den Tropfpunkt auf über 150°C und behebt damit eine entscheidende Einschränkung bei Hochtemperaturanwendungen.
• Optimierte Formulierungen: Das PDMS-Grundöl mit 3% BCNT und 1,0% kolloidalem SiO₂ sowie einer Viskosität von 50 mm/s erwies sich als gut geeignet für die Belastung von Kugellagern und vereint Leitfähigkeit mit mechanischer Robustheit.

Ultraschall: Der Vorteil bei der industriellen Maßstabsvergrößerung

Während die Entwicklung im Labormaßstab mit dem UIP1000hdT von Hielscher die Machbarkeit nachweist, liegt der eigentliche Nutzen für industrielle Anwendungen in der linearen Skalierbarkeit. Ultraschallgeräte von Hielscher bieten durch ihre Fähigkeit zur linearen Maßstabsvergrößerung einen einzigartigen Vorteil und ermöglichen den nahtlosen Übergang von der Verarbeitung mit Tischgeräten in Forschung und Entwicklung zur Inline-Produktion großer Mengen.
Für die industrielle Umsetzung können Verfahrenstechniker das Modell UIP4000hdT mit 4kW, das Ultraschallgerät UIP6000hdT mit 6kW oder den leistungsstarken UIP16000hdT mit 16kW einsetzen, jeweils ausgestattet mit speziellen Durchflusszellen. Dieser Ansatz der linearen Maßstabsvergrößerung gewährleistet, dass im Labormaßstab entwickelte Formulierungen bei der Herstellung im Produktionsmaßstab eine identische Dispergierqualität und identische Partikelverteilungseigenschaften beibehalten. Die durch die Ultraschallverarbeitung erreichte Einheitlichkeit beseitigt die Schwankungen zwischen Chargen, die bei herkömmlichen Mischverfahren auftreten. Dies ist besonders entscheidend für Anwendungen von Hochleistungsschmierstoffen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und im Präzisionsmaschinenbau.

Warum Ultraschallbehandlung für Innovationen bei Schmierstoffen wichtig ist

Die Vorteile der Ultraschalldispergierung von Nanoadditiven gehen über die reine Mischeffizienz hinaus. Die Technologie ermöglicht:

1. Höhere Additivbeladung: Höhere Konzentrationen an Nanoadditiven können ohne Agglomeration eingearbeitet werden, wodurch die Leistungsvorteile maximiert werden.
2. Verbesserte Lagerstabilität: Homogene Dispersionen verhindern Sedimentation und Phasentrennung über längere Lagerungszeiträume.
3. Konstante Produktqualität: Jede Produktionscharge erreicht identische Dispersionseigenschaften, was für Anwendungen mit strengen Anforderungen an die Qualitätskontrolle entscheidend ist.
4. Kürzere Verarbeitungszeit: Ultraschallkavitation erzielt die Dispergierung innerhalb von Minuten, während herkömmliche Verfahren Stunden benötigen.
5. Vielseitigkeit bei unterschiedlichen Formulierungen: Die Technologie lässt sich mit verschiedenen Grundölen, Verdickungsmitteln und Additivtypen einsetzen und bietet dadurch Flexibilität bei der Formulierungsentwicklung.

Ultraschalldispergierer mit Sonotrode erzeugen leistungsstarke Bioschmierstoffe.
(Studie und Bild: Liu et al., 2020)

Verbessern Sie Ihre Nano-Schmierstoffproduktion mit Ultraschalldispergierung

Die Integration der Ultraschalltechnologie in die Schmierstoffproduktion stellt einen Paradigmenwechsel bei der Einarbeitung von Nanoadditiven in Schmierstoffformulierungen dar. Wie die erfolgreiche Entwicklung elektrisch leitfähiger Schmierfette mit stickstoffdotierten bambusartigen Kohlenstoffnanoröhren zeigt, liefert die energiereiche Ultraschallbehandlung homogene, stabile Dispersionen mit außergewöhnlichen Leistungseigenschaften. Dank der linearen Skalierbarkeit der Ultraschallgeräte von Hielscher – vom Tisch-Ultraschallgerät UIP1000hdT bis zu industriellen Inline-Ultraschallgeräten wie UIP4000hdT, UIP6000hdT und UIP16000hdT mit Durchflusszellen – können Forschende und Verfahrenstechniker zuverlässig von Erkenntnissen aus Forschung und Entwicklung zur kommerziellen Produktion übergehen und sicherstellen, dass die im Labor erzielte Innovation in der Fertigung die gleiche Leistung erbringt.
Die Zukunft der Schmierstofftechnologie liegt nicht nur in der Entwicklung neuer Nanoadditive, sondern auch in der Beherrschung der Dispergiertechniken, die deren volles Potenzial erschließen. Die Ultraschallverarbeitung schlägt die Brücke zwischen wissenschaftlicher Entdeckung und industrieller Anwendung und ermöglicht die nächste Generation von Hochleistungsschmierstoffen für anspruchsvolle industrielle Anwendungen.

 
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste Qualitäts- und Entwicklungsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Quellen

• 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.