Durch Ultraschalldispersion verbesserte Nanenschmierstoffe

Die Einbindung von Nanoadditiven in Schmierstoffformulierungen stellt einen der bedeutendsten Fortschritte in der Tribologie der letzten Jahre dar. Forscher und Verfahrenstechniker stehen jedoch vor einer anhaltenden Herausforderung: der homogenen Dispersion von Partikeln im Nanobereich in viskosen Grundölen, ohne deren strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Herkömmliche Mischverfahren sind oft nicht in der Lage, Agglomerate effektiv aufzubrechen, was zu uneinheitlicher Produktleistung und eingeschränkter Lagerstabilität führt.

Die Lösung: Dispersion von Nano-Additiven mittels Ultraschall in Schmierstoffformulierungen

Hochleistungsultraschall ist die optimale Lösung für diese Dispersionsprobleme. Durch die Nutzung der Prinzipien der akustischen Kavitation erzeugen Ultraschallgeräte in flüssigen Medien abwechselnde Hoch- und Niederdruckzyklen. Während des Unterdruckzyklus bilden sich kleine Vakuumblasen in der Flüssigkeit. Wenn diese Blasen ihr maximales Volumen erreichen und keine weitere Energie mehr aufnehmen können, kollabieren sie während des Überdruckzyklus mit großer Wucht. Dieser Kollaps erzeugt lokal extreme Bedingungen – Temperaturen von etwa 5000 Kelvin und Drücke von über 1000 Atmosphären – die Nanopartikel-Cluster wirksam aufbrechen und eine gleichmäßige Verteilung in der gesamten Schmierstoffmatrix gewährleisten.
Für Verfahrenstechniker bedeutet dies den Unterschied zwischen einem Schmierstoff, der sich innerhalb weniger Wochen absetzt und abscheidet, und einem, der sein Leistungsprofil über die gesamte Lebensdauer des Bauteils beibehält.

Fallstudie: Stickstoffdotierte, bambusähnliche Kohlenstoffnanoröhren in leitfähigen Fetten

Ein eindrucksvolles 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 „Anwendung von mit Stickstoff dotierten, bambusartigen Kohlenstoffnanoröhren zur Entwicklung elektrisch leitfähiger Schmierstoffe,“ zeigt, wie mit dem Sondenhomogenisator Hielscher UIP1000hdT (340 W, 2 min Verarbeitungszeit) homogene, stabile und elektrisch leitfähige Lagerfette hergestellt werden konnten.
Die Forscher setzten bambusförmige Kohlenstoffnanoröhren (BCNTs) als leitfähige Additive für Schmierfette ein. Durch den Einbau von Stickstoffatomen in die graphitartige Struktur der Nanoröhren-Seitenwände entwickelten sich außergewöhnliche elektronische und strukturelle Eigenschaften, die zu einem hervorragenden Adsorptionsverhalten und einer ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit führten. Kohlenstoffnanoröhren sind bemerkenswerte, elektrisch leitfähige nanostrukturierte Materialien, deren elektronische Eigenschaften durch die Einlagerung von Stickstoffatomen mittels Dotierungstechniken gezielt angepasst werden können.
Die Ergebnisse unterstreichen die Leistungsfähigkeit der Ultraschalldispersion:

Diese Fallstudie dient als technischer Proof of Concept: Wenn das richtige Nanomaterial auf die richtige Ultraschallenergie trifft, erreicht das daraus resultierende Schmiermittel Leistungskennzahlen, die mit herkömmlichen Mischverfahren bisher als unerreichbar galten.

Das Hauptmerkmal der Ultraschall-Nanodispersion in Schmierstoffen

Das Verfahren der Ultraschalldispersion liefert außergewöhnliche Ergebnisse, die sein industrielles Potenzial untermauern:

• Mindestanforderungen an Zusatzstoffe: Relativ geringe Mengen an BCNTs, genauer gesagt 1,5 Gew.-%, reichen aus, um eine gute elektrische Leitfähigkeit der Fette von über 14 mS zu erzielen. Die nanoröhrenhaltigen Proben weisen bei stationären Messungen eine gute elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 7 bis 18,5 mS auf.
• Verbesserte Leistung im Betrieb: Messungen der elektrischen Leitfähigkeit während des tatsächlichen Betriebs von Kugellagern ergeben noch höhere Werte, wobei bei der 3-prozentigen BCNT-Formulierung ein Maximalwert von 31,5 mS gemessen wurde. Die Leitfähigkeit steigt in jedem Fall im Vergleich zu Messungen im stationären Zustand an, was darauf hindeutet, dass mechanische Beanspruchung während des Betriebs die Leitungswege weiter verbessert.
• Hervorragende Reibungsleistung: Bei den mit 1,5 Gew.-% BCNT versetzten Proben werden effiziente Reibungseigenschaften erzielt, die sich in Reibungsdrehmomentwerten von 6,1 und 5,1 Nmm äußern. Dies zeigt, dass eine optimale Additivkonzentration ein Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit und mechanischer Leistungsfähigkeit herstellt.
• Verbesserte thermische Stabilität: Durch die Zugabe von hochviskosem Silikonöl (5000 mm²/s) und pyrogener Kieselsäure als Verdickungsmittel wird der Tropfpunkt auf über 150 °C angehoben, wodurch eine entscheidende Einschränkung bei Hochtemperaturanwendungen beseitigt wird.
• Optimierte Rezepturen: Das 3 % BCNT und 1,0 % kolloidales SiO₂ enthaltende PDMS-Grundöl mit einer Viskosität von 50 mm/s erwies sich als gut geeignet für die Befüllung von Kugellagern, da es Leitfähigkeit mit mechanischer Robustheit vereint.

Ultraschall: Der Vorteil der industriellen Skalierung

Während die Entwicklung im Labormaßstab mit dem Hielscher UIP1000hdT den Proof of Concept belegt, liegt der wahre Wert für industrielle Anwendungen in der linearen Skalierbarkeit. Die Ultraschallgeräte von Hielscher bieten durch ihre lineare Skalierbarkeit einen einzigartigen Vorteil und ermöglichen einen nahtlosen Übergang von der F&Von der Tischverarbeitung bis zur Inline-Produktion großer Stückzahlen.
Für den industriellen Einsatz können Verfahrenstechniker das 4-kW-Modell UIP4000hdT, den 6-kW-Ultraschallapparat UIP6000hdT oder den leistungsstarken 16-kW-Ultraschallapparat UIP16000hdT nutzen, der mit speziellen Durchflusszellen ausgestattet ist. Dieser lineare Scale-up-Ansatz stellt sicher, dass im Labormaßstab entwickelte Formulierungen auch bei der Herstellung im Produktionsmaßstab die gleiche Dispersionsqualität und die gleichen Partikelverteilungseigenschaften aufweisen. Die durch die Ultraschallverarbeitung erzielte Konsistenz beseitigt die von Charge zu Charge auftretenden Schwankungen, die bei herkömmlichen Mischverfahren auftreten – ein Aspekt, der insbesondere für Hochleistungsschmierstoffanwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und im Präzisionsmaschinenbau von entscheidender Bedeutung ist.

Warum Ultraschall für Innovationen im Bereich Schmierstoffe wichtig ist

Die Vorteile der Dispersion von Nano-Additiven mittels Ultraschall gehen über die reine Mischeffizienz hinaus. Die Technologie ermöglicht:

1. Erhöhte Additivdosierung: Es können höhere Konzentrationen an Nano-Additiven ohne Agglomeration eingearbeitet werden, wodurch die Leistungsvorteile maximiert werden.
2. Verbesserte Haltbarkeit: Homogene Dispersionen verhindern eine Sedimentation und Phasentrennung über längere Lagerzeiten hinweg.
3. Gleichbleibende Produktqualität: Jede Produktionscharge weist identische Dispersionseigenschaften auf, was für Anwendungen, die eine strenge Qualitätskontrolle erfordern, von entscheidender Bedeutung ist.
4. Verkürzte Bearbeitungszeit: Durch Ultraschallkavitation lässt sich die Dispersion innerhalb von Minuten erreichen, während herkömmliche Verfahren dafür mehrere Stunden benötigen.
5. Vielseitigkeit bei verschiedenen Formulierungen: Die Technologie lässt sich mit verschiedenen Grundölen, Verdickungsmitteln und Additivtypen kombinieren und bietet somit Flexibilität bei der Entwicklung von Formulierungen.

Mit Ultraschall-Sonden-Dispergierern lassen sich hochleistungsfähige Bio-Schmierstoffe herstellen.
(Studie und Abbildung: Liu et al., 2020)

Optimieren Sie Ihre Nano-Schmierstoffproduktion durch Ultraschalldispersion

Die Integration der Ultraschalltechnologie in Schmierstoffherstellungsprozesse stellt einen Paradigmenwechsel hinsichtlich der Einarbeitung von Nanoadditiven in Schmierstoffformulierungen dar. Wie die erfolgreiche Entwicklung elektrisch leitfähiger Fette unter Verwendung von stickstoffdotierten, bambusartigen Kohlenstoffnanoröhren gezeigt hat, liefert die Hochenergie-Ultraschallbehandlung homogene, stabile Dispersionen mit außergewöhnlichen Leistungseigenschaften. Dank der linearen Skalierbarkeit von Hielscher, die vom Tischsonikator UIP1000hdT bis hin zu industriellen Inline-Sonikatoren wie dem UIP4000hdT reicht, UIP6000hdT und UIP16000hdT mit Durchflusszellen können Forscher und Verfahrenstechniker sicher von der Forschung&Von der Forschung bis zur kommerziellen Produktion – dabei wird sichergestellt, dass die im Labor erzielte Innovation in der Fabrik genau dieselbe Leistung erbringt.
Die Zukunft der Schmierstofftechnologie liegt nicht nur in der Entwicklung neuer Nano-Additive, sondern auch in der Beherrschung der Dispersionstechniken, die deren volles Potenzial erschließen. Die Ultraschallverarbeitung bildet die Brücke zwischen wissenschaftlicher Forschung und industrieller Anwendung und ermöglicht so die nächste Generation von Hochleistungsschmierstoffen für anspruchsvolle industrielle Anwendungen.

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

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Literaturhinweise