Nanoosakestega täiustatud funktsionaalsusega määrdeained
Määrdeõlid võivad nanolisanditest suurt kasu saada, sest need aitavad vähendada hõõrdumist ja kulumist. Siiski on oluline, et nanolisandid, näiteks nanoosakesed, grafeeni monokihid või tuum-kest-nanosfäärid, oleksid määrdeaines ühtlaselt ja üksikosakestena dispergeeritud. Ultraheli dispergeerimine on osutunud usaldusväärseks ja tõhusaks segamismeetodiks, mis tagab nanoosakeste homogeense jaotumise ja hoiab ära agregatsiooni.
Kuidas dispergeerida nanolisandeid määrdevedelikes? – Ultraheli abil!
Nanolisandite kasutamist määrdeainetes peetakse üheks tõhusaimaks meetodiks tribooloogiliste omaduste parandamiseks, vähendades hõõrdumist ja kulumist. Selline tribooloogiline paranemine suurendab oluliselt energiasäästu ja heitkoguste vähendamist, vähendades seeläbi keskkonnamõju.
Nanoosakestega täiustatud määrdeainete väljakutse seisneb segamises: nanomaterjalid, näiteks nanoosakesed või kristalliline nanotselluloos, vajavad fokuseeritud suure nihkejõuga segisteid, mis dispergeerivad ja lahutavad nanomaterjalid ühtlaselt üksikuteks osakesteks. Kuna ultraheli töötlus (sonikeerimine) suure võimsusega ultraheli sondidega loob ainulaadsed energiatihedad väljad, on see nanomaterjalide töötlemisel osutunud paremaks ja seega nanodispersioonide väljakujunenud meetodiks.
Molseh et al. (2009) näitasid, et kolme erineva nanoosakese (molübdeendisulfiid (MoS2), volframdisulfiid (WS2) ja heksagonaalne boornitriid (hBN)) dispersiooni stabiilsus CIMFLO 20-s oli ultraheli töötlusega parem kui mehaanilisel loksutamisel ja segamisel. Kuna ultraheli kavitatsioon loob ainulaadsed energiatihedad tingimused, ületab sondtüüpi ultraheli töötlus tavapäraseid dispergeerimismeetodeid nii tulemuslikkuse kui ka tõhususe poolest.
Nanoosakeste omadused, nagu suurus, kuju ja kontsentratsioon, mõjutavad nende tribooloogilisi omadusi. Kuigi ideaalne nanosuurus sõltub materjalist, on enamikul nanoosakestest kõrgeim funktsionaalsus kümne kuni saja nanomeetri vahemikus. Nanolisandite ideaalne kontsentratsioon määrdeõlis on enamasti vahemikus 0,1–5,0% .
Oksiidsed nanoosakesed, näiteks Al2O3, CuO või ZnO, on laialdaselt kasutatavad nanoosakesed, mis parandavad määrdeainete tribooloogilist toimivust. Muude lisandite hulka kuuluvad tuhavabad lisandid, ioonsed vedelikud, boraatestrid, anorgaanilised nanomaterjalid, süsinikupõhised nanostruktuurid, nagu süsiniknanotorud (CNT-d), grafiit ja grafeen. Konkreetseid lisandeid kasutatakse määrdeõlide konkreetsete omaduste parandamiseks. Näiteks sisaldavad kulumisvastased määrdeained äärmusrõhulisandeid, nagu molübdeendisulfiid, grafiit, sulfureeritud olefiinid ja dialküüleditiokarbamaatkompleksid, või kulumisvastaseid lisandeid, nagu triarüülfosfaadid ja tsinkdialküüleditiofosfaat.
Ultraheli sondtüüpi homogenisaatorid on usaldusväärsed segistid ja neid kasutatakse suure jõudlusega määrdeainete koostamisel. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on nanosuuruses suspensioonide valmistamisel tuntud kui parim ning väga tõhus määrdeõlide tööstuslikus tootmises.
Lugege lähemalt nanomäärdeainete tootmiseks mõeldud ultraheli dispergeerijate kohta!
Tööstuslik ultraheli segamissüsteem nanoosakeste suure läbilaskevõimega dispergeerimiseks määrdeõlidesse.
- parem tribooloogiline toimivus
- nanolisandite ühtlane segamine
- taimeõlipõhised määrdeained
- tribokile moodustamine
- plekkdetailide vormimisvedelikud
- nanovedelikud parema jahutustõhususe jaoks
- ioonsed vedelikud vesi- või õlipõhistes määrdeainetes
- broaþimisvedelikud
Alumiiniumoksiidi (Al2O3) ultraheli dispergeerimine vähendab oluliselt osakeste suurust ja annab ühtlase dispersiooni.
Nanolisanditega määrdeainete tootmine
Nanomaterjalidega tugevdatud määrdeõlide tootmiseks on olulised sobiv nanomaterjal ning võimas ja tõhus dispergeerimistehnika. Ilma töökindla ja pikaajaliselt stabiilse nanodispersioonita ei ole võimalik valmistada kvaliteetset määrdeainet.
Ultraheliga segamine ja dispergeerimine on väljakujunenud meetod kvaliteetsete määrdeainete tootmiseks. Määrdeainete baasõli tugevdatakse lisaainetega, nagu nanomaterjalid, polümeerid, korrosioonipidurid, antioksüdandid ja muud peened täiteained. Ultraheli nihkejõud tagavad väga tõhusalt väga peene osakeste suurusjaotuse. Ultraheli (sonomehaanilised) jõud suudavad jahvatada isegi primaarosakesi ning neid kasutatakse osakeste funktsionaliseerimiseks, nii et saadud nanoosakestel on paremad omadused (nt pinnamodifitseerimine, tuum-kest-NP-d, legeeritud NP-d).
Ultraheli kõrge nihkega segistid aitavad oluliselt kaasa kvaliteetsete määrdeainete tõhusale tootmisele!
Õlisegu, mis sisaldab tsinkdialküülditiofosfaati (ZDDP) ja pinnamodifitseeritud PTFE nanoosakesi (PHGM), pärast ultraheli dispergeerimist.
(Uuring ja pilt: Sharma et al., 2017)
Uudsed nanolisandid määrdeõlides
Uudseid nanosuuruses lisaaineid arendatakse määrdeõlide ja -rasvade funktsionaalsuse ja jõudluse edasiseks parandamiseks. Näiteks tselluloosi nanokristalle (CNC) uuritakse ja katsetatakse rohelisete määrdeainete koostises. Zakani et al. (2022) näitasid, et – võrreldes sonikeerimata määrdesuspensioonidega – võisid sonikeeritud CNC määrdeained vähendada hõõrdetegurit (COF) ja kulumist vastavalt ligikaudu 25 ja 30%. Selle uuringu tulemused viitavad sellele, et ultraheli töötlus võib oluliselt parandada CNC vesisuspensioonide määrimisomadusi.
Suure jõudlusega ultraheli dispergeerijad määrdeainete tootmiseks
Kui nanolisandeid kasutatakse tööstuslikes tootmisprotsessides, näiteks määrdeõlide valmistamisel, on oluline, et kuivad pulbrid (st nanomaterjalid) segataks homogeenselt vedelasse faasi (määrdeõli). Nanoosakeste dispergeerimine nõuab töökindlat ja tõhusat segamistehnikat, mis annab piisavalt energiat aglomeraatide lõhkumiseks, et nanomõõtmeliste osakeste omadused ilmneksid. Ultraheli seadmed on tuntud kui võimsad ja töökindlad dispergeerijad, mistõttu kasutatakse neid erinevate materjalide, näiteks alumiiniumoksiidi, nanotorude, grafeeni, mineraalide ja paljude teiste materjalide deaglomereerimiseks ja homogeenseks jaotamiseks vedelasse faasi, näiteks mineraal-, sünteetilistesse või taimeõlidesse. Hielscher Ultrasonics projekteerib, toodab ja turustab suure jõudlusega ultraheli dispergeerijaid igat liiki homogeniseerimis- ja deaglomereerimisrakenduste jaoks.
Võtke meiega nüüd ühendust, et rohkem teada saada nanolisandite ultraheliga dispergeerimisest määrdeainetes!
Allolev tabel annab ülevaate meie ultraheli seadmete ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 kuni 150L | 3 kuni 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster: UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamis-, dispergeerimis-, emulgeerimis- ja ekstraheerimisrakenduste jaoks labori-, pilootmahu- ja tööstuslikus mastaabis.
PTFE nanomäärdeained 7 päeva pärast valmistamist (A: baasõli, B: PTFE nanomäärdeaine 1 h ultraheli töötlusega, C: PTFE nanomäärdeaine 30 min ultraheli töötlusega).
(Uuring ja pilt: © Kumar et al., 2013)
Ultraheli töötluse mõju Al2O3 dispersioonistabiilsusele määrdeainetes.
(Uuring ja graafik: © Sharif et al., 2017)
Teadmist väärt fakte
Mis on määrdeained?
Määrdeainete ehk määrdeõlide peamine kasutusala on hõõrdumise ja mehaanilisest kontaktist tuleneva kulumise ning samuti soojuse vähendamine. Sõltuvalt kasutusotstarbest ja koostisest jagatakse määrdeained mootoriõlideks, ülekandevedelikeks, hüdraulikavedelikeks, hammasülekandeõlideks ja tööstuslikeks määrdeaineteks.
Seetõttu kasutatakse määrdeaineid laialdaselt nii mootorsõidukites kui ka tööstusmasinates. Hea määrimise tagamiseks sisaldavad määrdeõlid tavaliselt 90% baasõli (enamasti naftafraktsioonid, st mineraalõlid) ja alla 10% lisandeid. Kui mineraalõlisid soovitakse vältida, saab alternatiivsete baasõlidena kasutada taimeõlisid või sünteetilisi vedelikke, näiteks hüdrogeenitud polüolefiine, estreid, silikoone, fluorosüsivesinikke ja paljusid teisi. Määrdeainete peamine kasutusala on hõõrdumise ja mehaanilisest kontaktist tuleneva kulumise vähendamine ning samuti hõõrdesoojuse ja energiakadude vähendamine. Seetõttu kasutatakse määrdeaineid laialdaselt nii mootorsõidukites kui ka tööstusmasinates.
Antioksüdatiivsed ained, näiteks amiinsed ja fenoolsed primaarsed antioksüdandid, looduslikud happed, peroksiidide lagundajad ja pürasiinid pikendavad määrdeainete kasutusiga, suurendades oksüdatsioonikindlust. Nii kaitstakse baasõli kuumuse põhjustatud lagunemise eest, sest termilis-oksüdatiivne lagunemine toimub vähenenud ja aeglustunud kujul.
Määrdeainete tüübid
Vedelad määrdeained: Vedelad määrdeained põhinevad üldjuhul ühel baasõli tüübil. Sellele baasõlile lisatakse sageli muid aineid, et parandada funktsionaalsust ja jõudlust. Tüüpilised lisandid on näiteks vesi, mineraalõli, lanoliin, taimne või looduslik õli, nanolisandid jne.
Suurem osa määrdeaineid on vedelikud ja neid võib päritolu järgi liigitada kahte rühma:
- Mineraalõlid: mineraalõlid on toornaftast rafineeritud määrdeõlid.
- Sünteetilised õlid: sünteetilised õlid on määrdeõlid, mida valmistatakse kunstlikult modifitseeritud või modifitseeritud naftast sünteesitud ühenditest.
Määrdevaha on tahke või poolkõva määrdeaine, mis koosneb vedelast määrdeainest, mida paksendatakse selle sisse paksendajate dispergeerimisega. Määrdevaha valmistamiseks kasutatakse määrdeõlisid baasõlidena ja need on peamine koostisosa. Määrdevaha sisaldab ligikaudu 70% kuni 80% määrdeõli.
Läbitungivad määrdeained ja kuivmäärded on muud tüübid, mida kasutatakse enamasti niširakendustes.
Biomäärdeained viitavad peamiselt baasvedelikule või üldisele keskkonnaprofiilile, mitte tingimata sellele, et iga üksik lisand oleks biopõhine. Biomäärdeained põhinevad tavaliselt taimeõlidel, sünteetilistel estritel, taimset päritolu õlidel või muudel taastuvatel/biolagunevatel baasmaterjalidel. Nagu tavapärased määrdeained, vajavad ka need siiski sageli funktsionaalseid lisandeid, et parandada kulumiskaitset, oksüdatsioonikindlust, korrosioonikaitset, viskoossuse käitumist ja koormustaluvust. See tähendab, et biomäärdeained defineeritakse laias laastus taastuva päritolu, biolagunevuse, madala toksilisuse ja keskkonnajõudluse kaudu, mitte nõudes, et iga lisand oleks bioloogiline.
Loe lähemalt ultraheli töötlusest (sonikeerimisest) biomäärdeainete koostiste valmistamisel!
Ülal näitena loetletud nanolisandeid saab ultraheli dispergaatorite abil edukalt määrdeainetesse segada.
Kirjandus / viited
- 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.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laborist kuni tööstusliku mõõtkavani.