Nanomäärdeained, mida on parandatud ultraheli dispergeerimisega

Nanolisandite lisamine määrdeainete koostistesse on viimastel aastatel üks olulisemaid edusamme triboloogias. Teadlased ja protsessiinsenerid seisavad aga silmitsi püsiva väljakutsega: nanomõõtmeliste osakeste homogeenne dispergeerimine viskoossetes baasõlides nii, et nende struktuurne terviklikkus ei kahjustu. Traditsioonilised segamismeetodid ei suuda sageli aglomeraate tõhusalt lagundada, mis toob kaasa ebaühtlase toote toimivuse ja piiratud säilivusstabiilsuse.

Lahendus: nanolisandite ultraheli dispergeerimine määrdeaine koostises

Suure võimsusega ultraheli on nendele dispergeerimisprobleemidele parim lahendus. Akustilise kavitatsiooni põhimõtteid kasutades tekitab ultraheliseade vedelas keskkonnas vahelduvaid kõrg- ja madalrõhutsükleid. Madalrõhutsükli ajal tekivad vedelikus väikesed vaakumimullid. Kui need mullid saavutavad maksimaalse ruumala ega suuda enam energiat neelata, kollapseeruvad nad kõrgrõhutsükli ajal vägivaldselt. See kollaps tekitab lokaalselt äärmuslikud tingimused – temperatuurid ligikaudu 5000 kelvinit ja rõhud üle 1000 atmosfääri –, mis lagundavad tõhusalt nanoosakeste klastrid ja tagavad ühtlase jaotumise kogu määrdeaine maatriksis.
Protsessiinseneride jaoks tähendab see vahet määrdeainel, mis settib ja eraldub nädalatega, ning määrdeainel, mis säilitab oma toimivusprofiili komponendi kogu kasutusea jooksul.

Juhtumiuuring: lämmastikuga legeeritud bambusetaolised süsiniknanotorud elektrit juhtivates määrdevõiesides

Veenev näide ultraheli tehnoloogia tõhususest määrdeainete tootmisel pärineb ajakirjas Journal of Materials Research and Technology (2019) avaldatud uuringust. Uuring pealkirjaga „Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants” näitab, kuidas Hielscher UIP1000hdT sondtüüpi homogenisaator (340 W, töötlusaeg 2 min) võimaldas toota homogeenseid, stabiilseid ja elektrit juhtivaid laagrimäärdeid.
Uurijad kasutasid bambusekujulisi süsiniknanotorusid (BCNT-sid) määrdevõiede elektrit juhtivate lisanditena. Lämmastiku sisseviimise tõttu nanotorude külgseinte grafiitsesse struktuuri tekkisid erakordsed elektroonilised ja struktuursed omadused, mis viisid suurepärase adsorptsioonikäitumise ja elektrijuhtivuseni. Süsiniknanotorud on tähelepanuväärsed elektrit juhtivad nanostruktuursed materjalid ning nende elektroonilisi omadusi saab sihipäraselt häälestada, viies legeerimistehnikate abil sisse lämmastikuaatomeid.
Tulemused rõhutavad ultraheli dispergeerimise jõudu:

See juhtumiuuring on tehniline kontseptsiooni tõestus: kui õige nanomaterjal kohtub õige ultraheli energiaga, saavutab saadud määrdeaine toimivusnäitajad, mida peeti tavapäraste segamismeetoditega varem saavutamatuks.

Ultraheli nanodispergeerimise põhijooned määrdeainetes

Ultraheli dispergeerimise lähenemisviis annab erakordseid tulemusi, mis kinnitavad selle tööstuslikku potentsiaali:

• Minimaalne lisandivajadus: Suhteliselt väikesed kogused BCNT-sid, täpsemalt 1,5 wt%, on piisavad, et saavutada määrdete hea elektrijuhtivus, mis ületab 14 mS. Nanotorusid sisaldavad proovid näitavad stasionaarsetes mõõtmistes head elektrijuhtivust vahemikus 7 kuni 18,5 mS.
• Täiustatud jõudlus töö ajal: Elektrijuhtivuse mõõtmised kuullaagri tegeliku töö ajal näitavad veelgi kõrgemaid väärtusi, mille maksimum 31,5 mS registreeriti 3% BCNT koostisega. Juhtivus suureneb igal juhul võrreldes stasionaarses olekus tehtud mõõtmistega, mis viitab sellele, et töö ajal esinev mehaaniline koormus parandab juhtivusteid veelgi.
• Suurepärane hõõrdumisjõudlus: Tõhusad hõõrdeomadused saavutatakse 1,5 wt% BCNT-ga täidetud proovidega, mille hõõrdemomendi väärtused on 6,1 ja 5,1 Nmm. See näitab, et optimaalne lisandi kontsentratsioon tasakaalustab juhtivuse ja mehaanilise jõudluse.
• Parem termiline stabiilsus: Kõrge viskoossusega silikoonõli (5000 mm²/s) ja aurustunud ränidioksiidi lisamine paksendajatena tõstab tilkumispunkti üle 150°C, lahendades kriitilise piirangu kõrge temperatuuriga rakendustes.
• Optimeeritud koostised: 3% BCNT-d ja 1,0% kolloidset SiO₂-d sisaldav PDMS-baasõli viskoossusega 50 mm/s osutus kuullaagrite koormamiseks hästi sobivaks, ühendades juhtivuse mehaanilise töökindlusega.

Ultraheli töötlus: tööstusliku skaleerimise eelis

Kuigi Hielscheri UIP1000hdT abil tehtud laboriskaala arendus tõestab kontseptsiooni toimivust, peitub tööstuslike rakenduste tegelik väärtus lineaarses skaleeritavuses. Hielscheri sonikaatoritel on ainulaadne eelis tänu nende lineaarsele skaleerimisvõimele, mis võimaldab sujuvat üleminekut T&A laboriseadmetel töötlemiselt suurte mahtude inline-tootmisele.
Tööstuslikuks kasutuseks saavad protsessiinsenerid kasutada 4kW mudelit UIP4000hdT, 6kW sonikaatorit UIP6000hdT või võimsat 16kW UIP16000hdT, mis on varustatud spetsiaalsete läbivoolukambritega. See lineaarne skaleerimine tagab, et laboriskaalas välja töötatud koostised säilitavad tootmismahus valmistamisel identse dispersiooni kvaliteedi ja osakeste jaotuse omadused. Ultraheli töötlusega saavutatud järjepidevus kaotab partiidevahelise varieeruvuse, mis vaevab tavapäraseid segamismeetodeid ja on eriti kriitiline suure jõudlusega määrdeainete rakendustes lennunduses, autotööstuses ja täppismasinaehituses.

Miks on ultraheli töötlus määrdeainete innovatsiooni jaoks oluline

Ultraheliga nanolisandite dispergeerimise eelised ulatuvad kaugemale lihtsast segamise tõhususest. Tehnoloogia võimaldab:

1. Suurem lisandite sisaldus: Nanolisandite suuremaid kontsentratsioone saab lisada ilma aglomeratsioonita, mis maksimeerib jõudluse eeliseid.
2. Parem säilivusstabiilsus: Homogeensed dispersioonid hoiavad ära settimise ja faaside eraldumise pikema säilitusaja jooksul.
3. Ühtlane tootekvaliteet: Iga tootmispartii saavutab identsed dispersiooniomadused, mis on otsustava tähtsusega rakendustes, mis nõuavad ranget kvaliteedikontrolli.
4. Lühem töötlusaeg: Ultraheli kavitatsioon saavutab dispersiooni minutitega, mitte tundidega, mida tavapärased meetodid nõuavad.
5. Mitmekülgsus erinevate koostiste puhul: Tehnoloogia toimib erinevate baasõlide, paksendajate ja lisandite tüüpidega, pakkudes paindlikkust koostiste väljatöötamisel.

Ultraheli sondtüüpi dispergeerijad loovad suure jõudlusega biomäärdeaineid.
(Uuring ja pilt: Liu et al., 2020)

Täiustage oma nanomäärdeainete tootmist ultraheli dispergeerimisega

Ultraheli tehnoloogia integreerimine määrdeainete tootmisprotsessidesse tähistab paradigmanihet selles, kuidas nanolisandeid määrdeainete koostistesse viiakse. Nagu näitab lämmastikuga legeeritud bambusetaoliste süsiniknanotorude abil elektrit juhtivate määrdete edukas väljatöötamine, annab suure energiaga ultraheli töötlus (sonikeerimine) homogeenseid ja stabiilseid dispersioone erakordsete toimeomadustega. Tänu Hielscheri lineaarsele skaleeritavusele laboratoorsest sonikaatorist UIP1000hdT kuni tööstuslike läbivoolu-sonikaatori mudeliteni, nagu UIP4000hdT, UIP6000hdT ja UIP16000hdT koos läbivoolukambritega, saavad teadlased ja protsessiinsenerid enesekindlalt liikuda teadus- ja arendustegevuse avastustelt kommertstootmisele, tagades, et laboris saavutatud uuendus toimib tehases identselt.
Määrdeainete tehnoloogia tulevik ei seisne mitte ainult uute nanolisandite väljatöötamises, vaid ka nende täieliku potentsiaali avavate dispergeerimistehnikate valdamises. Ultraheli töötlus loob silla teadusliku avastuse ja tööstusliku rakenduse vahele, võimaldades nõudlike tööstuslike rakenduste jaoks uue põlvkonna suure jõudlusega määrdeaineid.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Disain, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet

Hielscheri ultraheliseadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne käsitsemine võimaldavad meie ultraheliseadmeid sujuvalt integreerida tööstusrajatistesse. Hielscheri ultraheliseadmed tulevad hõlpsasti toime karmide tingimuste ja nõudlike keskkondadega.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ja pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultraheliseadmetele, mis põhinevad nüüdisaegsel tehnoloogial ja on kasutajasõbralikud. Loomulikult vastavad Hielscheri ultraheliseadmed CE nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs nõudeid.

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.
• Kałużny Jarosł, Waligórski M, Szymański GM, Merkisz J, Różański J, Nowicki M, Al Karawi M, Kempa K. (2020): Reducing friction and engine vibrations with trace amounts of carbon nanotubes in the lubricating oil. Tribology International 2020.
• 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.
• Li J, Du C, Delgado MA, et al. (2026): The application of nanocellulose in eco-friendly lubricants: A review. Friction, 2026.