Nanolubricantes mejorados mediante dispersión ultrasónica

La integración de nanoaditivos en las formulaciones de lubricantes representa uno de los avances más significativos en tribología de los últimos años. Sin embargo, los investigadores y los ingenieros de procesos se enfrentan a un reto persistente: lograr una dispersión homogénea de las partículas a escala nanométrica en aceites base viscosos sin degradar su integridad estructural. Los métodos de mezcla tradicionales a menudo no logran descomponer los aglomerados de forma eficaz, lo que da lugar a un rendimiento irregular del producto y a una estabilidad de almacenamiento limitada.

La solución: dispersión de nanoaditivos mediante ultrasonidos en la formulación de lubricantes

El ultrasonido de alta potencia es la solución óptima para estos retos de dispersión. Al aprovechar los principios de la cavitación acústica, los equipos ultrasónicos generan ciclos alternos de alta y baja presión en los medios líquidos. Durante el ciclo de baja presión, se forman pequeñas burbujas de vacío en el líquido. Cuando estas burbujas alcanzan su volumen máximo y ya no pueden absorber más energía, colapsan violentamente durante el ciclo de alta presión. Este colapso genera condiciones extremas localizadas – temperaturas que alcanzan aproximadamente los 5000 kelvin y presiones que superan las 1000 atmósferas – que desaglomeran eficazmente los agrupamientos de nanopartículas y garantizan una distribución uniforme por toda la matriz del lubricante.
Para los ingenieros de procesos, esto supone la diferencia entre un lubricante que se sedimenta y se separa en cuestión de semanas y otro que mantiene su perfil de rendimiento durante toda la vida útil del componente.

Estudio de caso: Nanotubos de carbono similares al bambú dopados con nitrógeno en grasas conductoras

Un ejemplo convincente de la eficacia de la tecnología ultrasónica en la producción de lubricantes procede de una investigación publicada en la revista *Journal of Materials Research and Technology* (2019). El estudio, titulado “Aplicación de nanotubos de carbono tipo bambú dopados con nitrógeno para el desarrollo de lubricantes conductores de electricidad,” muestra cómo el homogeneizador de sonda Hielscher UIP1000hdT (340 W, tiempo de procesamiento de 2 minutos) permitió la producción de grasas para rodamientos homogéneas, estables y conductoras de la electricidad.
Los investigadores utilizaron nanotubos de carbono con forma de bambú (BCNT) como aditivos conductores para grasas. Gracias a la incorporación de nitrógeno en la estructura grafítica de las paredes laterales de los nanotubos, se desarrollaron extraordinarias propiedades electrónicas y estructurales, lo que dio lugar a un excelente comportamiento de adsorción y a una excelente conductividad eléctrica. Los nanotubos de carbono son materiales nanoestructurados con una notable conductividad eléctrica, y sus propiedades electrónicas pueden ajustarse específicamente mediante la incorporación de átomos de nitrógeno a través de técnicas de dopaje.
Los resultados ponen de relieve el potencial de la dispersión ultrasónica:

Este estudio de caso sirve como prueba técnica de concepto: cuando el nanomaterial adecuado se combina con la energía ultrasónica adecuada, el lubricante resultante alcanza unos parámetros de rendimiento que antes se consideraban inalcanzables mediante métodos de mezcla convencionales.

Característica clave de la nanodispersión ultrasónica en los lubricantes

El método de dispersión ultrasónica ofrece resultados excepcionales que avalan su potencial industrial:

• Requisitos mínimos en cuanto a aditivos: Bastan cantidades relativamente pequeñas de BCNT, concretamente un 1,5 % en peso, para conseguir una buena conductividad eléctrica de las grasas, superior a 14 mS. Las muestras que contienen nanotubos muestran una buena conductividad eléctrica, que oscila entre 7 y 18,5 mS en mediciones estáticas.
• Mejora del rendimiento durante el funcionamiento: Las mediciones de conductividad eléctrica realizadas durante el funcionamiento real de los rodamientos de bolas revelan valores aún más elevados, con un máximo de 31,5 mS registrado con la formulación de BCNT al 3 %. La conductividad aumenta en todos los casos en comparación con las mediciones en estado estacionario, lo que indica que la tensión mecánica durante el funcionamiento mejora aún más las vías de conducción.
• Rendimiento superior en materia de fricción: Las muestras con un 1,5 % en peso de BCNT presentan unas características de fricción eficientes, con valores de par de fricción de 6,1 y 5,1 Nmm. Esto demuestra que una concentración óptima del aditivo permite equilibrar la conductividad con el rendimiento mecánico.
• Mayor estabilidad térmica: La incorporación de aceite de silicona de alta viscosidad (5000 mm²/s) y sílice pirogénica como espesantes eleva el punto de goteo por encima de los 150 °C, lo que resuelve una limitación fundamental en las aplicaciones a altas temperaturas.
• Fórmulas optimizadas: El aceite base de PDMS, que contenía un 3 % de BCNT y un 1,0 % de SiO₂ coloidal y presentaba una viscosidad de 50 mm/s, resultó muy adecuado para el lubricante de rodamientos de bolas, ya que combinaba conductividad y resistencia mecánica.

Ultrasonidos: la ventaja de la ampliación a escala industrial

Si bien el desarrollo a escala de laboratorio con el Hielscher UIP1000hdT demuestra la viabilidad del concepto, el verdadero valor para las aplicaciones industriales reside en la escalabilidad lineal. Los sonicadores de Hielscher ofrecen una ventaja única gracias a su capacidad de ampliación lineal, lo que permite una transición fluida desde la I+D&Del procesamiento en banco de trabajo a la producción en línea de grandes volúmenes.
Para su aplicación industrial, los ingenieros de procesos pueden utilizar el modelo UIP4000hdT de 4 kW, el sonicador UIP6000hdT de 6 kW o el potente UIP16000hdT de 16 kW, equipado con celdas de flujo especializadas. Este enfoque de escalado lineal garantiza que las formulaciones desarrolladas a escala de laboratorio mantengan una calidad de dispersión y unas características de distribución de partículas idénticas cuando se fabrican a escala de producción. La uniformidad que se consigue mediante el procesamiento ultrasónico elimina la variabilidad entre lotes que afecta a los métodos de mezcla convencionales, lo cual resulta especialmente crítico para las aplicaciones de lubricantes de alto rendimiento en los sectores aeroespacial, de la automoción y de la maquinaria de precisión.

Por qué la ultrasonificación es importante para la innovación en lubricantes

Las ventajas de la dispersión ultrasónica de nanoaditivos van más allá de la simple eficiencia en la mezcla. Esta tecnología permite:

1. Mayor carga de aditivos: Se pueden incorporar concentraciones más elevadas de nanoaditivos sin que se produzcan aglomeraciones, lo que permite maximizar las ventajas en cuanto al rendimiento.
2. Mayor estabilidad de conservación: Las dispersiones homogéneas evitan la sedimentación y la separación de fases durante períodos de almacenamiento prolongados.
3. Calidad constante del producto: Cada lote de producción presenta unas características de dispersión idénticas, lo cual resulta fundamental para aplicaciones que requieren un estricto control de calidad.
4. Tiempo de procesamiento reducido: La cavitación ultrasónica permite lograr la dispersión en cuestión de minutos, en lugar de las horas que requieren los métodos tradicionales.
5. Versatilidad en las diferentes formulaciones: Esta tecnología es compatible con diversos aceites base, espesantes y tipos de aditivos, lo que ofrece flexibilidad a la hora de desarrollar formulaciones.

Los dispersores ultrasónicos de sonda permiten obtener biolubricantes de alto rendimiento.
(Estudio e imagen: Liu et al., 2020)

Mejora la producción de nanolubricantes mediante la dispersión ultrasónica

La integración de la tecnología ultrasónica en los procesos de producción de lubricantes supone un cambio de paradigma en la forma de incorporar los nanoaditivos a las formulaciones de lubricantes. Tal y como ha quedado demostrado con el exitoso desarrollo de grasas conductoras de electricidad a partir de nanotubos de carbono tipo bambú dopados con nitrógeno, la ultrasonificación de alta energía permite obtener dispersiones homogéneas y estables con características de rendimiento excepcionales. Gracias a la capacidad de escalabilidad lineal de Hielscher, que abarca desde el sonicador de sobremesa UIP1000hdT hasta modelos industriales en línea como el UIP4000hdT, UIP6000hdT y UIP16000hdT con celdas de flujo, los investigadores y los ingenieros de procesos pueden pasar con confianza de la I+D&Desde la fase de investigación hasta la producción comercial, garantizando que la innovación lograda en el laboratorio funcione exactamente igual en la fábrica.
El futuro de la tecnología de los lubricantes no reside únicamente en el desarrollo de nuevos nanoaditivos, sino en el dominio de las técnicas de dispersión que permiten aprovechar todo su potencial. El procesamiento ultrasónico constituye el puente entre el descubrimiento científico y la aplicación industrial, lo que hace posible la próxima generación de lubricantes de alto rendimiento para aplicaciones industriales exigentes.

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

Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany

Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

Literatura / Referencias