Nanomaziva poboljšana ultrazvučnim dispergiranjem

Uključivanje nanoaditiva u formulacije maziva predstavlja jedan od najznačajnijih napredaka u tribologiji posljednjih godina. Međutim, istraživači i procesni inženjeri suočavaju se s trajnim izazovom: postizanjem homogene disperzije čestica nanometarskih dimenzija u viskoznim baznim uljima bez narušavanja strukturne cjelovitosti tih čestica. Tradicionalnim metodama miješanja često se ne uspijevaju učinkovito razbiti aglomerati, što dovodi do neujednačenih radnih svojstava proizvoda i ograničene stabilnosti tijekom skladištenja.

Rješenje: ultrazvučno dispergiranje nanoaditiva pri formuliranju maziva

Ultrazvuk velike snage nadmoćno je rješenje za ove izazove dispergiranja. Primjenom načela akustične kavitacije ultrazvučna oprema stvara naizmjenične cikluse visokog i niskog tlaka u tekućim medijima. Tijekom ciklusa niskog tlaka u tekućini nastaju mali vakuumski mjehurići. Kada ti mjehurići dosegnu maksimalni volumen i više ne mogu apsorbirati energiju, snažno implodiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ta implozija lokalno stvara ekstremne uvjete – temperature koje dosežu približno 5000 kelvina i tlakove koji premašuju 1000 atmosfera – koji učinkovito razbijaju aglomerate nanočestica i osiguravaju ravnomjernu raspodjelu u cijeloj matrici maziva.
Za procesne inženjere to znači razliku između maziva u kojem dolazi do taloženja i razdvajanja u roku od nekoliko tjedana i maziva koje zadržava svoja radna svojstva tijekom cijelog uporabnog vijeka komponente.

Studija slučaja: ugljikove nanocijevi nalik bambusu dopirane dušikom u vodljivim mazivim mastima

Uvjerljiv primjer učinkovitosti ultrazvučne tehnologije u proizvodnji maziva pruža istraživanje objavljeno u časopisu Journal of Materials Research and Technology (2019). Studija pod naslovom „Primjena ugljikovih nanocijevi nalik bambusu dopiranih dušikom za razvoj električki vodljivih maziva” pokazuje kako je ultrazvučni homogenizator sa sondom Hielscher UIP1000hdT (340 W, vrijeme obrade 2 min) omogućio proizvodnju homogenih, stabilnih i električki vodljivih mazivih masti za ležajeve.
Istraživači su upotrijebili ugljikove nanocijevi u obliku bambusa (BCNT) kao vodljive aditive za mazive masti. Ugradnjom dušika u grafitnu strukturu bočnih stijenki nanocijevi razvila su se izvanredna elektronska i strukturna svojstva, što je dovelo do izvrsnih adsorpcijskih svojstava i električne vodljivosti. Ugljikove nanocijevi izvanredni su električki vodljivi nanostrukturirani materijali, a njihova elektronska svojstva mogu se ciljano prilagođavati ugradnjom atoma dušika tehnikama dopiranja.
Rezultati ističu snagu ultrazvučnog dispergiranja:

Ova studija slučaja služi kao tehnička potvrda izvedivosti koncepta: kada se odgovarajući nanomaterijal spoji s odgovarajućom ultrazvučnom energijom, dobiveno mazivo postiže pokazatelje radnih svojstava koji su se prije smatrali nedostižnima konvencionalnim metodama miješanja.

Ključna značajka ultrazvučnog nanodispergiranja u mazivima

Pristup ultrazvučnog dispergiranja daje iznimne rezultate koji potvrđuju njegov industrijski potencijal:

• Minimalne potrebne količine aditiva: Relativno male količine BCNT-ova, konkretno 1,5 wt%, dovoljne su za postizanje dobre električne vodljivosti mazivih masti koja premašuje 14 mS. Uzorci koji sadržavaju nanocijevi pokazuju dobru električnu vodljivost u rasponu od 7 do 18,5 mS pri mjerenjima u stanju mirovanja.
• Poboljšana svojstva tijekom rada: Mjerenja električne vodljivosti tijekom stvarnog rada kugličnih ležajeva pokazuju još više vrijednosti, pri čemu je najveća vrijednost od 31,5 mS zabilježena s formulacijom koja sadržava 3% BCNT-a. Vodljivost se u svakom slučaju povećava u usporedbi s mjerenjima u stanju mirovanja, što upućuje na to da mehaničko naprezanje tijekom rada dodatno poboljšava vodljive putove.
• Vrhunska svojstva trenja: Učinkovita svojstva trenja postižu se s uzorcima koji sadržavaju 1,5 wt% BCNT-a, pri čemu vrijednosti momenta trenja iznose 6,1 i 5,1 Nmm. To pokazuje da optimalna koncentracija aditiva uspostavlja ravnotežu između vodljivosti i mehaničkih svojstava.
• Poboljšana toplinska stabilnost: Dodavanje silikonskog ulja visoke viskoznosti (5000 mm²/s) i pirogenog silicijeva dioksida kao zgušnjivača povisuje točku kapanja na više od 150°C, čime se rješava ključno ograničenje pri primjenama na visokim temperaturama.
• Optimizirane formulacije: Bazno ulje PDMS s 3% BCNT-a i 1,0% koloidnog SiO₂, viskoznosti 50 mm/s, pokazalo se vrlo prikladnim za opterećenja kugličnih ležajeva, objedinjujući vodljivost i mehaničku otpornost.

Ultrazvuk: prednost pri povećanju razmjera na industrijsku razinu

Iako razvoj u laboratorijskom mjerilu uz primjenu uređaja Hielscher UIP1000hdT dokazuje izvedivost koncepta, prava vrijednost za industrijske primjene leži u mogućnosti linearnog povećanja razmjera. Sonikatori Hielscher pružaju jedinstvenu prednost zahvaljujući mogućnosti linearnog povećanja razmjera, omogućujući nesmetan prijelaz s obrade na laboratorijskom stolu u okviru istraživanja i razvoja na protočnu proizvodnju velikih volumena.
Za industrijsku primjenu procesni inženjeri mogu upotrijebiti model UIP4000hdT snage 4kW, sonikator UIP6000hdT snage 6kW ili snažni UIP16000hdT snage 16kW, opremljene specijaliziranim protočnim ćelijama. Taj pristup linearnog povećanja razmjera osigurava da formulacije razvijene u laboratorijskom mjerilu zadrže jednaku kvalitetu disperzije i karakteristike raspodjele čestica pri proizvodnji u proizvodnom mjerilu. Ujednačenost postignuta ultrazvučnom obradom uklanja varijabilnost između šarži koja opterećuje konvencionalne metode miješanja, što je osobito važno za primjene maziva visokih performansi u zrakoplovnoj i svemirskoj industriji, automobilskoj industriji te sektoru preciznih strojeva.

Zašto je sonikacija važna za inovacije u području maziva

Prednosti ultrazvučnog dispergiranja nanoaditiva nadilaze samu učinkovitost miješanja. Ta tehnologija omogućuje:

1. Povećan udio aditiva: Moguće je ugraditi veće koncentracije nanoaditiva bez aglomeracije, čime se maksimalno povećavaju koristi za svojstva maziva.
2. Poboljšana stabilnost pri skladištenju: Homogene disperzije sprječavaju sedimentaciju i razdvajanje faza tijekom duljih razdoblja skladištenja.
3. Ujednačena kvaliteta proizvoda: Svaka proizvodna šarža postiže jednake karakteristike disperzije, što je ključno za primjene koje zahtijevaju strogu kontrolu kvalitete.
4. Skraćeno vrijeme obrade: Ultrazvučna kavitacija postiže disperziju u nekoliko minuta, dok su tradicionalnim metodama potrebni sati.
5. Svestranost u različitim formulacijama: Tehnologija je primjenjiva na različita bazna ulja, zgušnjivače i vrste aditiva, čime pruža fleksibilnost u razvoju formulacija.

Ultrazvučnim dispergatorima sa sondom proizvode se biomaziva visokih performansi.
(Istraživanje i slika: Liu et al., 2020)

Unaprijedite proizvodnju nanomaziva ultrazvučnim dispergiranjem

Integracija ultrazvučne tehnologije u procese proizvodnje maziva predstavlja promjenu paradigme u načinu ugradnje nanoaditiva u formulacije maziva. Kao što je pokazao uspješan razvoj električki vodljivih mazivih masti primjenom ugljikovih nanocijevi nalik bambusu dopiranih dušikom, visokoenergetska sonikacija omogućuje dobivanje homogenih, stabilnih disperzija s iznimnim radnim svojstvima. Zahvaljujući mogućnosti linearnog povećanja kapaciteta koju pruža Hielscher, od stolnog sonikatora UIP1000hdT do industrijskih modela sonikatora za rad u protočnoj liniji, kao što su UIP4000hdT, UIP6000hdT i UIP16000hdT s protočnim ćelijama, istraživači i procesni inženjeri mogu s pouzdanjem prijeći od otkrića u istraživanju i razvoju na komercijalnu proizvodnju, osiguravajući da inovacija ostvarena u laboratoriju daje jednake rezultate i u tvornici.
Budućnost tehnologije maziva ne leži samo u razvoju novih nanoaditiva, nego i u ovladavanju tehnikama dispergiranja koje omogućuju iskorištavanje njihova punog potencijala. Ultrazvučna obrada povezuje znanstvena otkrića i industrijsku primjenu, omogućujući sljedeću generaciju visokoučinkovitih maziva za zahtjevne industrijske primjene.

 
Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju jednostavnu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics je tvrtka s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na visokoučinkovite ultrazvučne uređaje s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji sukladni su zahtjevima za oznaku CE te ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

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.
• Kałużny Jarosł, Waligórski M, Szymański GM, Merkisz J, Różański J, Nowicki M, Al Karawi M, Kempa K. (2020): Reducing friction and engine vibrations with trace amounts of carbon nanotubes in the lubricating oil. Tribology International 2020.
• 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.
• Li J, Du C, Delgado MA, et al. (2026): The application of nanocellulose in eco-friendly lubricants: A review. Friction, 2026.