Lubricantes con funcionalidades mejoradas mediante nanopartículas

Los aceites lubricantes pueden beneficiarse considerablemente de los nanoaditivos, que ayudan a reducir la fricción y el desgaste. Sin embargo, es fundamental que los nanoaditivos, como las nanopartículas, las monocapas de grafeno o las nanoesferas de núcleo y cubierta, estén dispersos de manera uniforme y como partículas individuales en el lubricante. La dispersión ultrasónica ha demostrado ser un método de mezcla fiable y eficiente que proporciona una distribución homogénea de las nanopartículas y evita su agregación.

¿Cómo dispersar nanoaditivos en fluidos lubricantes? ¡Con ultrasonidos!

El uso de nanoaditivos en lubricantes se considera uno de los métodos más eficaces para mejorar las características tribológicas mediante la reducción de la fricción y el desgaste. Esta mejora tribológica aumenta considerablemente el ahorro energético y la reducción de emisiones, disminuyendo así el impacto ambiental.
El desafío de los lubricantes mejorados con nanomateriales reside en la mezcla: los nanomateriales, como las nanopartículas o la nanocelulosa cristalina, requieren mezcladores de alto cizallamiento localizado que dispersen y desenreden los nanomateriales de manera uniforme hasta obtener partículas individuales. Al generar campos singulares de alta densidad energética, la sonicación mediante sondas ultrasónicas de alta potencia ha demostrado su superioridad en el procesamiento de nanomateriales y, por ello, es el método consolidado para obtener nanodispersiones.
Molseh et al. (2009) demostraron que la estabilidad de la dispersión de tres nanopartículas diferentes (disulfuro de molibdeno (MoS2), disulfuro de tungsteno (WS2) y nitruro de boro hexagonal (hBN)) en CIMFLO 20 con tratamiento ultrasónico era superior a la obtenida mediante sacudidas y agitación mecánicas. Como la cavitación ultrasónica genera condiciones singulares de alta densidad energética, la sonicación con sonda supera a las técnicas convencionales de dispersión en eficacia y eficiencia.
Las características de las nanopartículas, como el tamaño, la forma y la concentración, influyen en sus propiedades tribológicas. Aunque el tamaño nanométrico ideal varía según el material, la mayoría de las nanopartículas presentan sus mejores funcionalidades en el intervalo de diez a cien nanómetros. La concentración ideal de nanoaditivos en el aceite lubricante suele situarse entre 0,1–5,0%.
Las nanopartículas de óxidos, como Al2O3, CuO o ZnO, se utilizan ampliamente para mejorar el rendimiento tribológico de los lubricantes. Otros aditivos incluyen aditivos sin cenizas, líquidos iónicos, ésteres de borato, nanomateriales inorgánicos y nanoestructuras derivadas del carbono, como nanotubos de carbono (CNTs), grafito y grafeno. Se utilizan aditivos específicos para mejorar propiedades concretas de los aceites lubricantes. Por ejemplo, los lubricantes que previenen el desgaste contienen aditivos de extrema presión, como disulfuro de molibdeno, grafito, olefinas sulfurizadas y complejos de dialquilditiocarbamato, o aditivos antidesgaste, como fosfatos de triarilo y dialquilditiofosfato de zinc.
Los homogeneizadores ultrasónicos de sonda son mezcladores fiables y se utilizan para formular lubricantes de alto rendimiento. Reconocida por su superioridad en la preparación de suspensiones de partículas nanométricas, la sonicación es muy eficiente para la fabricación industrial de aceites lubricantes.
 
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La dispersión ultrasónica del óxido de aluminio (Al2O3) produce una reducción significativa del tamaño de las partículas y una dispersión uniforme.

Fabricación de lubricantes con nanoaditivos

Para producir aceites lubricantes reforzados con nanomateriales, son fundamentales un nanomaterial adecuado y una técnica de dispersión potente y eficiente. Sin una nanodispersión fiable y estable a largo plazo, no es posible fabricar un lubricante de alto rendimiento.
La mezcla y la dispersión ultrasónicas constituyen un método consolidado para producir lubricantes de alto rendimiento. El aceite base de los lubricantes se refuerza con aditivos como nanomateriales, polímeros, inhibidores de la corrosión, antioxidantes y otros agregados finos. Las fuerzas de cizallamiento ultrasónicas son muy eficientes para obtener una distribución de tamaños de partícula muy finos. Las fuerzas ultrasónicas (sonomecánicas) pueden triturar incluso las partículas primarias y se aplican para funcionalizar partículas, de modo que las nanopartículas resultantes ofrecen características superiores (p. ej., modificación superficial, nanopartículas de núcleo y cubierta, nanopartículas dopadas).
¡Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento pueden contribuir considerablemente a fabricar lubricantes de alto rendimiento de manera eficiente!

Nuevos nanoaditivos en aceites lubricantes

Se desarrollan nuevos aditivos de tamaño nanométrico para mejorar aún más las funcionalidades y el rendimiento de los aceites y las grasas lubricantes. Por ejemplo, se investigan y ensayan nanocristales de celulosa (CNCs) para formular lubricantes ecológicos. Zakani et al. (2022) demostraron que –en comparación con las suspensiones lubricantes sin sonicar– los lubricantes con CNC sometidos a sonicación podían reducir el COF (coeficiente de fricción) y el desgaste en casi 25 y 30%, respectivamente. Los resultados de este estudio sugieren que el procesamiento mediante sonicación puede mejorar significativamente el rendimiento lubricante de las suspensiones acuosas de CNC.

Dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para la fabricación de lubricantes

Cuando se utilizan nanoaditivos en procesos de fabricación industrial, como la producción de aceites lubricantes, es fundamental que los polvos secos (es decir, los nanomateriales) se mezclen de manera homogénea en una fase líquida (aceite lubricante). La dispersión de nanopartículas requiere una técnica de mezcla fiable y eficaz que aplique suficiente energía para romper los aglomerados y aprovechar las cualidades de las partículas nanométricas. Los sonicadores son ampliamente conocidos como dispersores potentes y fiables, por lo que se utilizan para desaglomerar y distribuir de manera homogénea diversos materiales, como óxido de aluminio, nanotubos, grafeno, minerales y muchos otros, en una fase líquida, como aceites minerales, sintéticos o vegetales. Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para todo tipo de aplicaciones de homogeneización y desaglomeración.
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La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores: