חומרי סיכה שתפקודיהם משופרים באמצעות ננו־חלקיקים
שמני סיכה יכולים להפיק תועלת רבה מתוספים ננומטריים, המסייעים בהפחתת חיכוך ובלאי. עם זאת, חיוני שתוספים ננומטריים כגון ננו־חלקיקים, שכבות גרפן חד־אטומיות או ננו־כדורים במבנה ליבה־מעטפת יהיו מפוזרים בחומר הסיכה באופן אחיד וכחלקיקים נפרדים. פיזור אולטרסוני הוכח כשיטת ערבוב אמינה ויעילה, המבטיחה התפלגות הומוגנית של ננו־חלקיקים ומונעת התקבצות.
כיצד לפזר תוספים ננומטריים בנוזלי סיכה? – באמצעות אולטרסאונד!
השימוש בתוספים ננומטריים בחומרי סיכה נחשב לאחת השיטות היעילות ביותר לשיפור מאפיינים טריבולוגיים ולהפחתת חיכוך ובלאי. שיפור טריבולוגי כזה תורם במידה רבה לחיסכון באנרגיה ולהפחתת פליטות, ובכך מצמצם את ההשפעה הסביבתית.
האתגר בחומרי סיכה המשופרים באמצעות ננו־חומרים טמון בערבוב: ננו־חומרים כגון ננו־חלקיקים או ננו־תאית גבישית מחייבים שימוש במערבלים ממוקדים בעלי כוחות גזירה גבוהים, המפזרים את הננו־חומרים באופן אחיד ומפרידים את המבנים הסבוכים שלהם לחלקיקים בודדים. סוניקציה באמצעות גשושי אולטרסאונד בהספק גבוה יוצרת שדות ייחודיים בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה, והוכחה כעדיפה בעיבוד ננו־חומרים, ולכן היא השיטה המבוססת להכנת פיזורים ננומטריים.
Molseh et al. (2009) הראו כי יציבות הפיזור של שלושה ננו־חלקיקים שונים (מוליבדן דו־גופרי (MoS2), טונגסטן דו־גופרי (WS2) ובורון ניטריד הקסגונלי (hBN)) ב־CIMFLO 20 לאחר טיפול אולטרסוני הייתה טובה יותר מזו שהתקבלה בניעור ובערבוב מכניים. מכיוון שקוויטציה אולטרסונית יוצרת תנאים ייחודיים בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה, סוניקציה באמצעות גשוש עולה על טכניקות פיזור קונבנציונליות באפקטיביות וביעילות.
מאפייני ננו־חלקיקים כגון גודל, צורה וריכוז משפיעים על תכונותיהם הטריבולוגיות. אף שהגודל הננומטרי האידיאלי משתנה בהתאם לחומר, רוב הננו־חלקיקים מציגים את רמת התפקוד הגבוהה ביותר בטווח שבין עשרה למאה ננומטרים. הריכוז האידיאלי של תוספים ננומטריים בשמן סיכה הוא לרוב בטווח 0.1–5.0% .
ננו־חלקיקי תחמוצות כגון Al2O3, CuO או ZnO נמצאים בשימוש נרחב כננו־חלקיקים המשפרים את הביצועים הטריבולוגיים של חומרי סיכה. תוספים אחרים כוללים תוספים נטולי אפר, נוזלים יוניים, אסטרים של בוראט, ננו־חומרים אי־אורגניים, ננו־מבנים מבוססי פחמן כגון ננו־צינוריות פחמן (CNTs), גרפיט וגרפן. תוספים מסוימים משמשים לשיפור תכונות מסוימות של שמני סיכה. למשל, חומרי סיכה למניעת בלאי מכילים תוספים ללחצים קיצוניים כגון מוליבדן דו־גופרי, גרפיט, אולפינים מגופרים וקומפלקסים של דיאלקילדיתיוקרבמט, או תוספים נגד בלאי כגון טריאריל פוספטים ודיאלקילדיתיופוספט של אבץ.
הומוגנייזרים אולטרסוניים מסוג גשוש הם מערבלים אמינים ומשמשים להכנת פורמולציות של חומרי סיכה בעלי ביצועים גבוהים. סוניקציה מוכרת כעדיפה להכנת תרחיפים בעלי חלקיקים בגודל ננומטרי, והיא יעילה ביותר לייצור תעשייתי של שמני סיכה.
קראו עוד על מכשירי פיזור אולטרסוניים לייצור חומרי סיכה ננומטריים!
מערכת ערבוב אולטרסונית תעשייתית לפיזור ננו־חלקיקים בשמני סיכה בתפוקה גבוהה.
- ביצועים טריבולוגיים משופרים
- שילוב אחיד של תוספים ננומטריים
- חומרי סיכה על בסיס שמן צמחי
- הכנת שכבת סיכה טריבולוגית
- נוזלים לעיצוב פחי מתכת
- ננו־נוזלים לשיפור יעילות הקירור
- נוזלים יוניים בחומר סיכה מימי או על בסיס שמן
- נוזלים לעיבוד בשיבוב במשיכה
פיזור אולטרסוני של תחמוצת אלומיניום (Al2O3) מביא להפחתה משמעותית בגודל החלקיקים ולפיזור אחיד.
ייצור חומרי סיכה עם תוספים ננומטריים
לייצור שמני סיכה המחוזקים בננו־חומרים, חיוניים ננו־חומר מתאים וטכניקת פיזור עוצמתית ויעילה. ללא פיזור ננומטרי אמין ויציב לאורך זמן, אי אפשר לייצר חומר סיכה בעל ביצועים גבוהים.
ערבוב ופיזור אולטרסוניים הם שיטה מבוססת לייצור חומרי סיכה בעלי ביצועים גבוהים. שמן הבסיס של חומרי הסיכה מחוזק בתוספים כגון ננו־חומרים, פולימרים, מעכבי קורוזיה, נוגדי חמצון ואגרגטים דקים אחרים. כוחות גזירה אולטרסוניים יעילים מאוד ביצירת התפלגות גדלים של חלקיקים דקים מאוד. כוחות אולטרסוניים (סונומכניים) מסוגלים לטחון אפילו חלקיקים ראשוניים, ומשמשים להקניית קבוצות פונקציונליות לחלקיקים, כך שלננו־חלקיקים המתקבלים יש תכונות עדיפות (למשל, שינוי פני השטח, ננו־חלקיקי ליבה־מעטפת, ננו־חלקיקים מסוממים).
מערבלים אולטרסוניים בעלי כוחות גזירה גבוהים יכולים לסייע רבות בייצור יעיל של חומרי סיכה בעלי ביצועים גבוהים!
תערובת שמן עם אבץ דיאלקילדיתיופוספט (ZDDP) וננו־חלקיקי PTFE בעלי פני שטח שעברו שינוי (PHGM) לאחר פיזור אולטרסוני.
(מחקר ותמונה: Sharma et al., 2017)
תוספים ננומטריים חדשניים בשמני סיכה
תוספים חדשניים בגודל ננומטרי מפותחים כדי לשפר עוד יותר את התפקוד והביצועים של שמני סיכה ומשחות סיכה. למשל, ננו־גבישי תאית (CNCs) נחקרים ונבדקים לצורך פיתוח פורמולציות של חומרי סיכה ירוקים. Zakani et al. (2022) הראו כי – בהשוואה לתרחיפי סיכה שלא עברו סוניקציה – חומרי סיכה המכילים CNC שעברו סוניקציה יכלו להפחית את COF (מקדם החיכוך) ואת הבלאי בכמעט 25 ו־30%, בהתאמה. תוצאות מחקר זה מצביעות על כך שעיבוד באמצעות סוניקציה יכול לשפר במידה ניכרת את ביצועי הסיכה של תרחיפי CNC מימיים.
מכשירי פיזור אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לייצור חומרי סיכה
כאשר משתמשים בתוספים ננומטריים בתהליכי ייצור תעשייתיים, כגון ייצור שמני סיכה, חיוני לערבב אבקות יבשות (כלומר, ננו־חומרים) באופן הומוגני לתוך פאזה נוזלית (שמן סיכה). פיזור ננו־חלקיקים דורש טכניקת ערבוב אמינה ואפקטיבית, המפעילה אנרגיה מספקת לפירוק צברים כדי לממש את תכונותיהם של חלקיקים בקנה מידה ננומטרי. מכשירים אולטרסוניים מוכרים היטב כמכשירי פיזור עוצמתיים ואמינים, ולכן משמשים לפירוק צברים ולפיזור הומוגני של חומרים שונים, כגון תחמוצת אלומיניום, ננו־צינוריות, גרפן, מינרלים וחומרים רבים אחרים, בתוך פאזה נוזלית כגון שמנים מינרליים, סינתטיים או צמחיים. Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומשווקת מכשירי פיזור אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לכל סוגי היישומים של הומוגניזציה ופירוק צברים.
צרו איתנו קשר עכשיו כדי ללמוד עוד על פיזור אולטרסוני של תוספים ננומטריים בחומרי סיכה!
הטבלה שלהלן מספקת הערכה של כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500mL | 10 עד 200mL/min | UP100H |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 עד 150L | 3 עד 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | אשכול של UIP16000 |
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי ערבוב, פיזור, תחלוב ומיצוי בקנה מידה מעבדתי, ניסיוני ותעשייתי.
חומרי סיכה ננומטריים המכילים PTFE, 7 ימים לאחר ההכנה (A: שמן בסיס, B: חומר סיכה ננומטרי המכיל PTFE שעבר סוניקציה במשך 1 hr, C: חומר סיכה ננומטרי המכיל PTFE שעבר סוניקציה במשך 30 min.).
(מחקר ותמונה: © Kumar et al., 2013)
השפעת הסוניקציה על יציבות הפיזור של Al2O3 בחומרי סיכה.
(מחקר ותרשים: © Sharif et al., 2017)
עובדות שכדאי לדעת
מהם חומרי סיכה?
השימוש העיקרי בחומרי סיכה או בשמני סיכה הוא להפחית חיכוך ובלאי הנגרמים ממגע מכני, וכן להפחית חום. בהתאם לשימושם ולהרכבם, חומרי סיכה נחלקים לשמני מנוע, נוזלי תמסורת, נוזלים הידראוליים, שמני גלגלי שיניים וחומרי סיכה תעשייתיים.
לכן, חומרי סיכה נמצאים בשימוש נרחב בכלי רכב ממונעים ובמכונות תעשייתיות. כדי לספק סיכה טובה, שמני סיכה מכילים בדרך כלל 90% שמן בסיס (בעיקר מקטעי נפט, כלומר שמנים מינרליים) ופחות מ־10% תוספים. כאשר נמנעים משימוש בשמנים מינרליים, אפשר להשתמש בשמנים צמחיים או בנוזלים סינתטיים כגון פוליאולפינים שעברו הידרוגנציה, אסטרים, סיליקונים, פלואורוקרבונים ורבים אחרים כשמני בסיס חלופיים. השימוש העיקרי בחומרי סיכה הוא להפחית חיכוך ובלאי הנגרמים ממגע מכני, וכן להפחית חום הנוצר מחיכוך ואובדני אנרגיה. לכן, חומרי סיכה נמצאים בשימוש נרחב בכלי רכב ממונעים ובמכונות תעשייתיות.
חומרים נוגדי חמצון כגון נוגדי חמצון ראשוניים אמיניים ופנוליים, חומצות טבעיות, מפרקי פראוקסידים ופיראזינים מאריכים את חיי חומרי הסיכה באמצעות הגברת העמידות לחמצון. כך שמן הבסיס מוגן מפני התפרקות עקב חום, שכן ההתפרקות התרמו־חמצונית מתרחשת במידה מופחתת ובשלב מאוחר יותר.
סוגי חומרי סיכה
חומרי סיכה נוזליים: חומרי סיכה נוזליים מבוססים בדרך כלל על סוג אחד של שמן בסיס. לעיתים קרובות מוסיפים לשמן בסיס זה חומרים אחרים כדי לשפר את התפקוד והביצועים. תוספים טיפוסיים כוללים, למשל, מים, שמן מינרלי, לנולין, שמן צמחי או טבעי, תוספים ננומטריים וכדומה.
רוב חומרי הסיכה הם נוזלים, וניתן לסווג אותם לפי מקורם לשתי קבוצות:
- שמנים מינרליים: שמנים מינרליים הם שמני סיכה המזוקקים מנפט גולמי.
- שמנים סינתטיים: שמנים סינתטיים הם שמני סיכה המיוצרים באמצעות תרכובות שעוברות שינוי מלאכותי או מסונתזות מנפט שעבר שינוי.
גריז לסיכה הוא חומר סיכה מוצק או מוצק למחצה, המורכב מחומר סיכה נוזלי שמוסמך באמצעות פיזור חומרי הסמכה בתוכו. לייצור גריז לסיכה משתמשים בשמני סיכה כשמני בסיס, והם המרכיב העיקרי שלו. גריז לסיכה מכיל כ־70% עד 80% שמן סיכה.
חומרי סיכה חודרים וכן חומרי סיכה יבשים הם סוגים נוספים, המשמשים בעיקר ליישומים ייעודיים.
חומרי סיכה ביולוגיים מוגדרים בעיקר לפי נוזל הבסיס או הפרופיל הסביבתי הכולל, ולא בהכרח לפי היותו של כל תוסף ותוסף ממקור ביולוגי. חומרי סיכה ביולוגיים מבוססים בדרך כלל על שמנים צמחיים, אסטרים סינתטיים, שמנים ממקור צמחי או חומרי בסיס אחרים ממקורות מתחדשים או המתכלים ביולוגית. עם זאת, בדומה לחומרי סיכה רגילים, לעיתים קרובות הם עדיין זקוקים לתוספים פונקציונליים לשיפור ההגנה מפני בלאי, היציבות בפני חמצון, ההגנה מפני קורוזיה, התנהגות הצמיגות ויכולת נשיאת העומס. משמעות הדבר היא שחומרי סיכה ביולוגיים מוגדרים באופן רחב לפי מקור מתחדש, התכלות ביולוגית, רעילות נמוכה וביצועים סביבתיים, ללא דרישה שכל תוסף יהיה ביולוגי.
קראו עוד על סוניקציה להכנת פורמולציות של חומרי סיכה ביולוגיים!
ניתן לערבב בהצלחה בחומרי סיכה תוספים ננומטריים, כדוגמת אלה המפורטים לעיל, באמצעות מפזרים אולטרסוניים.
ספרות / מקורות
- 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 מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, בקני מידה הנעים בין קנה מידה מעבדתי לבין קנה מידה תעשייתי.