Ultraäänidispersiolla parannetut nanovoiteluaineet

Nano-lisäaineiden sisällyttäminen voiteluaineiden koostumuksiin on yksi viime vuosien merkittävimmistä edistysaskelista tribologiassa. Tutkijat ja prosessisuunnittelijat kohtaavat kuitenkin jatkuvan haasteen: nanokokoluokan hiukkasten tasaisen dispergoinnin saavuttaminen viskooseissa perusöljyissä niiden rakenteellista eheyttä heikentämättä. Perinteiset sekoitusmenetelmät eivät useinkaan pysty hajottamaan agglomeraatteja tehokkaasti, mikä johtaa epätasaiseen tuotteen suorituskykyyn ja rajoitettuun säilyvyyteen.

Ratkaisu: Ultraäänellä tapahtuva nano-lisäaineiden dispergointi voiteluaineen koostumuksessa

Suuritehoinen ultraääni on paras ratkaisu näihin dispergointiongelmiin. Hyödyntämällä akustisen kavitaation periaatteita ultraäänilaitteet luovat nestemäisessä väliaineessa vuorottelevia korkeapaine- ja matalapainejaksoja. Matalan paineen jakson aikana nesteeseen muodostuu pieniä tyhjiökuplia. Kun nämä kuplat saavuttavat maksimitilavuutensa eivätkä voi enää imeä lisää energiaa, ne romahtavat voimakkaasti korkean paineen jakson aikana. Tämä romahdus luo paikallisia äärimmäisiä olosuhteita – lämpötilat, jotka nousevat noin 5000 kelviniin, ja paineet, jotka ylittävät 1000 atmosfääriä – jotka hajottavat tehokkaasti nanohiukkaskertymät ja varmistavat niiden tasaisen jakautumisen koko voiteluainematriisiin.
Prosessisuunnittelijoille tämä tarkoittaa eroa sellaisen voiteluaineen, joka laskeutuu ja erottuu muutamassa viikossa, ja sellaisen välillä, joka säilyttää suorituskykynsä komponentin koko käyttöiän ajan.

Tapaustutkimus: Typpillä seostetut bambun kaltaiset hiilinanoputket johtavissa rasvoissa

Mielenkiintoinen esimerkki ultraääniteknologian tehokkuudesta voiteluaineiden tuotannossa löytyy Journal of Materials Research and Technology -lehdessä (2019) julkaistusta tutkimuksesta. Tutkimuksen otsikko on “Typpillä seostetun bambumaisen hiilinanoputken käyttö sähköä johtavien voiteluaineiden kehittämisessä,” osoittaa, kuinka Hielscherin UIP1000hdT-anturityyppisellä homogenisaattorilla (340 W, käsittelyaika 2 min) voitiin valmistaa homogeenisia, stabiileja ja sähköä johtavia laakerirasvoja.
Tutkijat käyttivät bambunmuotoisia hiilinanoputkia (BCNT) rasvojen johtavina lisäaineina. Kun typpeä sisällytettiin nanoputkien sivuseinien grafiittirakenteeseen, syntyi poikkeuksellisia elektronisia ja rakenteellisia ominaisuuksia, jotka johtivat erinomaiseen adsorptiokäyttäytymiseen ja sähkönjohtavuuteen. Hiilinanoputket ovat erinomaisia sähköä johtavia nanorakenteisia materiaaleja, ja niiden elektronisia ominaisuuksia voidaan säätää tarkasti lisäämällä typpiatomeja doping-tekniikoiden avulla.
Tulokset korostavat ultraäänidispersiotekniikan tehokkuutta:

Tämä tapaustutkimus toimii teknisenä toimivuuden osoituksena: kun oikea nanomateriaali yhdistyy oikeaan ultraäänienergiaan, tuloksena syntyvä voiteluaine saavuttaa suorituskykyarvot, joita aiemmin pidettiin saavuttamattomina perinteisillä sekoitusmenetelmillä.

Voiteluaineiden ultraääninano-dispersiota koskeva keskeinen ominaisuus

Ultraäänidispersiomenetelmä tuottaa erinomaisia tuloksia, jotka vahvistavat sen teollisen potentiaalin:

• Lisäaineiden vähimmäisvaatimukset: Suhteellisen pienet määrät BCNT:tä, tarkemmin sanottuna 1,5 painoprosenttia, riittävät saavuttamaan rasvoille hyvän sähkönjohtavuuden, joka ylittää 14 mS. Nanoputkia sisältävät näytteet osoittavat hyvää sähkönjohtavuutta, joka vaihtelee 7:stä 18,5 mS:iin staattisissa mittauksissa.
• Parannettu suorituskyky käytön aikana: Sähkönjohtavuusmittaukset kuulalaakerin todellisessa käytössä paljastavat vieläkin korkeampia arvoja; 3 %:n BCNT-koostumuksella mitattiin suurin arvo 31,5 mS. Johtavuus kasvaa kaikissa tapauksissa verrattuna mittauksiin, jotka on tehty laakerin ollessa paikallaan, mikä viittaa siihen, että käytön aikana syntyvä mekaaninen rasitus parantaa johtavia reittejä entisestään.
• Erinomainen kitkakäyttäytyminen: Tehokkaat kitkaominaisuudet saavutetaan näytteillä, joihin on lisätty 1,5 painoprosenttia BCNT:tä; niiden kitkamomenttiarvot ovat 6,1 ja 5,1 Nmm. Tämä osoittaa, että optimaalinen lisäaineen pitoisuus tasapainottaa johtavuuden ja mekaanisen suorituskyvyn.
• Parannettu lämpöstabiilisuus: Lisäämällä sakeutusaineiksi korkeaviskositeettista silikoniöljyä (5000 mm²/s) ja piidioksidipitoista piidioksidia tippumispiste nousee yli 150 °C:n, mikä ratkaisee korkean lämpötilan sovelluksissa esiintyvän kriittisen rajoitteen.
• Optimoidut koostumukset: 3 %:n BCNT:tä ja 1,0 %:n kolloidista SiO₂:ta sisältävä PDMS-perusöljy, jonka viskositeetti oli 50 mm/s, osoittautui hyvin sopivaksi kuulalaakereiden täyteaineeksi, sillä se yhdisti sähkönjohtavuuden ja mekaanisen kestävyyden.

Ultraääni: Teollisen mittakaavan laajennuksen edut

Vaikka Hielscher UIP1000hdT -laitetta hyödyntävä laboratoriomittakaavan kehitystyö osoittaa konseptin toimivuuden, teollisten sovellusten todellinen arvo piilee lineaarisessa skaalautuvuudessa. Hielscher-ultraäänilaitteet tarjoavat ainutlaatuisen edun lineaarisen skaalautuvuutensa ansiosta, mikä mahdollistaa saumattoman siirtymisen tutkimuksesta&D-tyyppisestä pöytämallin käsittelystä suurten tuotantomäärien linjatuotantoon.
Teollisessa käytössä prosessisuunnittelijat voivat hyödyntää 4 kW:n mallia UIP4000hdT, 6 kW:n ultraäänilaitetta UIP6000hdT tai 16 kW:n tehokasta UIP16000hdT-mallia, joka on varustettu erikoistuneilla virtauskammioilla. Tämä lineaarinen skaalausmenetelmä varmistaa, että laboratoriomittakaavassa kehitetyt formulaatiot säilyttävät samanlaisen dispersiolaadun ja hiukkasten jakautumisominaisuudet myös tuotantomittakaavassa valmistettaessa. Ultraäänikäsittelyllä saavutettu yhdenmukaisuus poistaa eräkohtaiset vaihtelut, jotka vaivaavat perinteisiä sekoitusmenetelmiä. Tämä on erityisen tärkeää korkean suorituskyvyn voiteluaineiden sovelluksissa ilmailu-, auto- ja tarkkuuskoneiden aloilla.

Miksi ultraäänikäsittely on tärkeää voiteluaineiden kehityksessä

Ultraäänellä tapahtuvan nano-lisäaineiden dispergoinnin edut ulottuvat pelkkää sekoitustehokkuutta pidemmälle. Teknologia mahdollistaa seuraavat asiat:

1. Lisäaineen lisäys: Nano-lisäaineita voidaan lisätä suuremmissa pitoisuuksissa ilman, että ne agglomeroituvat, mikä maksimoi suorituskykyedut.
2. Parantunut säilyvyys: Homogeeniset dispersiot estävät sedimentaation ja faasierottelun pitkän säilytysajan aikana.
3. Tuotteiden tasainen laatu: Jokaisessa tuotantoerässä saavutetaan täsmälleen samat dispergointiominaisuudet, mikä on ratkaisevan tärkeää sovelluksissa, joissa vaaditaan tiukkaa laadunvalvontaa.
4. Lyhyempi käsittelyaika: Ultraäänikavitaation avulla dispersio saadaan aikaan muutamassa minuutissa, kun perinteisillä menetelmillä siihen kuluu tunteja.
5. Monipuolisuus eri koostumuksissa: Teknologia soveltuu käytettäväksi erilaisiin perusöljyihin, sakeutusaineisiin ja lisäainetyyppeihin, mikä tarjoaa joustavuutta koostumusten kehittämisessä.

Ultraäänisondityyppisellä dispergointilaitteella valmistetaan korkean suorituskyvyn biovoiteluaineita.
(Tutkimus ja kuva: Liu ym., 2020)

Tehosta nanovoiteluaineiden tuotantoa ultraäänidispersiolla

Ultraääniteknologian integrointi voiteluaineiden tuotantoprosesseihin merkitsee paradigman muutosta siinä, miten nano-lisäaineet sisällytetään voiteluaineiden koostumuksiin. Kuten typpeä sisältävien bambumaisista hiilinanoputkista valmistettujen sähköä johtavien rasvojen onnistunut kehittäminen on osoittanut, korkeaenerginen ultraäänikäsittely tuottaa homogeenisia, vakaita dispersioita, joilla on poikkeukselliset suorituskykyominaisuudet. Hielscherin lineaarisen skaalautuvuuden ansiosta pöytämallisesta UIP1000hdT-ultraäänilaitteesta teollisiin linjassa käytettäviin malleihin, kuten UIP4000hdT, UIP6000hdT ja UIP16000hdT, joissa on virtauskammiot, tutkijat ja prosessisuunnittelijat voivat luottavaisin mielin siirtyä tutkimuksesta&Kehitysvaiheesta kaupalliseen tuotantoon, varmistaen, että laboratoriossa kehitetty innovaatio toimii täsmälleen samalla tavalla tehtaalla.
Voiteluaineteknologian tulevaisuus ei piile pelkästään uusien nano-lisäaineiden kehittämisessä, vaan myös niiden täyden potentiaalin hyödyntämiseen johtavien dispergointitekniikoiden hallitsemisessa. Ultraäänikäsittely toimii sillana tieteellisten löytöjen ja teollisten sovellusten välillä ja mahdollistaa seuraavan sukupolven korkean suorituskyvyn voiteluaineiden kehittämisen vaativiin teollisiin sovelluksiin.

 
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Laatu valmistettu Saksassa

Hielscher-ultraääniastiat ovat tunnettuja korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet käsittelevät helposti karkeita olosuhteita ja vaativia ympäristöjä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys ja painottaa erityisesti korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joissa on huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Tietenkin, Hielscher-ultraäänilaitteet ovat CE-yhteensopivia ja täyttävät UL: n, CSA: n ja RoHs: n vaatimukset.

Kirjallisuus / Viitteet