Maziva s funkcionalnostima poboljšanima nanočesticama
Ulja za podmazivanje mogu imati velike koristi od nanoaditiva koji pomažu smanjiti trenje i trošenje. Međutim, ključno je da nanoaditivi poput nanočestica, monoslojeva grafena ili nanosfera s jezgrom i ljuskom budu ravnomjerno dispergirani u mazivu kao pojedinačne čestice. Ultrazvučno dispergiranje dokazano je pouzdana i učinkovita metoda miješanja koja osigurava homogenu raspodjelu nanočestica i sprječava agregaciju.
Kako dispergirati nanoaditive u tekućinama za podmazivanje? – Ultrazvukom!
Uporaba nanoaditiva u mazivima smatra se jednom od najučinkovitijih metoda poboljšanja triboloških svojstava smanjenjem trenja i trošenja. Takvo poboljšanje triboloških svojstava znatno povećava uštedu energije i smanjenje emisija, čime se smanjuje utjecaj na okoliš.
Izazov kod maziva poboljšanih nanomaterijalima leži u miješanju: nanomaterijali poput nanočestica ili kristalne nanoceluloze zahtijevaju miješalice s usmjerenim djelovanjem visokih smičnih sila koje ravnomjerno dispergiraju i razdvajaju isprepletene nanomaterijale u pojedinačne čestice. Stvaranjem jedinstvenih polja visoke gustoće energije, sonikacija ultrazvučnim sondama velike snage dokazala je svoju nadmoć u obradi nanomaterijala te je stoga etablirana metoda za pripravu nanodisperzija.
Molseh et al. (2009) pokazali su da je stabilnost disperzije triju različitih vrsta nanočestica (molibdenova disulfida (MoS2), volframova disulfida (WS2) i heksagonskog borova nitrida (hBN)) u CIMFLO 20 uz ultrazvučnu obradu bila bolja nego uz mehaničko protresanje i miješanje. Budući da ultrazvučna kavitacija stvara jedinstvene uvjete visoke gustoće energije, sonikacija sondom nadmašuje konvencionalne tehnike dispergiranja po djelotvornosti i učinkovitosti.
Svojstva nanočestica, poput veličine, oblika i koncentracije, utječu na njihova tribološka svojstva. Iako idealna nanoveličina ovisi o materijalu, većina nanočestica pokazuje najvišu funkcionalnost u rasponu od deset do sto nanometara. Idealna koncentracija nanoaditiva u ulju za podmazivanje najčešće je u rasponu od 0,1–5,0% .
Nanočestice oksida poput Al2O3, CuO ili ZnO široko se primjenjuju kao nanočestice koje poboljšavaju tribološka svojstva maziva. Ostali aditivi uključuju aditive bez pepela, ionske kapljevine, boratne estere, anorganske nanomaterijale i nanostrukture na bazi ugljika poput ugljikovih nanocijevi (CNTs), grafita i grafena. Specifični aditivi upotrebljavaju se za poboljšanje specifičnih svojstava ulja za podmazivanje. Primjerice, maziva za sprječavanje trošenja sadrže aditive za ekstremne tlakove poput molibdenova disulfida, grafita, sumporenih olefina i dialkilditiokarbamatnih kompleksa ili aditive protiv trošenja poput triarilfosfata i cinkova dialkilditiofosfata.
Ultrazvučni homogenizatori sa sondom pouzdane su miješalice i upotrebljavaju se za formuliranje maziva visokih performansi. Sonikacija, poznata po svojoj nadmoći u pripravi suspenzija s česticama nanometarskih veličina, vrlo je učinkovita u industrijskoj proizvodnji ulja za podmazivanje.
Pročitajte više o ultrazvučnim dispergatorima za proizvodnju nanomaziva!
Industrijski ultrazvučni sustav za miješanje za dispergiranje nanočestica u uljima za podmazivanje uz velik kapacitet obrade.
- poboljšana tribološka svojstva
- ravnomjerno uvođenje nanoaditiva
- maziva na bazi biljnih ulja
- priprava tribofilma
- tekućine za oblikovanje lima
- nanofluidi za poboljšanu učinkovitost hlađenja
- ionske kapljevine u mazivima na bazi vode ili ulja
- tekućine za provlačenje
Ultrazvučno dispergiranje aluminijeva oksida (Al2O3) rezultira znatnim smanjenjem veličine čestica i ravnomjernom disperzijom.
Proizvodnja maziva s nanoaditivima
Za proizvodnju ulja za podmazivanje ojačanih nanomaterijalima ključni su odgovarajući nanomaterijal i snažna, učinkovita tehnika dispergiranja. Bez pouzdane i dugoročno stabilne nanodisperzije nije moguće proizvesti mazivo visokih performansi.
Ultrazvučno miješanje i dispergiranje etablirana je metoda za proizvodnju maziva visokih performansi. Bazno ulje maziva ojačava se aditivima kao što su nanomaterijali, polimeri, inhibitori korozije, antioksidansi i drugi fini agregati. Ultrazvučne smične sile vrlo su učinkovite u postizanju raspodjele veličine vrlo sitnih čestica. Ultrazvučne (sonomehaničke) sile mogu usitniti čak i primarne čestice te se primjenjuju za funkcionalizaciju čestica kako bi nastale nanočestice imale vrhunska svojstva (npr. modifikacija površine, nanočestice s jezgrom i ljuskom, dopirane nanočestice).
Ultrazvučne miješalice s visokim smičnim silama mogu uvelike pomoći u učinkovitoj proizvodnji maziva visokih performansi!
Uljna mješavina s cinkovim dialkilditiofosfatom (ZDDP) i površinski modificiranim nanočesticama PTFE-a (PHGM) nakon ultrazvučnog dispergiranja.
(Istraživanje i slika: Sharma et al., 2017)
Novi nanoaditivi u uljima za podmazivanje
Razvijaju se novi aditivi nanoveličine kako bi se dodatno poboljšala funkcionalna svojstva i učinkovitost ulja i masti za podmazivanje. Primjerice, nanokristali celuloze (CNCs) istražuju se i ispituju za formuliranje ekološki prihvatljivih maziva. Zakani et al. (2022) pokazali su da bi sonikirana CNC maziva – u usporedbi s nesonikiranim suspenzijama za podmazivanje – mogla smanjiti COF (koeficijent trenja) i trošenje za gotovo 25 odnosno 30%. Rezultati ovog istraživanja upućuju na to da ultrazvučna obrada može znatno poboljšati učinkovitost podmazivanja vodenih suspenzija CNC-a.
Ultrazvučni dispergatori visokih performansi za proizvodnju maziva
Kada se nanoaditivi upotrebljavaju u industrijskim proizvodnim procesima, kao što je proizvodnja ulja za podmazivanje, ključno je da se suhi prašci (tj. nanomaterijali) homogeno umiješaju u tekuću fazu (ulje za podmazivanje). Dispergiranje nanočestica zahtijeva pouzdanu i učinkovitu tehniku miješanja koja dovodi dovoljno energije za razbijanje aglomerata kako bi se iskoristila svojstva čestica nanoveličine. Ultrazvučni uređaji dobro su poznati kao snažni i pouzdani dispergatori te se stoga upotrebljavaju za deaglomeraciju i homogenu raspodjelu različitih materijala, kao što su aluminijev oksid, nanocijevi, grafen, minerali i mnogi drugi materijali, u tekućoj fazi poput mineralnih, sintetičkih ili biljnih ulja. Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira ultrazvučne dispergatore visokih performansi za sve vrste primjena homogenizacije i deaglomeracije.
Obratite nam se sada kako biste saznali više o ultrazvučnom dispergiranju nanoaditiva u mazivima!
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za miješanje, dispergiranje, emulgiranje i ekstrakciju u laboratorijskom, pilotnom i industrijskom mjerilu.
PTFE nanomaziva 7 dana nakon pripreme (A: bazno ulje, B: PTFE nanomazivo uz 1 hr sonikacije, C: PTFE nanomazivo uz 30 min. sonikacije).
(Istraživanje i slika: © Kumar et al., 2013)
Utjecaj sonikacije na stabilnost disperzije Al2O3 u mazivima.
(Istraživanje i grafički prikaz: © Sharif et al., 2017)
Korisne činjenice
Što su maziva?
Glavna je namjena maziva ili mazivih ulja smanjiti trenje i trošenje uslijed mehaničkog kontakta te toplinu. Ovisno o namjeni i sastavu, maziva se dijele na motorna ulja, tekućine za prijenosne sustave, hidrauličke tekućine, ulja za zupčanike i industrijska maziva.
Stoga se maziva široko primjenjuju u motornim vozilima i industrijskim strojevima. Kako bi osigurala dobro podmazivanje, maziva ulja obično sadrže 90% baznog ulja (uglavnom naftnih frakcija, tj. mineralnih ulja) i manje od 10% aditiva. Kada se izbjegavaju mineralna ulja, kao alternativna bazna ulja mogu se upotrijebiti biljna ulja ili sintetske tekućine poput hidrogeniranih poliolefina, estera, silikona, fluorougljika i mnogih drugih. Glavna je namjena maziva smanjiti trenje i trošenje uslijed mehaničkog kontakta te smanjiti toplinu nastalu trenjem i gubitke energije. Stoga se maziva široko primjenjuju u motornim vozilima i industrijskim strojevima.
Antioksidacijske tvari poput aminskih i fenolnih primarnih antioksidansa, prirodnih kiselina, razgrađivača peroksida i pirazina produljuju životni vijek maziva povećanjem otpornosti na oksidaciju. Time se bazno ulje štiti od toplinske razgradnje jer se termooksidacijska razgradnja odvija u manjoj mjeri i s odgodom.
Vrste maziva
Tekuća maziva: Tekuća maziva uglavnom se temelje na jednoj vrsti baznog ulja. Tom se baznom ulju često dodaju druge tvari kako bi se poboljšali funkcionalnost i radna svojstva. Tipični aditivi uključuju, primjerice, vodu, mineralno ulje, lanolin, biljno ili prirodno ulje, nanoaditive itd.
Većina maziva su tekućine, a prema podrijetlu mogu se razvrstati u dvije skupine:
- Mineralna ulja: mineralna ulja su maziva ulja dobivena rafiniranjem sirove nafte.
- Sintetska ulja: sintetska ulja su maziva ulja proizvedena uporabom spojeva koji su umjetno modificirani ili sintetizirani iz modificirane nafte.
Maziva mast je kruto ili polukruto mazivo koje se sastoji od tekućeg maziva zgusnutog dispergiranjem zgušnjivača u njemu. Za proizvodnju mazive masti kao bazna ulja upotrebljavaju se maziva ulja, koja su njezin glavni sastojak. Maziva mast sadrži približno 70% do 80% mazivog ulja.
Penetrirajuća maziva i suha maziva dodatne su vrste koje se uglavnom upotrebljavaju za specijalizirane primjene.
Biomaziva prvenstveno se odnose na baznu tekućinu ili ukupni okolišni profil, a ne nužno na to da je svaki pojedini aditiv biološkog podrijetla. Biomaziva se obično temelje na biljnim uljima, sintetskim esterima, uljima biljnog podrijetla ili drugim obnovljivim/biorazgradivim baznim materijalima. Međutim, poput konvencionalnih maziva, često i dalje zahtijevaju funkcionalne aditive za poboljšanje zaštite od trošenja, oksidacijske stabilnosti, zaštite od korozije, viskoznih svojstava i nosivosti. To znači da se biomaziva široko definiraju prema obnovljivom podrijetlu, biorazgradivosti, niskoj toksičnosti i okolišnim svojstvima, umjesto da se zahtijeva da svaki aditiv bude biološkog podrijetla.
Pročitajte više o sonikaciji za formuliranje biomaziva!
Nanoaditivi poput onih prethodno navedenih kao primjeri mogu se uspješno umiješati u maziva pomoću ultrazvučnih dispergatora.
Literatura / Reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorijskih do industrijskih veličina.