Lubricantes con funcionalidades mejoradas mediante nanopartículas

Los aceites lubricantes pueden beneficiarse enormemente de los nanoaditivos, que ayudan a reducir la fricción y el desgaste. Sin embargo, es crucial que los nanoaditivos, como las nanopartículas, las monocapas de grafeno o las nanoesferas, se dispersen uniformemente en el lubricante. Se ha demostrado que la dispersión ultrasónica es 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 ultrasonidos

El uso de nanoaditivos en lubricantes se considera uno de los métodos más eficaces para mejorar las características tribológicas reduciendo la fricción y el desgaste. Esta mejora tribológica favorece en gran medida la conservación de energía y la reducción de emisiones, disminuyendo 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 desenreden los nanomateriales uniformemente en partículas individuales. La ultrasonicación mediante sondas de ultrasonidos de alta potencia, que crea campos densos de energía únicos, ha demostrado su superioridad en el procesamiento de nanomateriales y es, por tanto, el método establecido para las nanodispersiones.
El dispersor ultrasónico puede utilizarse en modo de flujo continuo o discontinuo para mezclar nanorrellenos en 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 y agitación mecánicas. Dado que la cavitación ultrasónica crea unas condiciones únicas de densidad energética, la ultrasonicación tipo sonda supera en eficacia y eficiencia a las técnicas de dispersión convencionales.
Las características de las nanopartículas, como el tamaño, la forma y la concentración, influyen en sus propiedades tribológicas. Aunque el tamaño ideal de las nanopartículas varía en función del material, la mayoría de ellas presentan una mayor funcionalidad en el rango de diez a cien nanómetros. La concentración ideal de nanoaditivos en el aceite lubricante oscila 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 determinadas propiedades de los aceites lubricantes. Por ejemplo, los lubricantes antidesgaste contienen aditivos para presiones extremas, como disulfuro de molibdeno, grafito, olefinas sulfuradas y complejos de dialquilditiocarbamato, o aditivos antidesgaste, como triarilfosfatos y dialquilditiofosfato de zinc.
Los homogeneizadores ultrasónicos tipo sonda son mezcladores fiables y se utilizan para la formulación de lubricantes de alto rendimiento. Reconocida como superior cuando se trata de preparar suspensiones de tamaño nanométrico, la sonicación es muy eficaz 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 grafeno en 250 ml de resina epoxi (Toolcraft L), utilizando un homogeneizador por ultrasonidos (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics fabrica equipos para dispersar grafito, grafeno, nanotubos de carbono, nanocables 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 la dispersión en resinas o polímeros.

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

Vídeo en miniatura

Fabricación de lubricantes por ultrasonidos

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

La dispersión ultrasónica de óxido de aluminio (Al2O3) produce una reducción significativa del tamaño de las partículas y 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 la corrosión, antioxidantes y otros agregados finos. Las fuerzas de cizallamiento ultrasónicas son muy eficaces para proporcionar una distribución muy fina del tamaño de las partículas. Las fuerzas ultrasónicas (sonomecánicas) son capaces de moler incluso partículas primarias y se aplican para funcionalizar partículas, de modo que las nanopartículas resultantes ofrezcan características superiores (por ejemplo, modificación de la superficie, NPs core-shell, NPs dopadas).
Los mezcladores ultrasónicos de alto cizallamiento pueden ayudar enormemente a fabricar lubricantes de alto rendimiento de forma eficiente.

La dispersión ultrasónica es muy eficaz para la distribución de nanoaditivos como nanopartículas, agentes anticorrosión y aditivos protectores antidesgaste en aceites lubricantes.

Mezcla de aceite con dialquilditiofosfato de zinc (ZDDP) y nanopartículas de PTFE modificadas superficialmente (PHGM) tras dispersión ultrasónica.
(Estudio e imagen: Sharma et al., 2017)

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Nuevos nanoaditivos en aceites lubricantes

Se están desarrollando nuevos aditivos nanométricos para mejorar las funcionalidades y el rendimiento de los aceites y grasas lubricantes. Por ejemplo, se investigan y prueban nanocristales de celulosa (CNC) para la formulación de lubricantes ecológicos. Zakani et al. (2022) demostraron que – en comparación con las suspensiones lubricantes no sonicadas – Los lubricantes CNC sonicados podrían 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 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 homogéneamente diversos materiales como óxido de aluminio, nanotubos, grafeno, minerales y muchos otros materiales en una fase líquida como 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 obtener más información 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 15 l/min UIP6000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en procesos de laboratorio, de sobremesa, piloto e industriales.

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 h de ultrasonidos, C: nanolubricante de PTFE con 30 min. de ultrasonidos).
(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 de Al2O3 en 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 vehículos de motor como en 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, pueden utilizarse como aceites base alternativos aceites vegetales o líquidos sintéticos como poliolefinas hidrogenadas, ésteres, siliconas, fluorocarbonos y muchos otros. 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 tanto en vehículos de motor como en 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 frente a la degradación por calor, ya que la descomposición termooxidativa 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 otras 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 grasa lubricante, se utilizan aceites lubricantes como aceites base y como 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 en nichos de mercado.

Numerosos tipos de nanopartículas se han incorporado con éxito a los lubricantes mediante dispersores ultrasónicos.

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


 

Literatura / Referencias


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonicador 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.


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