Amélioration des nanolubrifiants grâce à la dispersion par ultrasons

L'intégration de nano-additifs dans les formulations de lubrifiants constitue l'une des avancées les plus significatives de ces dernières années en matière de tribologie. Cependant, les chercheurs et les ingénieurs de procédés sont confrontés à un défi récurrent : parvenir à une dispersion homogène des particules nanométriques dans des huiles de base visqueuses sans altérer leur intégrité structurelle. Les méthodes de mélange traditionnelles ne parviennent souvent pas à désagréger efficacement les agglomérats, ce qui se traduit par des performances irrégulières du produit et une stabilité de conservation limitée.

La solution : dispersion par ultrasons de nano-additifs dans les formulations de lubrifiants

Les ultrasons de haute puissance constituent la solution optimale pour relever ces défis de dispersion. En exploitant les principes de la cavitation acoustique, les équipements à ultrasons génèrent des cycles alternés de haute et de basse pression au sein des milieux liquides. Au cours du cycle de basse pression, de petites bulles de vide se forment dans le liquide. Lorsque ces bulles atteignent leur volume maximal et ne peuvent plus absorber d’énergie, elles s’effondrent violemment pendant le cycle de haute pression. Cet effondrement génère des conditions extrêmes localisées – des températures atteignant environ 5 000 kelvins et des pressions supérieures à 1 000 atmosphères – qui permettent de désagglomérer efficacement les agrégats de nanoparticules et d'assurer une répartition homogène dans toute la matrice du lubrifiant.
Pour les ingénieurs de procédés, cela fait toute la différence entre un lubrifiant qui se dépose et se sépare en quelques semaines et un autre qui conserve ses performances pendant toute la durée de vie du composant.

Étude de cas : nanotubes de carbone de type bambou dopés à l'azote dans des graisses conductrices

Une étude publiée dans le *Journal of Materials Research and Technology* (2019) illustre de manière convaincante l'efficacité de la technologie ultrasonique dans la production de lubrifiants. Cette étude, intitulée “Application de nanotubes de carbone de type bambou dopés à l'azote pour le développement de lubrifiants électroconducteurs,” montre comment l'homogénéisateur à sonde Hielscher UIP1000hdT (340 W, durée de traitement de 2 minutes) a permis de produire des graisses pour roulements homogènes, stables et électriquement conductrices.
Les chercheurs ont utilisé des nanotubes de carbone en forme de bambou (BCNT) comme additifs conducteurs pour les graisses. L'incorporation d'azote dans la structure graphitique des parois latérales des nanotubes a permis d'obtenir des propriétés électroniques et structurelles exceptionnelles, se traduisant par un excellent comportement d'adsorption et une excellente conductivité électrique. Les nanotubes de carbone sont des matériaux nanostructurés remarquables par leur conductivité électrique, et leurs propriétés électroniques peuvent être ajustées de manière spécifique en y incorporant des atomes d'azote grâce à des techniques de dopage.
Ces résultats soulignent l'efficacité de la dispersion par ultrasons :

Cette étude de cas constitue une démonstration technique de faisabilité : lorsque le nanomatériau adéquat est associé à l'énergie ultrasonique appropriée, le lubrifiant ainsi obtenu atteint des performances qui étaient auparavant considérées comme inaccessibles avec les méthodes de mélange classiques.

Caractéristique principale de la nanodispersion par ultrasons dans les lubrifiants

La technique de dispersion par ultrasons donne des résultats exceptionnels qui confirment son potentiel industriel :

• Exigences minimales en matière d'additifs : Des quantités relativement faibles de BCNT, plus précisément 1,5 % en poids, suffisent pour obtenir une bonne conductivité électrique des graisses, supérieure à 14 mS. Les échantillons contenant des nanotubes présentent une bonne conductivité électrique comprise entre 7 et 18,5 mS lors de mesures en régime permanent.
• Amélioration des performances en cours de fonctionnement : Les mesures de conductivité électrique réalisées pendant le fonctionnement réel des roulements à billes révèlent des valeurs encore plus élevées, avec un maximum de 31,5 mS enregistré pour la formulation à 3 % de BCNT. La conductivité augmente dans chaque cas par rapport aux mesures effectuées à l'état stationnaire, ce qui indique que les contraintes mécaniques subies pendant le fonctionnement améliorent encore davantage les voies de conduction.
• Performances de friction supérieures : Les échantillons contenant 1,5 % en poids de BCNT présentent des caractéristiques de frottement efficaces, avec des valeurs de couple de frottement de 6,1 et 5,1 Nmm. Cela démontre qu’une concentration optimale en additif permet d’équilibrer la conductivité et les performances mécaniques.
• Stabilité thermique améliorée : L'ajout d'huile de silicone à haute viscosité (5 000 mm²/s) et de silice pyrogénée comme agents épaississants permet de relever le point de goutte au-delà de 150 °C, ce qui résout une contrainte majeure dans les applications à haute température.
• Formulations optimisées : L'huile de base PDMS contenant 3 % de BCNT et 1,0 % de SiO₂ colloïdal, d'une viscosité de 50 mm/s, s'est révélée parfaitement adaptée à la lubrification des roulements à billes, alliant conductivité et robustesse mécanique.

Les ultrasons : l'avantage de la transposition à l'échelle industrielle

Si les essais menés à l'échelle du laboratoire avec l'appareil Hielscher UIP1000hdT permettent de valider le concept, la véritable valeur ajoutée pour les applications industrielles réside dans la scalabilité linéaire. Les sonicateurs Hielscher offrent un avantage unique grâce à leur capacité de transposition linéaire, permettant une transition en douceur de la R&D&Du traitement sur paillasse à la production en ligne de grands volumes.
Pour une mise en œuvre industrielle, les ingénieurs de procédés peuvent utiliser le modèle UIP4000hdT de 4 kW, le sonicateur UIP6000hdT de 6 kW ou le puissant UIP16000hdT de 16 kW, équipé de cellules de flux spécialisées. Cette approche de transposition linéaire garantit que les formulations développées à l'échelle du laboratoire conservent une qualité de dispersion et des caractéristiques de distribution des particules identiques lorsqu'elles sont produites à l'échelle industrielle. La cohérence obtenue grâce au traitement par ultrasons élimine la variabilité d'un lot à l'autre qui affecte les méthodes de mélange conventionnelles, ce qui est particulièrement crucial pour les applications de lubrifiants haute performance dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile et des machines de précision.

Pourquoi les ultrasons jouent un rôle essentiel dans l'innovation en matière de lubrifiants

Les avantages de la dispersion par ultrasons des nano-additifs vont bien au-delà d'une simple efficacité de mélange. Cette technologie permet :

1. Augmentation de la charge en additifs : Il est possible d'incorporer des concentrations plus élevées de nano-additifs sans risque d'agglomération, ce qui permet d'optimiser les avantages en termes de performances.
2. Meilleure durée de conservation : Les dispersions homogènes empêchent la sédimentation et la séparation de phases lors de périodes de stockage prolongées.
3. Une qualité constante des produits : Chaque lot de production présente des caractéristiques de dispersion identiques, ce qui est essentiel pour les applications nécessitant un contrôle qualité rigoureux.
4. Réduction du temps de traitement : La cavitation ultrasonique permet d'obtenir une dispersion en quelques minutes, contre plusieurs heures avec les méthodes traditionnelles.
5. Polyvalence dans les différentes formulations : Cette technologie est compatible avec divers types d'huiles de base, d'agents épaississants et d'additifs, ce qui offre une grande souplesse dans le développement des formulations.

Les disperseurs à sonde ultrasonique permettent de produire des biolubrifiants hautement performants.
(Étude et illustration : Liu et al., 2020)

Optimisez votre production de nanolubrifiants grâce à la dispersion par ultrasons

L'intégration de la technologie ultrasonique dans les processus de production de lubrifiants représente un changement de paradigme dans la manière dont les nano-additifs sont incorporés dans les formulations de lubrifiants. Comme l'a démontré le développement réussi de graisses électriquement conductrices à base de nanotubes de carbone de type bambou dopés à l'azote, l'ultrasonication à haute énergie permet d'obtenir des dispersions homogènes et stables présentant des caractéristiques de performance exceptionnelles. Grâce à la capacité d’extrapolation linéaire de Hielscher, allant du sonicateur de paillasse UIP1000hdT aux modèles industriels en ligne tels que l’UIP4000hdT, UIP6000hdT et UIP16000hdT équipés de cellules de flux, les chercheurs et les ingénieurs de procédés peuvent passer en toute confiance de la R&De la phase de découverte à la production commerciale, en veillant à ce que l'innovation mise au point en laboratoire donne des résultats identiques en usine.
L'avenir de la technologie des lubrifiants ne réside pas seulement dans le développement de nouveaux nano-additifs, mais aussi dans la maîtrise des techniques de dispersion qui permettent d'exploiter pleinement leur potentiel. Le traitement par ultrasons fait le lien entre la découverte scientifique et l'application industrielle, ouvrant la voie à la prochaine génération de lubrifiants haute performance destinés à des applications industrielles exigeantes.

 
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

Littérature / Références