Λιπαντικά με λειτουργικές ιδιότητες βελτιωμένες μέσω νανοσωματιδίων
Τα λιπαντικά έλαια μπορούν να ωφεληθούν σημαντικά από τα νανοπρόσθετα, τα οποία συμβάλλουν στη μείωση της τριβής και της φθοράς. Ωστόσο, είναι κρίσιμο τα νανοπρόσθετα, όπως τα νανοσωματίδια, οι μονοστιβάδες γραφενίου ή οι νανοσφαίρες πυρήνα–κελύφους, να είναι ομοιόμορφα διασπαρμένα στο λιπαντικό ως μεμονωμένα σωματίδια. Η διασπορά με υπερήχους έχει αποδειχθεί αξιόπιστη και αποδοτική μέθοδος ανάμειξης, εξασφαλίζοντας ομοιογενή κατανομή των νανοσωματιδίων και αποτρέποντας τη συσσωμάτωση.
Πώς διασπείρονται τα νανοπρόσθετα στα λιπαντικά υγρά; – Με υπερήχους!
Η χρήση νανοπροσθέτων στα λιπαντικά θεωρείται μία από τις αποτελεσματικότερες μεθόδους για τη βελτίωση των τριβολογικών χαρακτηριστικών, μειώνοντας την τριβή και τη φθορά. Αυτή η τριβολογική βελτίωση ενισχύει σημαντικά την εξοικονόμηση ενέργειας και τη μείωση των εκπομπών, περιορίζοντας έτσι τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις.
Η πρόκληση στα λιπαντικά που έχουν βελτιωθεί με νανοϋλικά έγκειται στην ανάμειξη: Τα νανοϋλικά, όπως τα νανοσωματίδια ή η κρυσταλλική νανοκυτταρίνη, απαιτούν αναμικτήρες υψηλής διάτμησης με εστιασμένη δράση, οι οποίοι διασπείρουν ομοιόμορφα τα νανοϋλικά και τα αποδιαπλέκουν σε μεμονωμένα σωματίδια. Δημιουργώντας μοναδικά πεδία υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, η κατεργασία με υπερήχους με τη χρήση ανιχνευτών υπερήχων υψηλής ισχύος έχει αποδειχθεί ανώτερη στην επεξεργασία νανοϋλικών και αποτελεί, ως εκ τούτου, την καθιερωμένη μέθοδο για νανοδιασπορές.
Οι Molseh et al. (2009) έδειξαν ότι η σταθερότητα της διασποράς τριών διαφορετικών νανοσωματιδίων (δισουλφίδιο του μολυβδαινίου (MoS2), δισουλφίδιο του βολφραμίου (WS2) και εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (hBN)) στο CIMFLO 20 με κατεργασία με υπερήχους ήταν καλύτερη από εκείνη με μηχανική ανακίνηση και ανάδευση. Καθώς η σπηλαίωση που προκαλείται από υπερήχους δημιουργεί μοναδικές συνθήκες υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, η κατεργασία με υπερήχους με ανιχνευτή υπερέχει των συμβατικών τεχνικών διασποράς ως προς την αποτελεσματικότητα και την αποδοτικότητα.
Τα χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων, όπως το μέγεθος, το σχήμα και η συγκέντρωση, επηρεάζουν τις τριβολογικές τους ιδιότητες. Ενώ το ιδανικό νανομέγεθος ποικίλλει ανάλογα με το υλικό, τα περισσότερα νανοσωματίδια παρουσιάζουν τη μέγιστη λειτουργικότητά τους στην περιοχή από δέκα έως εκατό νανόμετρα. Η ιδανική συγκέντρωση νανοπροσθέτων στο λιπαντικό έλαιο κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 0,1–5,0% .
Νανοσωματίδια οξειδίων, όπως Al2O3, CuO ή ZnO, χρησιμοποιούνται ευρέως ως νανοσωματίδια που βελτιώνουν την τριβολογική απόδοση των λιπαντικών. Άλλα πρόσθετα περιλαμβάνουν πρόσθετα χωρίς τέφρα, ιοντικά υγρά, βορικούς εστέρες, ανόργανα νανοϋλικά και νανοδομές προερχόμενες από άνθρακα, όπως νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), γραφίτη και γραφένιο. Συγκεκριμένα πρόσθετα χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση συγκεκριμένων ιδιοτήτων των λιπαντικών ελαίων. Για παράδειγμα, τα λιπαντικά που προλαμβάνουν τη φθορά περιέχουν πρόσθετα ακραίων πιέσεων, όπως δισουλφίδιο του μολυβδαινίου, γραφίτη, θειωμένες ολεφίνες και διαλκυλοδιθειοκαρβαμιδικά σύμπλοκα, ή πρόσθετα κατά της φθοράς, όπως φωσφορικούς τριαρυλεστέρες και διαλκυλοδιθειοφωσφορικό ψευδάργυρο.
Οι ομογενοποιητές υπερήχων με ανιχνευτή είναι αξιόπιστοι αναμικτήρες και χρησιμοποιούνται για την παρασκευή λιπαντικών υψηλής απόδοσης. Αναγνωρισμένη ως ανώτερη όσον αφορά την παρασκευή εναιωρημάτων νανομετρικού μεγέθους, η κατεργασία με υπερήχους είναι ιδιαίτερα αποδοτική για τη βιομηχανική παραγωγή λιπαντικών ελαίων.
Διαβάστε περισσότερα για τους διασπορείς υπερήχων για την παραγωγή νανολιπαντικών!
Βιομηχανικό σύστημα ανάμειξης με υπερήχους για τη διασπορά νανοσωματιδίων σε λιπαντικά έλαια με υψηλή δυναμικότητα επεξεργασίας.
- βελτιωμένη τριβολογική απόδοση
- ομοιόμορφη ενσωμάτωση νανοπροσθέτων
- λιπαντικά με βάση φυτικά έλαια
- παρασκευή τριβολογικού υμενίου
- υγρά διαμόρφωσης μεταλλικών ελασμάτων
- νανορευστά για βελτιωμένη αποτελεσματικότητα ψύξης
- ιοντικά υγρά σε υδατικά λιπαντικά ή λιπαντικά με βάση έλαιο
- υγρά γλύφανσης
Η διασπορά οξειδίου του αργιλίου (Al2O3) με υπερήχους οδηγεί σε σημαντική μείωση του μεγέθους των σωματιδίων και σε ομοιόμορφη διασπορά.
Παραγωγή λιπαντικών με νανοπρόσθετα
Για την παραγωγή λιπαντικών ελαίων ενισχυμένων με νανοϋλικά, είναι καθοριστικής σημασίας η επιλογή κατάλληλου νανοϋλικού και μιας ισχυρής, αποδοτικής τεχνικής διασποράς. Χωρίς αξιόπιστη νανοδιασπορά με μακροχρόνια σταθερότητα, δεν είναι δυνατή η παρασκευή λιπαντικού υψηλών επιδόσεων.
Η ανάμειξη και η διασπορά με υπερήχους αποτελούν καθιερωμένη μέθοδο για την παραγωγή λιπαντικών υψηλών επιδόσεων. Το βασικό έλαιο των λιπαντικών ενισχύεται με πρόσθετα όπως νανοϋλικά, πολυμερή, αναστολείς διάβρωσης, αντιοξειδωτικά και άλλα λεπτόκοκκα συσσωματώματα. Οι δυνάμεις διάτμησης που παράγονται με υπερήχους είναι ιδιαίτερα αποδοτικές στην επίτευξη κατανομής μεγέθους σωματιδίων με πολύ λεπτά σωματίδια. Οι δυνάμεις υπερήχων (ηχομηχανικές δυνάμεις) μπορούν να αλέσουν ακόμη και πρωτογενή σωματίδια και εφαρμόζονται για τη λειτουργικοποίηση σωματιδίων, ώστε τα νανοσωματίδια που προκύπτουν να προσφέρουν ανώτερα χαρακτηριστικά (π.χ. τροποποίηση επιφάνειας, νανοσωματίδια πυρήνα–κελύφους, νανοσωματίδια με προσμίξεις).
Οι αναμείκτες υπερήχων υψηλής διάτμησης μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στην αποδοτική παρασκευή λιπαντικών υψηλών επιδόσεων!
Μείγμα ελαίων με διαλκυλοδιθειοφωσφορικό ψευδάργυρο (ZDDP) και επιφανειακά τροποποιημένα νανοσωματίδια PTFE (PHGM) μετά από διασπορά με υπερήχους.
(Μελέτη και εικόνα: Sharma et al., 2017)
Νέα νανοπρόσθετα σε λιπαντικά έλαια
Αναπτύσσονται νέα πρόσθετα νανομεγέθους για την περαιτέρω βελτίωση των λειτουργικών ιδιοτήτων και των επιδόσεων των λιπαντικών ελαίων και γράσων. Για παράδειγμα, οι νανοκρύσταλλοι κυτταρίνης (CNCs) ερευνώνται και δοκιμάζονται για την παρασκευή οικολογικών λιπαντικών. Οι Zakani et al. (2022) έδειξαν ότι – σε σύγκριση με λιπαντικά εναιωρήματα που δεν είχαν υποστεί κατεργασία με υπερήχους – τα λιπαντικά CNC που είχαν υποστεί κατεργασία με υπερήχους μπορούσαν να μειώσουν τον COF (συντελεστή τριβής) και τη φθορά κατά σχεδόν 25 και 30% αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης υποδηλώνουν ότι η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη λιπαντική απόδοση των υδατικών εναιωρημάτων CNC.
Συσκευές διασποράς με υπερήχους υψηλών επιδόσεων για την παραγωγή λιπαντικών
Όταν χρησιμοποιούνται νανοπρόσθετα σε βιομηχανικές διεργασίες παραγωγής, όπως η παραγωγή λιπαντικών ελαίων, είναι καθοριστικής σημασίας οι ξηρές σκόνες (δηλ. τα νανοϋλικά) να αναμειγνύονται ομοιογενώς σε μια υγρή φάση (λιπαντικό έλαιο). Η διασπορά νανοσωματιδίων απαιτεί μια αξιόπιστη και αποτελεσματική τεχνική ανάμειξης, η οποία παρέχει επαρκή ενέργεια για τη διάσπαση των συσσωματωμάτων, ώστε να αξιοποιηθούν οι ιδιότητες των σωματιδίων νανοκλίμακας. Οι συσκευές υπερήχων είναι ευρέως γνωστές ως ισχυρές και αξιόπιστες συσκευές διασποράς και, ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται για την αποσυσσωμάτωση και την ομοιογενή κατανομή διαφόρων υλικών, όπως οξείδιο του αργιλίου, νανοσωλήνες, γραφένιο, ορυκτά και πολλά άλλα υλικά, σε μια υγρή φάση, όπως ορυκτέλαια, συνθετικά ή φυτικά έλαια. Η Hielscher Ultrasonics σχεδιάζει, κατασκευάζει και διανέμει συσκευές διασποράς με υπερήχους υψηλών επιδόσεων για κάθε είδους εφαρμογές ομογενοποίησης και αποσυσσωμάτωσης.
Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τη διασπορά νανοπροσθέτων σε λιπαντικά με υπερήχους!
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 έως 150L | 3 έως 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για εφαρμογές ανάμειξης, διασποράς, γαλακτωματοποίησης και εκχύλισης σε εργαστηριακή, πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Νανολιπαντικά PTFE 7 ημέρες μετά την παρασκευή τους (A: βασικό έλαιο, B: νανολιπαντικό PTFE με κατεργασία με υπερήχους διάρκειας 1 hr, C: νανολιπαντικό PTFE με κατεργασία με υπερήχους διάρκειας 30 min.).
(Μελέτη και εικόνα: © Kumar et al., 2013)
Επίδραση της κατεργασίας με υπερήχους στη σταθερότητα της διασποράς του Al2O3 σε λιπαντικά.
(Μελέτη και γράφημα: © Sharif et al., 2017)
Χρήσιμες πληροφορίες
Τι είναι τα λιπαντικά;
Η κύρια χρήση των λιπαντικών ή λιπαντικών ελαίων είναι η μείωση της τριβής και της φθοράς από τη μηχανική επαφή, καθώς και της θερμότητας. Ανάλογα με τη χρήση και τη σύνθεσή τους, τα λιπαντικά διακρίνονται σε έλαια κινητήρων, υγρά μετάδοσης κίνησης, υδραυλικά υγρά, έλαια οδοντωτών μεταδόσεων και βιομηχανικά λιπαντικά.
Επομένως, τα λιπαντικά χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο στα μηχανοκίνητα οχήματα όσο και στα βιομηχανικά μηχανήματα. Για να εξασφαλίζουν καλή λίπανση, τα λιπαντικά έλαια περιέχουν συνήθως 90% βασικό έλαιο (κυρίως κλάσματα πετρελαίου, δηλαδή ορυκτέλαια) και λιγότερο από 10% πρόσθετα. Όταν αποφεύγονται τα ορυκτέλαια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτικά βασικά έλαια φυτικά έλαια ή συνθετικά υγρά, όπως υδρογονωμένες πολυολεφίνες, εστέρες, σιλικόνες, φθοράνθρακες και πολλά άλλα. Η κύρια χρήση των λιπαντικών είναι η μείωση της τριβής και της φθοράς από τη μηχανική επαφή, καθώς και η μείωση της θερμότητας λόγω τριβής και των ενεργειακών απωλειών. Επομένως, τα λιπαντικά χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο στα μηχανοκίνητα οχήματα όσο και στα βιομηχανικά μηχανήματα.
Αντιοξειδωτικές ουσίες, όπως αμινικά και φαινολικά πρωτογενή αντιοξειδωτικά, φυσικά οξέα, ουσίες που διασπούν τα υπεροξείδια και πυραζίνες, παρατείνουν τον κύκλο ζωής των λιπαντικών αυξάνοντας την αντοχή τους στην οξείδωση. Με τον τρόπο αυτό, το βασικό έλαιο προστατεύεται από τη θερμική αποδόμηση, καθώς η θερμοοξειδωτική διάσπαση περιορίζεται και καθυστερεί.
Τύποι λιπαντικών
Υγρά λιπαντικά: Τα υγρά λιπαντικά βασίζονται γενικά σε έναν τύπο βασικού ελαίου. Σε αυτό το βασικό έλαιο προστίθενται συχνά άλλες ουσίες για τη βελτίωση της λειτουργικότητας και της απόδοσης. Στα συνήθη πρόσθετα περιλαμβάνονται, για παράδειγμα, νερό, ορυκτέλαιο, λανολίνη, φυτικό ή φυσικό έλαιο, νανοπρόσθετα κ.λπ.
Η πλειονότητα των λιπαντικών είναι υγρά και μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με την προέλευσή τους σε δύο ομάδες:
- Ορυκτέλαια: Τα ορυκτέλαια είναι λιπαντικά έλαια που παράγονται με διύλιση αργού πετρελαίου.
- Συνθετικά έλαια: Τα συνθετικά έλαια είναι λιπαντικά έλαια που παρασκευάζονται με τη χρήση ενώσεων οι οποίες τροποποιούνται τεχνητά ή συντίθενται από τροποποιημένο πετρέλαιο.
Το λιπαντικό γράσο είναι ένα στερεό ή ημιστερεό λιπαντικό που αποτελείται από ένα υγρό λιπαντικό, το οποίο υφίσταται πάχυνση μέσω της διασποράς πηκτικών παραγόντων σε αυτό. Για την παραγωγή λιπαντικού γράσου, τα λιπαντικά έλαια χρησιμοποιούνται ως βασικά έλαια και αποτελούν το κύριο συστατικό. Το λιπαντικό γράσο περιέχει περίπου 70% έως 80% λιπαντικό έλαιο.
Τα διεισδυτικά λιπαντικά και τα ξηρά λιπαντικά είναι επιπλέον τύποι, οι οποίοι χρησιμοποιούνται κυρίως σε εξειδικευμένες εφαρμογές.
Τα βιολιπαντικά αναφέρονται κυρίως στο βασικό υγρό ή στο συνολικό περιβαλλοντικό προφίλ και όχι απαραίτητα στη βιολογική προέλευση κάθε επιμέρους προσθέτου. Τα βιολιπαντικά βασίζονται συνήθως σε φυτικά έλαια, συνθετικούς εστέρες, έλαια φυτικής προέλευσης ή άλλα ανανεώσιμα/βιοαποικοδομήσιμα βασικά υλικά. Ωστόσο, όπως και τα συμβατικά λιπαντικά, συχνά εξακολουθούν να απαιτούν λειτουργικά πρόσθετα για τη βελτίωση της προστασίας από τη φθορά, της σταθερότητας έναντι της οξείδωσης, της προστασίας από τη διάβρωση, της συμπεριφοράς του ιξώδους και της ικανότητας παραλαβής φορτίων. Αυτό σημαίνει ότι τα βιολιπαντικά ορίζονται ευρέως με βάση την ανανεώσιμη προέλευση, τη βιοαποικοδομησιμότητα, τη χαμηλή τοξικότητα και την περιβαλλοντική επίδοση, χωρίς να απαιτείται κάθε πρόσθετο να είναι βιολογικό.
Διαβάστε περισσότερα για την κατεργασία με υπερήχους στην παρασκευή σκευασμάτων βιολιπαντικών!
Νανοπρόσθετα όπως αυτά που παρατίθενται ενδεικτικά παραπάνω μπορούν να αναμειχθούν επιτυχώς σε λιπαντικά με τη χρήση διασπορέων υπερήχων.
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- 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.
- Reddy, Chenga; Arumugam, S.; Venkatakrishnan, Santhanam (2019): RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant. Arabian Journal for Science and Engineering 44, 2019.
- Zakani, Behzad; Entezami, Sohrab; Grecov, Dana; Salem, Hayder; Sedaghat, Ahmad (2022): Effect of ultrasonication on lubrication performance of cellulose nano-crystalline (CNC) suspensions as green lubricants. Carbohydrate Polymers 282(5), 2022.
- 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.
- Sharma, Vinay, Johansson, Jens; Timmons, Richard; Prakash, Braham; Aswath, Pranesh (2018): Tribological Interaction of Plasma-Functionalized Polytetrafluoroethylene Nanoparticles with ZDDP and Ionic Liquids. Tribology Letters 66, 2018.
- Haijun Liu, Xianjun Hou, Xiaoxue Li, Hua Jiang, Zekun Tian, Mohamed Kamal Ahmed Ali (2020): Effect of Mixing Temperature, Ultrasonication Duration and Nanoparticles/Surfactant Concentration on the Dispersion Performance of Al2O3 Nanolubricants. Research Square 2020.
- Kumar D.M., Bijwe J., Ramakumar S.S. (2013): PTFE based nano-lubricants. Wear 306 (1–2), 2013. 80–88.
- Sharif M.Z., Azmi W.H., Redhwan A.A. M, Mamat R., Yusof T.M. (2017): Performance analysis of SiO2 /PAG nanolubricant in automotive air conditioning system. International Journal of Refrigeration 75, 2017. 204–216.
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής απόδοσης από εργαστηριακή έως βιομηχανική κλίμακα.