Lubricantes con funcionalidades mejoradas con nanopartículas

Los aceites lubricantes pueden beneficiarse enormemente 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 con núcleo, se dispersen de manera uniforme y única en el lubricante. La dispersión por ultrasonidos ha demostrado ser un método de mezcla fiable y eficaz, que proporciona una distribución homogénea de las nanopartículas y evita su agregación.

¿Cómo dispersar los nanoaditivos en los fluidos lubricantes? – ¡Con los Ultrasonidos!

El uso de nanoaditivos en los lubricantes se considera uno de los métodos más eficaces para mejorar las características tribológicas reduciendo la fricción y el desgaste. Esta mejora tribológica mejora en gran medida la conservación de la energía y la reducción de las emisiones, reduciendo así el impacto medioambiental.
El reto de los lubricantes nanomejorados reside en la mezcla: Los nanomateriales, como las nanopartículas o la nanocelulosa cristalina, requieren mezcladores enfocados de alto cizallamiento que dispersen y desentrañen los nanomateriales uniformemente en partículas individuales. Al crear campos densos de energía únicos, la ultrasonicación mediante sondas de ultrasonidos de alta potencia ha demostrado su superioridad en el procesamiento de nanomateriales y, por tanto, es el método establecido para las nano-dispersiones.
El dispersor ultrasónico puede utilizarse en modo de flujo continuo y por lotes para mezclar nanorellenos en los barnices.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 mejor que con agitación mecánica. Como la cavitación ultrasónica crea unas condiciones únicas de densidad de energía, la ultrasonicación tipo sonda supera a las técnicas de dispersión convencionales en eficacia y eficiencia.
Las características de las nanopartículas, como su tamaño, forma y concentración, influyen en sus propiedades tribológicas. Aunque el tamaño ideal de las nanopartículas varía en función del material, la mayoría de las nanopartículas muestran una mayor funcionalidad en el rango de diez a cien nanómetros. La concentración ideal de nanoaditivos en el aceite lubricante se sitúa en la mayoría de los casos entre el 0,1 y el 5,0%.
Las nanopartículas de óxido, como Al2O3, CuO o ZnO, se utilizan ampliamente como nanopartículas que mejoran el rendimiento tribológico de los lubricantes. Otros aditivos son los aditivos sin cenizas, los líquidos iónicos, los ésteres de borato, los nanomateriales inorgánicos y las nanoestructuras derivadas del carbono, como los nanotubos de carbono (CNT), el grafito y el grafeno. Se utilizan aditivos específicos para mejorar las propiedades de los aceites lubricantes. Por ejemplo, los lubricantes que previenen el desgaste contienen aditivos de extrema presión como el disulfuro de molibdeno, el grafito, las olefinas sulfuradas y los complejos de dialquilditiocarbamato, o aditivos antidesgaste como los triarilfosfatos y el dialquilditiofosfato de zinc.
Los homogeneizadores de tipo sonda ultrasónica son mezcladores fiables y se utilizan para la formulación de lubricantes de alto rendimiento. Reconocida como superior cuando se trata de la preparación de suspensiones de tamaño nanométrico, la sonicación es muy eficiente para la fabricación industrial de aceites lubricantes.

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Los ultrasonidos de alto rendimiento son sistemas de mezcla en línea fiables y muy eficaces para la producción de nanolubricantes.

Sistema industrial de mezcla por ultrasonidos para la dispersión de alto rendimiento de nanopartículas en aceites lubricantes.

El vídeo muestra la mezcla y dispersión por ultrasonidos de grafito en 250mL de resina epoxi (Toolcraft L), utilizando un homogeneizador por ultrasonidos (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics fabrica equipos para dispersar grafito, grafeno, nanotubos de carbono, nanohilos o cargas en el laboratorio o en procesos de producción de gran volumen. Las aplicaciones típicas son la dispersión de nanomateriales y micromateriales durante el proceso de funcionalización o para la dispersión en resinas o polímeros.

Mezclar la resina epoxi con el relleno de grafito utilizando el homogeneizador ultrasónico UP400St (400 vatios)

Fabricación de lubricación por ultrasonidos

  • mejora del rendimiento tribológico
  • incorporación uniforme de nanoaditivos
  • lubricantes a base de aceite vegetal
  • preparación del tribofilm
  • fluidos de conformación de chapa
  • nanofluidos para mejorar la eficacia de la refrigeración
  • líquidos iónicos en lubricantes acuosos o aceitosos
  • fluidos de brochado
El óxido de aluminio se dispersa en los lubricantes mediante ultrasonidos.

La dispersión por ultrasonidos del óxido de aluminio (Al2O3) da lugar a una importante reducción del tamaño de las partículas y a una dispersión uniforme.

Fabricación de lubricantes con nanoaditivos

Para la producción de aceites lubricantes nanorreforzados, son cruciales un nanomaterial adecuado y una técnica de dispersión potente y eficaz. Sin una nanodispersión fiable y estable a largo plazo, no se puede fabricar un lubricante de alto rendimiento.
La mezcla y dispersión por ultrasonidos es un método establecido para la producción de lubricantes de alto rendimiento. El aceite base de los lubricantes se refuerza con aditivos como nanomateriales, polímeros, inhibidores de corrosión, antioxidantes y otros agregados finos. Las fuerzas de cizallamiento de los ultrasonidos son muy eficaces para conseguir una distribución muy fina del tamaño de las partículas. Las fuerzas ultrasónicas (sonomecánicas) son capaces de moler incluso las partículas primarias y se aplican para funcionalizar las partículas, de modo que las nanopartículas resultantes ofrecen características superiores (por ejemplo, modificación de la superficie, NPs con núcleo, NPs dopadas).
Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento pueden ayudar mucho a fabricar lubricantes de alto rendimiento de forma eficiente.

La dispersión por ultrasonidos es muy eficaz para la distribución de nanoaditivos como nanopartículas, agentes anticorrosivos y aditivos protectores contra el desgaste en los aceites lubricantes.

Mezcla de aceite con dialquilditiofosfato de zinc (ZDDP) y nanopartículas de PTFE modificadas en superficie (PHGM) tras su dispersión por ultrasonidos.
(Estudio e imagen: Sharma et al., 2017)

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Nuevos nanoaditivos en los aceites lubricantes

Se están desarrollando nuevos aditivos de tamaño nanométrico para mejorar las funcionalidades y el rendimiento de los aceites y grasas lubricantes. Por ejemplo, se investigan y prueban los nanocristales de celulosa (CNC) para la formulación de lubricantes ecológicos. Zakani et al. (2022) demostraron que – en comparación con las suspensiones lubricantes no sónicas – Los lubricantes CNC sonicados pudieron disminuir el COF (coeficiente de fricción) y el desgaste en casi un 25 y un 30% respectivamente. Los resultados de este estudio sugieren que el procesamiento por ultrasonidos puede mejorar significativamente el rendimiento de la lubricación 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 crucial que los polvos secos (es decir, los nanomateriales) se mezclen homogéneamente en una fase líquida (aceite lubricante). La dispersión de nanopartículas requiere una técnica de mezcla fiable y eficaz, que aplique la energía suficiente para romper los aglomerados con el fin de liberar las cualidades de las partículas a escala nanométrica. Los ultrasonidos son bien conocidos como dispersores potentes y fiables, por lo que se utilizan para desaglomerar y distribuir diversos materiales como el óxido de aluminio, los nanotubos, el grafeno, los minerales y muchos otros materiales de forma homogénea en una fase líquida como los aceites minerales, sintéticos o vegetales. Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para cualquier tipo de aplicación de homogeneización y desaglomeración.
Póngase en contacto con nosotros para saber más sobre la dispersión ultrasónica de nanoaditivos en lubricantes.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
15 a 150L De 3 a 15L/min UIP6000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Los homogeneizadores de alto cizallamiento por ultrasonidos se utilizan en el laboratorio, en la mesa de trabajo, en los procesos piloto y en la industria.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



El nanolubricante de PTFE dispersado por ultrasonidos muestra una buena estabilidad tras el tratamiento de sonicación.

Nanolubricantes de PTFE tras 7 días de preparación (A: aceite base, B: nanolubricante de PTFE con 1 hora de ultrasonido, C: nanolubricante de PTFE con 30 minutos de ultrasonido).
(Estudio e imagen: © Kumar et al., 2013)

La ultrasonicación produce nanopartículas de aluminio uniformemente distribuidas y muy estables en los aceites lubricantes.

Efecto de la ultrasonicación en la estabilidad de la dispersión del Al2O3 en los lubricantes.
(Estudio y gráfico: © Sharif et al., 2017)

Información interesante

¿Qué son los lubricantes?

El principal uso de los lubricantes o aceites lubricantes es reducir la fricción y el desgaste por contacto mecánico, así como el calor. Según su uso y composición, los lubricantes se dividen en aceites de motor, fluidos de transmisión, fluidos hidráulicos, aceites para engranajes y lubricantes industriales.
Por ello, los lubricantes se utilizan ampliamente tanto en los vehículos de motor como en la maquinaria industrial. Para proporcionar una buena lubricación, los aceites lubricantes suelen contener un 90% de aceite base (principalmente fracciones de petróleo, es decir, aceites minerales) y menos de un 10% de aditivos. Cuando se evitan los aceites minerales, se pueden utilizar aceites vegetales o líquidos sintéticos como poliolefinas hidrogenadas, ésteres, siliconas, fluorocarbonos y muchos otros como aceites base alternativos. El principal uso de los lubricantes es reducir la fricción y el desgaste por contacto mecánico, así como disminuir el calor por fricción y las pérdidas de energía. Por ello, los lubricantes se utilizan ampliamente en los vehículos de motor y en la maquinaria industrial.
Las sustancias antioxidantes, como los antioxidantes primarios amínicos y fenólicos, los ácidos naturales, los descomponedores de peróxido y las pirazinas, prolongan el ciclo de vida de los lubricantes al aumentar la resistencia a la oxidación. De este modo, el aceite base queda protegido contra la degradación por el calor, ya que la descomposición termo-oxidativa se produce de forma reducida y retardada.

Tipos de lubricantes

Lubricantes líquidos: Los lubricantes líquidos suelen basarse en un tipo de aceite base. A este aceite base se le añaden a menudo sustancias para mejorar su funcionalidad y rendimiento. Los aditivos típicos incluyen, por ejemplo, agua, aceite mineral, lanolina, aceite vegetal o natural, nanoaditivos, etc.
La mayoría de los lubricantes son líquidos, y pueden clasificarse según su origen en dos grupos:

  1. Aceites minerales: Los aceites minerales son aceites lubricantes refinados a partir del petróleo crudo.
  2. Aceites sintéticos: Los aceites sintéticos son aceites lubricantes fabricados con compuestos modificados artificialmente o sintetizados a partir de petróleo modificado.

Grasa lubricante es un lubricante sólido o semisólido que consiste en un lubricante líquido, que se espesa dispersando en él agentes espesantes. Para producir la grasa lubricante, se utilizan aceites lubricantes como base y son el ingrediente principal. La grasa lubricante contiene aproximadamente entre un 70% y un 80% de aceite lubricante.

Lubricantes penetrantes y lubricantes secos son otros tipos, que se aplican sobre todo para aplicaciones de nicho.

Se han incorporado con éxito numerosos tipos de nanopartículas a los lubricantes utilizando dispersores ultrasónicos.

Los nanoaditivos enumerados a modo de ejemplo pueden mezclarse con éxito en los lubricantes utilizando dispersores ultrasónicos.


 

Literatura / Referencias


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonido compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.