חומרי סיכה ננו-מטריים משופרים באמצעות פיזור קולי

שילוב תוספים ננו-ממדיים בתרכובות חומרי סיכה מהווה את אחת ההתקדמויות המשמעותיות ביותר בתחום הטריבולוגיה בשנים האחרונות. עם זאת, חוקרים ומהנדסי תהליכים ניצבים בפני אתגר מתמשך: השגת פיזור הומוגני של חלקיקים בקנה מידה ננומטרי בתוך שמנים בסיסיים צמיגים, מבלי לפגוע בשלמות המבנית שלהם. שיטות הערבוב המסורתיות לרוב אינן מצליחות לפרק את האגרגטים ביעילות, מה שמביא לביצועים לא אחידים של המוצר וליציבות אחסון מוגבלת.

הפתרון: פיזור תוספים ננו-ממדיים באמצעות אולטרסאונד בתרכובת חומר סיכה

אולטרסאונד בעל עוצמה גבוהה הוא הפתרון הטוב ביותר לאתגרי הפיזור הללו. באמצעות יישום עקרונות הקוויטציה האקוסטית, ציוד אולטרסאונד יוצר מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה ולחץ נמוך בתוך נוזלים. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, נוצרות בועות ואקום קטנות בנוזל. כאשר בועות אלו מגיעות לנפח מרבי ואינן יכולות לקלוט עוד אנרגיה, הן מתפוצצות בעוצמה רבה במהלך מחזור הלחץ הגבוה. התפוצצות זו יוצרת תנאים קיצוניים מקומיים – טמפרטורות המגיעות לכ-5000 קלווין ולחצים העולים על 1000 אטמוספרות – אשר מפרקים ביעילות את צבירים של חלקיקים ננומטריים ומבטיחים פיזור אחיד בכל רחבי מטריצת חומר הסיכה.
עבור מהנדסי תהליכים, הדבר מהווה את ההבדל בין חומר סיכה שנוטה לשקוע ולהתפרק תוך שבועות ספורים, לבין חומר סיכה ששומר על ביצועיו לאורך כל חיי השירות של הרכיב.

מחקר מקרה: ננו-צינורות פחמן דמויי במבוק המושרים בחנקן בגריזים מוליכים

דוגמה משכנעת ליעילותה של טכנולוגיית הקול האולטראסוני בייצור חומרי סיכה מופיעה במחקר שפורסם בכתב העת Journal of Materials Research and Technology (2019). המחקר, שכותרתו “שימוש בננו-צינורות פחמן דמויי במבוק המושרים בחנקן לפיתוח חומרי סיכה מוליכים חשמלית,” ממחיש כיצד מכשיר ההומוגניזציה מסוג בדיקה Hielscher UIP1000hdT (340 וואט, זמן עיבוד של 2 דקות) איפשר ייצור של גריזים למסבים הומוגניים, יציבים ומוליכים חשמלית.
החוקרים השתמשו בננו-צינורות פחמן בצורת במבוק (BCNTs) כתוספים מוליכים לשומנים. הודות לשילוב חנקן במבנה הגרפיטי של דפנות הננו-צינורות, התפתחו תכונות אלקטרוניות ומבניות יוצאות דופן, שהובילו להתנהגות ספיחה ומוליכות חשמלית מצוינות. ננו-צינורות פחמן הם חומרים בעלי מבנה ננומטרי בעלי מוליכות חשמלית יוצאת דופן, ותכונותיהם האלקטרוניות ניתנות לכוונון ספציפי באמצעות שילוב אטומי חנקן בטכניקות סימום.
התוצאות מדגישות את עוצמת הפיזור האולטראסוני:

מחקר מקרה זה משמש כהוכחת היתכנות טכנית: כאשר החומר הננו-טכנולוגי המתאים נפגש עם האנרגיה האולטראסונית המתאימה, חומר הסיכה המתקבל משיג מדדי ביצועים שנחשבו בעבר כבלתי ניתנים להשגה באמצעות שיטות ערבוב קונבנציונליות.

מאפיין מרכזי של פיזור ננו-אולטראסוני בחומרי סיכה

שיטת הפיזור האולטראסוני מספקת תוצאות יוצאות דופן המעידות על הפוטנציאל התעשייתי שלה:

• דרישות מינימליות לתוספים: כמויות קטנות יחסית של BCNTs, ובפרט 1.5% משקל, מספיקות כדי להשיג מוליכות חשמלית טובה של גריזים, העולה על 14 mS. הדגימות המכילות ננו-צינורות מפגינות מוליכות חשמלית טובה הנעה בין 7 ל-18.5 mS במדידות סטטיות.
• ביצועים משופרים במהלך הפעולה: מדידות מוליכות חשמלית במהלך פעולתו בפועל של מיסב הכדורים מגלות ערכים גבוהים אף יותר, כאשר הערך המרבי שנרשם עמד על 31.5 mS בתרכובת ה-BCNT בריכוז של 3%. המוליכות עולה בכל אחד מהמקרים בהשוואה למדידות במצב נייח, דבר המעיד על כך שהמאמץ המכני במהלך הפעולה משפר עוד יותר את נתיבי המוליכות.
• ביצועי חיכוך מעולים: מאפייני חיכוך יעילים מושגים בדגימות המכילות 1.5% משקל BCNT, המציגות ערכי מומנט חיכוך של 6.1 ו-5.1 Nmm. דבר זה ממחיש כי ריכוז אופטימלי של התוסף יוצר איזון בין המוליכות לביצועים המכניים.
• יציבות תרמית משופרת: הוספת שמן סיליקון בעל צמיגות גבוהה (5000 מ"מ²/ש') וסיליקה מעושנת כמסמיכים מעלה את נקודת הטפטוף ליותר מ-150°C, ובכך פותרת מגבלה קריטית ביישומים בטמפרטורות גבוהות.
• פורמולות משופרות: שמן הבסיס PDMS, המכיל 3% BCNT ו-1.0% SiO₂ קולואידלי ובעל צמיגות של 50 מ"מ/שנייה, התגלה כמתאים ביותר לשימוש במיסבים כדוריים, שכן הוא משלב מוליכות עם חוזק מכני.

אולטראסוניקה: היתרון בהרחבת הייצור בקנה מידה תעשייתי

אמנם הפיתוח בקנה מידה מעבדתי באמצעות מכשיר ה-UIP1000hdT של Hielscher מהווה הוכחת היתכנות, אך הערך האמיתי ליישומים תעשייתיים טמון ביכולת ההרחבה הליניארית. מכשירי הסוניקציה של Hielscher מציעים יתרון ייחודי בזכות יכולת ההרחבה הליניארית שלהם, המאפשרת מעבר חלק משלב המחקר (R)&מעבר מעיבוד על שולחן עבודה לייצור רצוף של כמויות גדולות.
לצורך יישום תעשייתי, מהנדסי תהליכים יכולים להשתמש בדגם UIP4000hdT בהספק של 4 קילוואט, במכשיר האולטראסוני UIP6000hdT בהספק של 6 קילוואט או במכשיר החזק UIP16000hdT בהספק של 16 קילוואט, המצויד בתאי זרימה ייעודיים. גישה ליניארית זו להגדלת היקף הייצור מבטיחה כי פורמולות שפותחו בקנה מידה מעבדתי ישמרו על איכות פיזור זהה ועל מאפייני התפלגות חלקיקים זהים גם בייצור בקנה מידה תעשייתי. העקביות המושגת באמצעות עיבוד קולי מבטלת את השונות בין אצווה לאצווה, המהווה בעיה בשיטות ערבוב קונבנציונליות, דבר שהוא קריטי במיוחד עבור יישומים של חומרי סיכה בעלי ביצועים גבוהים בתעשיות התעופה והחלל, הרכב ומכונות הדיוק.

מדוע השימוש באולטרסאונד חשוב לחדשנות בתחום חומרי הסיכה

היתרונות של פיזור ננו-תוספים באמצעות אולטרה-סאונד חורגים מעבר ליעילות ערבוב פשוטה. הטכנולוגיה מאפשרת:

1. העמסת תוספים משופרת: ניתן לשלב ריכוזים גבוהים יותר של תוספים ננו-מטריים ללא היווצרות גושים, ובכך למקסם את היתרונות הביצועיים.
2. יציבות משופרת באחסון: תמיסות הומוגניות מונעות שקיעה והפרדת שלבים במהלך תקופות אחסון ממושכות.
3. איכות מוצר עקבית: כל אצווה בייצור משיגה מאפייני פיזור זהים, דבר החיוני ליישומים הדורשים בקרת איכות קפדנית.
4. קיצור זמן העיבוד: קביטציה אולטראסונית מאפשרת פיזור תוך דקות ספורות, במקום השעות הנדרשות בשיטות המסורתיות.
5. גמישות במגוון פורמולות: הטכנולוגיה מתאימה למגוון שמנים בסיסיים, חומרי עיבוי וסוגי תוספים, ומספקת גמישות בפיתוח פורמולות.

מפזר מסוג בדיקה אולטראסונית מייצר חומרי סיכה ביולוגיים בעלי ביצועים גבוהים.
(מחקר ותמונה: Liu et al., 2020)

שפרו את ייצור חומרי הסיכה הננו-מטריים שלכם באמצעות פיזור אולטראסוני

שילוב טכנולוגיית הקול האולטראסוני בתהליכי ייצור חומרי סיכה מייצג שינוי פרדיגמטי באופן שילוב תוספים ננו-מטריים בתרכובות חומרי הסיכה. כפי שהוכח בפיתוח המוצלח של גריזים מוליכים חשמלית באמצעות ננו-צינורות פחמן דמויי במבוק המושרים בחנקן, טיפול בקול אולטראסוני בעל אנרגיה גבוהה מספק פיזור הומוגני ויציב בעל מאפייני ביצועים יוצאי דופן. הודות ליכולת ההרחבה הליניארית של Hielscher, החל ממכשיר האולטראסוניק השולחני UIP1000hdT ועד לדגמי מכשירי האולטראסוניק התעשייתיים המותקנים בקו הייצור, כגון ה-UIP4000hdT, UIP6000hdT ו-UIP16000hdT עם תאי זרימה, חוקרים ומהנדסי תהליכים יכולים לעבור בביטחון משלב המחקר (R)&מהשלב המחקרי ועד לייצור מסחרי, תוך הקפדה על כך שהחידוש שהושג במעבדה יפעל באופן זהה במפעל.
עתיד טכנולוגיית חומרי הסיכה טמון לא רק בפיתוח תוספים ננו-מטריים חדשים, אלא גם בשליטה בטכניקות הפיזור שמאפשרות לממש את מלוא הפוטנציאל שלהם. העיבוד האולטראסוני מהווה גשר בין הגילוי המדעי ליישום התעשייתי, ומאפשר את פיתוח הדור הבא של חומרי סיכה בעלי ביצועים גבוהים ליישומים תעשייתיים תובעניים.

 
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.

Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.

ספרות / מקורות