Ultraäänidispersiolla parannetut nanovoiteluaineet

Nanolisäaineiden sisällyttäminen voiteluainekoostumuksiin on yksi viime vuosien merkittävimmistä edistysaskelista tribologiassa. Tutkijat ja prosessi-insinöörit kohtaavat kuitenkin jatkuvan haasteen: nanokokoiset hiukkaset on dispergoitava tasaisesti viskooseihin perusöljyihin heikentämättä hiukkasten rakenteellista eheyttä. Perinteiset sekoitusmenetelmät eivät usein pysty hajottamaan agglomeraatteja tehokkaasti, mikä johtaa tuotteen suorituskyvyn vaihteluun ja rajalliseen varastointistabiiliuteen.

Ratkaisu: nanolisäaineiden ultraäänidispersio voiteluainekoostumusten valmistuksessa

Suuritehoinen ultraääni on ylivertainen ratkaisu näihin dispergointihaasteisiin. Akustisen kavitaation periaatteita hyödyntävät ultraäänilaitteet synnyttävät nestemäisiin väliaineisiin vuorottelevia korkean ja matalan paineen jaksoja. Matalan paineen jakson aikana nesteeseen muodostuu pieniä tyhjiökuplia. Kun nämä kuplat saavuttavat enimmäistilavuutensa eivätkä pysty vastaanottamaan enempää energiaa, ne luhistuvat rajusti korkean paineen jakson aikana. Tämä luhistuminen synnyttää paikallisia ääriolosuhteita – noin 5 000 kelviniin kohoavia lämpötiloja ja yli 1 000 ilmakehän paineita – jotka hajottavat tehokkaasti nanohiukkasten agglomeraatteja ja varmistavat hiukkasten tasaisen jakautumisen koko voiteluainematriisiin.
Prosessi-insinööreille tämä merkitsee eroa sellaisen voiteluaineen välillä, joka sedimentoituu ja erottuu viikoissa, ja sellaisen, joka säilyttää suorituskykyprofiilinsa komponentin koko käyttöiän ajan.

Tapaustutkimus: typellä seostetut bambumaiset hiilinanoputket sähköä johtavissa voitelurasvoissa

Vakuuttava esimerkki ultraääniteknologian tehokkuudesta voiteluaineiden tuotannossa on Journal of Materials Research and Technology -lehdessä julkaistu tutkimus (2019). Tutkimus, jonka nimi on ”Typellä seostetun bambumaisen hiilinanoputken käyttö sähköä johtavien voiteluaineiden kehittämisessä”, osoittaa, miten Hielscher UIP1000hdT -sondityyppinen homogenisaattorilaitteisto (340 W, käsittelyaika 2 min) mahdollisti homogeenisten, stabiilien ja sähköä johtavien laakerirasvojen tuotannon.
Tutkijat käyttivät bambumaisia hiilinanoputkia (BCNT) voitelurasvojen sähköä johtavina lisäaineina. Typen sisällyttäminen nanoputkien sivuseinämien grafiittiseen rakenteeseen synnytti poikkeuksellisia elektronisia ja rakenteellisia ominaisuuksia, jotka johtivat erinomaiseen adsorptiokäyttäytymiseen ja sähkönjohtavuuteen. Hiilinanoputket ovat merkittäviä sähköä johtavia nanorakenteisia materiaaleja, ja niiden elektronisia ominaisuuksia voidaan säätää kohdennetusti sisällyttämällä niihin typpiatomeja seostustekniikoilla.
Tulokset korostavat ultraäänidispersion tehoa:

Tämä tapaustutkimus toimii teknisenä osoituksena konseptin toimivuudesta: kun oikea nanomateriaali kohtaa oikean ultraäänienergian, syntyvä voiteluaine saavuttaa suorituskykyarvoja, joita aiemmin pidettiin saavuttamattomina perinteisillä sekoitusmenetelmillä.

Voiteluaineiden ultraääninanodispersion keskeinen ominaisuus

Ultraäänidispergointi tuottaa poikkeuksellisia tuloksia, jotka vahvistavat sen teollisen potentiaalin:

• Vähäinen lisäainetarve: Suhteellisen pienet BCNT-hiilinanoputkien määrät, tarkemmin 1,5 wt%, riittävät saavuttamaan voitelurasvoissa hyvän, yli 14 mS:n sähkönjohtavuuden. Nanoputkia sisältävillä näytteillä on hyvä sähkönjohtavuus, joka vaihtelee 7–18,5 mS:n välillä paikallaan tehtävissä mittauksissa.
• Parempi suorituskyky käytön aikana: Kuulalaakerin todellisen käytön aikana tehdyt sähkönjohtavuusmittaukset osoittavat vielä suurempia arvoja: 3% BCNT-hiilinanoputkia sisältävällä koostumuksella mitattu enimmäisarvo oli 31,5 mS. Sähkönjohtavuus kasvaa jokaisessa tapauksessa paikallaan tehtyihin mittauksiin verrattuna, mikä osoittaa, että käytön aikainen mekaaninen rasitus parantaa edelleen sähköä johtavia reittejä.
• Ylivertaiset kitkaominaisuudet: Näytteillä, jotka sisältävät 1,5 wt% BCNT-hiilinanoputkia, saavutetaan tehokkaat kitkaominaisuudet: niiden kitkamomenttiarvot ovat 6,1 ja 5,1 Nmm. Tämä osoittaa, että optimaalinen lisäainepitoisuus tasapainottaa sähkönjohtavuutta ja mekaanista suorituskykyä.
• Parempi lämpöstabiilius: Suuren viskositeetin silikoniöljyn (5 000 mm²/s) ja pyrogeenisen piidioksidin lisääminen sakeuttimiksi nostaa tippumispisteen yli 150°C:seen ja poistaa näin keskeisen rajoitteen korkean lämpötilan sovelluksissa.
• Optimoidut koostumukset: PDMS-perusöljy, joka sisältää 3% BCNT-hiilinanoputkia ja 1,0% kolloidista SiO₂:ta ja jonka viskositeetti on 50 mm/s, osoittautui hyvin soveltuvaksi kuulalaakerien kuormitukseen yhdistäen sähkönjohtavuuden ja mekaanisen kestävyyden.

Ultraääni: etu teolliseen mittakaavaan siirryttäessä

Vaikka laboratoriomittakaavan kehitystyö Hielscher UIP1000hdT -laitteella osoittaa konseptin toimivuuden, teollisten sovellusten todellinen hyöty perustuu lineaariseen skaalattavuuteen. Hielscherin ultraäänilaitteet tarjoavat ainutlaatuisen edun lineaarisen skaalattavuutensa ansiosta ja mahdollistavat sujuvan siirtymisen tutkimuksen ja kehityksen pöytälaitteilla tehtävästä käsittelystä suurten määrien tuotantoon jatkuvatoimisessa prosessilinjassa.
Teollisessa toteutuksessa prosessi-insinöörit voivat käyttää erityisillä virtauskennoilla varustettua 4kW:n mallia UIP4000hdT, 6kW:n ultraäänilaitetta UIP6000hdT tai tehokasta 16kW:n laitetta UIP16000hdT. Tämä lineaarinen skaalausmenetelmä varmistaa, että laboratoriomittakaavassa kehitettyjen koostumusten dispersion laatu ja hiukkasjakauman ominaisuudet säilyvät samanlaisina tuotantomittakaavassa valmistettaessa. Ultraäänikäsittelyllä saavutettu tasalaatuisuus poistaa perinteisiä sekoitusmenetelmiä vaivaavan erien välisen vaihtelun. Tämä on erityisen tärkeää ilmailu- ja avaruusteollisuuden, autoteollisuuden ja tarkkuuskoneteollisuuden vaativissa voiteluainesovelluksissa.

Miksi ultraäänikäsittely on tärkeää voiteluaineinnovaatioille

Nanolisäaineiden ultraäänidispersion edut ulottuvat pelkkää sekoitustehokkuutta pidemmälle. Teknologia mahdollistaa seuraavat asiat:

1. Suurempi lisäainepitoisuus: Suurempia nanolisäainepitoisuuksia voidaan sisällyttää ilman agglomeroitumista, mikä maksimoi suorituskykyhyödyt.
2. Parempi varastointistabiilius: Homogeeniset dispersiot estävät sedimentaatiota ja faasien erottumista pitkien varastointijaksojen aikana.
3. Tasainen tuotelaatu: Jokaisessa tuotantoerässä saavutetaan samanlaiset dispersion ominaisuudet, mikä on ratkaisevaa tiukkaa laadunvalvontaa edellyttävissä sovelluksissa.
4. Lyhyempi käsittelyaika: Ultraäänikavitaatio saa aikaan dispersion minuuteissa perinteisten menetelmien vaatimien tuntien sijaan.
5. Monipuolisuus eri koostumuksissa: Teknologia toimii erilaisilla perusöljyillä, sakeuttimilla ja lisäainetyypeillä ja tarjoaa joustavuutta koostumusten kehittämiseen.

Sondityyppisillä ultraäänidispergaattoreilla tuotetaan suorituskykyisiä biovoiteluaineita.
(Tutkimus ja kuva: Liu et al., 2020)

Tehosta nanovoiteluaineiden tuotantoasi ultraäänidispersiolla

Ultraääniteknologian sisällyttäminen voiteluaineiden tuotantoprosesseihin merkitsee perustavanlaatuista muutosta tavassa, jolla nanolisäaineet sisällytetään voiteluainekoostumuksiin. Kuten sähköä johtavien voitelurasvojen onnistunut kehittäminen typellä seostettujen bambumaisten hiilinanoputkien avulla osoittaa, suurienerginen ultraäänikäsittely tuottaa homogeenisia, stabiileja dispersioita, joilla on poikkeukselliset suorituskykyominaisuudet. Hielscherin lineaarinen skaalattavuus pöytämallisesta ultraäänilaitteesta UIP1000hdT virtauskennoilla varustettuihin teollisiin prosessilinjan ultraäänilaitemalleihin, kuten UIP4000hdT, UIP6000hdT ja UIP16000hdT, antaa tutkijoille ja prosessi-insinööreille mahdollisuuden siirtyä luottavaisesti tutkimuksen ja kehityksen löydöksistä kaupalliseen tuotantoon ja varmistaa, että laboratoriossa syntynyt innovaatio toimii tehtaassa samalla tavalla.
Voiteluaineteknologian tulevaisuus perustuu uusien nanolisäaineiden kehittämisen lisäksi niiden täyden potentiaalin vapauttavien dispergointitekniikoiden hallintaan. Ultraäänikäsittely yhdistää tieteelliset löydökset ja teolliset sovellukset ja mahdollistaa seuraavan sukupolven suorituskykyiset voiteluaineet vaativiin teollisiin sovelluksiin.

 
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscherin ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscherin ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.

Kirjallisuus / Lähteet

• 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.