روانکارهایی با ویژگی‌های عملکردی بهبودیافته به کمک نانوذرات
روغن‌های روانکار می‌توانند از نانوافزودنی‌ها که به کاهش اصطکاک و سایش کمک می‌کنند، بهرهٔ فراوانی ببرند. بااین‌حال، ضروری است که نانوافزودنی‌هایی مانند نانوذرات، تک‌لایه‌های گرافن یا نانوکره‌های هسته–پوسته به‌طور یکنواخت و به‌صورت ذرات منفرد در روانکار پراکنده شوند. پراکنده‌سازی فراصوتی به‌عنوان روشی قابل‌اعتماد و کارآمد برای اختلاط به اثبات رسیده است که توزیع همگن نانوذرات را فراهم می‌کند و از تجمع آن‌ها جلوگیری می‌کند.
چگونه نانوافزودنی‌ها را در سیالات روانکار پراکنده کنیم؟ – با فراصوت!
استفاده از نانوافزودنی‌ها در روانکارها یکی از مؤثرترین روش‌ها برای بهبود ویژگی‌های تریبولوژیکی و کاهش اصطکاک و سایش به شمار می‌رود. چنین بهبودی در ویژگی‌های تریبولوژیکی، صرفه‌جویی در انرژی و کاهش انتشار آلاینده‌ها را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد و درنتیجه اثرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهد.
چالش روانکارهای بهبودیافته با نانو در اختلاط آن‌هاست: نانوموادی مانند نانوذرات یا نانوسلولز بلوری به همزن‌هایی با برش بالا و متمرکز نیاز دارند که نانومواد را به‌طور یکنواخت از هم باز کنند و به‌صورت ذرات منفرد پراکنده سازند. فراصوت‌دهی با پروب‌های فراصوت پرتوان، با ایجاد میدان‌های منحصربه‌فرد با چگالی انرژی بالا، برتری خود را در پردازش نانومواد به اثبات رسانده و ازاین‌رو روشی تثبیت‌شده برای پراکنده‌سازی نانومواد است.
Molseh et al. (2009) نشان دادند که پایداری پراکندگی سه نانوذرهٔ متفاوت (دی‌سولفید مولیبدن (MoS2)، دی‌سولفید تنگستن (WS2) و نیترید بور شش‌گوش (hBN)) در CIMFLO 20 با تیمار فراصوتی بهتر از تکان‌دهی و هم‌زدن مکانیکی بود. ازآنجاکه کاویتاسیون فراصوتی شرایطی منحصربه‌فرد با چگالی انرژی بالا ایجاد می‌کند، فراصوت‌دهی با پروب از نظر اثربخشی و کارایی بر روش‌های متداول پراکنده‌سازی برتری دارد.
ویژگی‌های نانوذرات مانند اندازه، شکل و غلظت بر خواص تریبولوژیکی آن‌ها تأثیر می‌گذارند. اگرچه اندازهٔ نانومتری مطلوب بسته به ماده متفاوت است، بیشتر نانوذرات بالاترین قابلیت‌های عملکردی را در محدودهٔ ده تا صد نانومتر نشان می‌دهند. غلظت مطلوب نانوافزودنی‌ها در روغن روانکار عمدتاً در محدودهٔ 0٫1–5٫0% است.
نانوذرات اکسیدی مانند Al2O3، CuO یا ZnO به‌طور گسترده برای بهبود عملکرد تریبولوژیکی روانکارها استفاده می‌شوند. سایر افزودنی‌ها شامل افزودنی‌های بدون خاکستر، مایعات یونی، استرهای بورات، نانومواد معدنی، نانوساختارهای مشتق از کربن مانند نانولوله‌های کربنی (CNTs)، گرافیت و گرافن هستند. برای بهبود خواص مشخص روغن‌های روانکار از افزودنی‌های ویژه استفاده می‌شود. برای مثال، روانکارهای پیشگیری‌کننده از سایش حاوی افزودنی‌های فشار شدید مانند دی‌سولفید مولیبدن، گرافیت، اولفین‌های گوگرددار و کمپلکس‌های دی‌آلکیل‌دی‌تیوکاربامات، یا افزودنی‌های ضدسایش مانند تری‌آریل‌فسفات‌ها و دی‌آلکیل‌دی‌تیوفسفات روی هستند.
هموژنایزرهای فراصوتی پروبی، همزن‌هایی قابل‌اعتماد هستند و برای فرمولاسیون روانکارهای با عملکرد بالا به کار می‌روند. فراصوت‌دهی که به‌دلیل برتری در تهیهٔ سوسپانسیون‌های نانومتری شناخته شده است، برای تولید صنعتی روغن‌های روانکار بسیار کارآمد است.
دربارهٔ پراکنده‌سازهای فراصوتی برای تولید نانوروانکارها بیشتر بخوانید!
سامانهٔ صنعتی اختلاط فراصوتی برای پراکنده‌سازی نانوذرات در روغن‌های روانکار با ظرفیت پردازش بالا.
- بهبود عملکرد تریبولوژیکی
- افزودن و توزیع یکنواخت نانوافزودنی‌ها
- روانکارهای بر پایهٔ روغن گیاهی
- تهیهٔ تریبوفیلم
- سیالات شکل‌دهی ورق فلزی
- نانوسیالات برای بهبود اثربخشی خنک‌کاری
- مایعات یونی در روانکارهای آبی یا بر پایهٔ روغن
- سیالات بروچ‌کاری
پراکنده‌سازی فراصوتی اکسید آلومینیوم (Al2O3) موجب کاهش چشمگیر اندازهٔ ذرات و پراکندگی یکنواخت می‌شود.
تولید روانکارها با نانوافزودنی‌ها
برای تولید روغن‌های روانکار تقویت‌شده با نانو، نانومادهٔ مناسب و یک روش پراکنده‌سازی پرتوان و کارآمد ضروری است. بدون پراکندگی نانومتری قابل‌اعتماد و پایدار در بلندمدت، تولید روانکاری با عملکرد بالا امکان‌پذیر نیست.
اختلاط و پراکنده‌سازی فراصوتی روشی تثبیت‌شده برای تولید روانکارهای با عملکرد بالا است. روغن پایهٔ روانکارها با افزودنی‌هایی مانند نانومواد، پلیمرها، بازدارنده‌های خوردگی، آنتی‌اکسیدان‌ها و سایر تجمعات ریز ذرات تقویت می‌شود. نیروهای برشی فراصوتی در ایجاد توزیع اندازهٔ ذرات بسیار ریز، کارایی بالایی دارند. نیروهای فراصوتی (سونومکانیکی) قادرند حتی ذرات اولیه را آسیاب کنند و برای عامل‌دارسازی ذرات به کار می‌روند تا نانوذرات حاصل ویژگی‌های برتری داشته باشند (برای مثال، اصلاح سطح، نانوذرات هسته–پوسته و نانوذرات دوپ‌شده).
همزن‌های فراصوتی با برش بالا می‌توانند کمک شایانی به تولید کارآمد روانکارهای با عملکرد بالا کنند!
مخلوط روغن با دی‌آلکیل‌دی‌تیوفسفات روی (ZDDP) و نانوذرات PTFE با سطح اصلاح‌شده (PHGM) پس از پراکنده‌سازی فراصوتی.
(پژوهش و تصویر: Sharma et al., 2017)
نانوافزودنی‌های نوین در روغن‌های روانکار
افزودنی‌های نوین در ابعاد نانو برای بهبود بیشتر ویژگی‌های عملکردی و عملکرد روغن‌های روانکار و گریس‌ها توسعه می‌یابند. برای مثال، نانوبلورهای سلولز (CNCs) برای فرمولاسیون روانکارهای سبز پژوهش و آزمایش می‌شوند. Zakani et al. (2022) نشان دادند که روانکارهای CNC فراصوت‌دهی‌شده – در مقایسه با سوسپانسیون‌های روانکار فراصوت‌دهی‌نشده – می‌توانند COF (ضریب اصطکاک) و سایش را به‌ترتیب تقریباً 25 و 30% کاهش دهند. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که پردازش با فراصوت‌دهی می‌تواند عملکرد روانکاری سوسپانسیون‌های آبی CNC را به‌طور چشمگیری بهبود دهد.
پراکنده‌سازهای فراصوتی با عملکرد بالا برای تولید روانکار
هنگامی که نانوافزودنی‌ها در فرایندهای تولید صنعتی مانند تولید روغن‌های روانکار استفاده می‌شوند، ضروری است که پودرهای خشک (یعنی نانومواد) به‌طور همگن در یک فاز مایع (روغن روانکار) مخلوط شوند. پراکنده‌سازی نانوذرات به روش اختلاطی قابل‌اعتماد و مؤثر نیاز دارد که انرژی کافی برای شکستن کلوخه‌ها اعمال کند تا ویژگی‌های ذرات نانومقیاس بروز یابد. دستگاه‌های فراصوت به‌عنوان پراکنده‌سازهایی پرتوان و قابل‌اعتماد شناخته می‌شوند؛ ازاین‌رو برای کلوخه‌زدایی و توزیع همگن مواد گوناگون مانند اکسید آلومینیوم، نانولوله‌ها، گرافن، مواد معدنی و بسیاری مواد دیگر در فاز مایعی مانند روغن‌های معدنی، سنتزی یا گیاهی به کار می‌روند. Hielscher Ultrasonics پراکنده‌سازهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای انواع کاربردهای همگن‌سازی و کلوخه‌زدایی طراحی، تولید و عرضه می‌کند.
همین حالا برای کسب اطلاعات بیشتر دربارهٔ پراکنده‌سازی فراصوتی نانوافزودنی‌ها در روانکارها با ما تماس بگیرید!
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوت ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
نانوروانکارهای PTFE پس از گذشت 7 روز از تهیه (A: روغن پایه، B: نانوروانکار PTFE با 1 hr فراصوت‌دهی، C: نانوروانکار PTFE با 30 min. فراصوت‌دهی).
(پژوهش و تصویر: © Kumar et al., 2013)
تأثیر فراصوت‌دهی بر پایداری پراکندگی Al2O3 در روانکارها.
(پژوهش و نمودار: © Sharif et al., 2017)
دانستنی‌های مفید
روانکارها چیستند؟
کاربرد اصلی روانکارها یا روغن‌های روانکار، کاهش اصطکاک و سایش ناشی از تماس مکانیکی و همچنین کاهش گرما است. روانکارها بسته به کاربرد و ترکیبشان به روغن‌های موتور، سیالات انتقال قدرت، سیالات هیدرولیک، روغن‌های چرخ‌دنده و روانکارهای صنعتی تقسیم می‌شوند.
ازاین‌رو، روانکارها به‌طور گسترده در وسایل نقلیهٔ موتوری و همچنین ماشین‌آلات صنعتی استفاده می‌شوند. برای تأمین روانکاری مناسب، روغن‌های روانکار معمولاً حاوی 90% روغن پایه (عمدتاً برش‌های نفتی، یعنی روغن‌های معدنی) و کمتر از 10% افزودنی هستند. هنگامی که از روغن‌های معدنی استفاده نمی‌شود، روغن‌های گیاهی یا مایعات سنتزی مانند پلی‌اولفین‌های هیدروژنه، استرها، سیلیکون‌ها، فلوئوروکربن‌ها و بسیاری مواد دیگر می‌توانند به‌عنوان روغن‌های پایهٔ جایگزین به کار روند. کاربرد اصلی روانکارها کاهش اصطکاک و سایش ناشی از تماس مکانیکی و همچنین کاهش گرمای اصطکاکی و اتلاف انرژی است. ازاین‌رو، روانکارها به‌طور گسترده در وسایل نقلیهٔ موتوری و همچنین ماشین‌آلات صنعتی استفاده می‌شوند.
مواد آنتی‌اکسیدانی مانند آنتی‌اکسیدان‌های اولیهٔ آمینی و فنولی، اسیدهای طبیعی، تجزیه‌کننده‌های پراکسید و پیرازین‌ها با افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون، طول عمر روانکارها را افزایش می‌دهند. به‌این‌ترتیب، روغن پایه در برابر تخریب حرارتی محافظت می‌شود، زیرا تجزیهٔ حرارتی–اکسایشی با شدت کمتر و تأخیر بیشتر رخ می‌دهد.
انواع روانکارها
روانکارهای مایع: روانکارهای مایع عموماً بر پایهٔ یک نوع روغن پایه هستند. برای بهبود ویژگی‌های عملکردی و عملکرد، اغلب مواد دیگری به این روغن پایه افزوده می‌شود. افزودنی‌های متداول برای مثال شامل آب، روغن معدنی، لانولین، روغن گیاهی یا طبیعی، نانوافزودنی‌ها و غیره هستند.
بیشتر روانکارها مایع هستند و می‌توان آن‌ها را بر اساس منشأ به دو گروه تقسیم کرد:
- روغن‌های معدنی: روغن‌های معدنی، روغن‌های روانکاری هستند که از پالایش نفت خام به دست می‌آیند.
- روغن‌های سنتزی: روغن‌های سنتزی، روغن‌های روانکاری هستند که با استفاده از ترکیباتی تولید می‌شوند که به‌صورت مصنوعی اصلاح شده‌اند یا از نفت اصلاح‌شده سنتز شده‌اند.
گریس روانکار روانکاری جامد یا نیمه‌جامد است که از یک روانکار مایع تشکیل شده و با پراکنده‌سازی عوامل غلیظ‌کننده در آن، غلیظ شده است. برای تولید گریس روانکار، روغن‌های روانکار به‌عنوان روغن پایه استفاده می‌شوند و جزء اصلی آن هستند. گریس روانکار تقریباً حاوی 70% تا 80% روغن روانکار است.
روانکارهای نفوذکننده و روانکارهای خشک انواع دیگری هستند که عمدتاً برای کاربردهای ویژه به کار می‌روند.
روانکارهای زیستی عمدتاً به سیال پایه یا نمایهٔ کلی زیست‌محیطی اشاره دارند و لزوماً به این معنا نیستند که تک‌تک افزودنی‌ها منشأ زیستی دارند. روانکارهای زیستی معمولاً بر پایهٔ روغن‌های گیاهی، استرهای سنتزی، روغن‌های مشتق از گیاهان یا سایر مواد پایهٔ تجدیدپذیر/زیست‌تخریب‌پذیر هستند. بااین‌حال، مانند روانکارهای متداول، آن‌ها نیز اغلب همچنان به افزودنی‌های عملکردی برای بهبود محافظت در برابر سایش، پایداری اکسیداسیونی، محافظت در برابر خوردگی، رفتار گرانروی و ظرفیت تحمل بار نیاز دارند. این بدان معناست که تعریف روانکارهای زیستی به‌طور کلی بر منشأ تجدیدپذیر، زیست‌تخریب‌پذیری، سمیت کم و عملکرد زیست‌محیطی استوار است، نه بر الزام زیستی بودن هر افزودنی.
دربارهٔ فراصوت‌دهی برای فرمولاسیون روانکارهای زیستی بیشتر بخوانید!
نانوافزودنی‌هایی مانند نمونه‌های فهرست‌شده در بالا را می‌توان با استفاده از پراکنده‌سازهای فراصوتی با موفقیت در روانکارها مخلوط کرد.
منابع علمی / مراجع
- 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 هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های مختلف، از آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.