Ultrahangos diszpergálással javított nanokozmetikumok

A nano-adalékanyagok beépítése a kenőanyag-összetételekbe az elmúlt évek egyik legjelentősebb fejlődését jelenti a tribológia területén. A kutatók és a folyamatmérnökök azonban egy állandó kihívással szembesülnek: a nanoszintű részecskék homogén eloszlásának elérése a viszkózus alapolajokban anélkül, hogy azok szerkezeti integritása károsodna. A hagyományos keverési módszerek gyakran nem képesek hatékonyan felbontani az agglomerátumokat, ami a termék teljesítményének ingadozásához és korlátozott tárolási stabilitáshoz vezet.

A megoldás: ultrahangos nano-adalékanyag-diszpergálás a kenőanyag-összetételben

A nagy teljesítményű ultrahang a leghatékonyabb megoldás ezekre a diszpergálási kihívásokra. Az akusztikus kavitáció elveinek kihasználásával az ultrahangos berendezések váltakozó magas- és alacsony nyomású ciklusokat hoznak létre a folyékony közegekben. Az alacsony nyomású ciklus során apró vákuumbuborékok keletkeznek a folyadékban. Amikor ezek a buborékok elérik a maximális térfogatukat, és már nem képesek további energiát felvenni, a magas nyomású ciklus során hevesen összeomlanak. Ez az összeomlás helyi szinten szélsőséges körülményeket eredményez – kb. 5000 kelvin hőmérséklet és 1000 atmoszférát meghaladó nyomás – amelyek hatékonyan szétválasztják a nanorészecske-csomókat, és biztosítják azok egyenletes eloszlását a kenőanyag-mátrixban.
A folyamatmérnökök számára ez azt jelenti, hogy van-e különbség egy olyan kenőanyag között, amely hetek alatt leülepszik és szétválik, és egy olyan között, amely az alkatrész teljes élettartama alatt megőrzi teljesítményjellemzőit.

Esettanulmány: Nitrogénnel dúsított, bambuszszerű szén-nanocsövek vezetőképes kenőanyagokban

Az ultrahangos technológia hatékonyságának egyik meggyőző példája a kenőanyag-gyártás területén a Journal of Materials Research and Technology című folyóiratban (2019) megjelent kutatásból származik. A tanulmány címe: “Nitrogénnel dúsított, bambuszszerű szén-nanocsövek alkalmazása elektromosan vezető kenőanyagok kifejlesztéséhez,” bemutatja, hogy a Hielscher UIP1000hdT szondás homogenizátor (340 W, 2 perces feldolgozási idő) hogyan tette lehetővé homogén, stabil és elektromosan vezető csapágyzsírok előállítását.
A kutatók bambusz alakú szén-nanocsöveket (BCNT-ket) használtak vezetőképes adalékanyagként kenőanyagokhoz. A nanocsövek oldalfalainak grafit szerkezetébe beépült nitrogénnek köszönhetően rendkívüli elektronikus és szerkezeti tulajdonságok alakultak ki, amelyek kiváló adszorpciós viselkedést és elektromos vezetőképességet eredményeztek. A szén-nanocsövek figyelemre méltó, elektromosan vezető nanostruktúrájú anyagok, amelyek elektronikus tulajdonságai dopálási technikák segítségével, nitrogénatomok beépítésével célzottan szabályozhatók.
Az eredmények alátámasztják az ultrahangos diszpergálás hatékonyságát:

Ez az esettanulmány technikai koncepcióbizonyítékként szolgál: amikor a megfelelő nanomateriál találkozik a megfelelő ultrahangos energiával, az így kapott kenőanyag olyan teljesítménymutatókat ér el, amelyeket korábban a hagyományos keverési módszerekkel elérhetetlennek tartottak.

A kenőanyagokban alkalmazott ultrahangos nanodiszperzió legfontosabb jellemzője

Az ultrahangos diszpergálási módszer kivételes eredményeket hoz, ami igazolja ipari alkalmazási lehetőségeit:

• Minimális adalékanyag-követelmények: A BCNT-k viszonylag kis mennyisége, nevezetesen 1,5 tömegszázalék, elegendő ahhoz, hogy a kenőanyagok elektromos vezetőképessége meghaladja a 14 mS-t. A nanocsöveket tartalmazó minták állóállapotú mérések során 7 és 18,5 mS közötti tartományban jó elektromos vezetőképességet mutatnak.
• Jobb teljesítmény üzem közben: A golyóscsapágyak tényleges működése közben végzett elektromos vezetőképességi mérések még magasabb értékeket mutatnak: a 3%-os BCNT-keverék esetében 31,5 mS-os maximális értéket rögzítettek. A vezetőképesség minden esetben növekszik a nyugalmi állapotban végzett mérésekhez képest, ami arra utal, hogy a működés során fellépő mechanikai igénybevétel tovább javítja a vezetési útvonalakat.
• Kiváló súrlódási teljesítmény: A 1,5 tömegszázalék BCNT-t tartalmazó mintáknál hatékony súrlódási jellemzők érhetők el: a súrlódási nyomaték értéke 6,1, illetve 5,1 Nmm. Ez azt bizonyítja, hogy az optimális adalékanyag-koncentráció egyensúlyt teremt a vezetőképesség és a mechanikai teljesítmény között.
• Jobb hőstabilitás: A nagy viszkozitású szilikonolaj (5000 mm²/s) és a füstölt szilícium-dioxid sűrítőanyagként való hozzáadása a cseppképződési hőmérsékletet 150 °C fölé emeli, ezzel kiküszöbölve a magas hőmérsékletű alkalmazások egyik kritikus korlátját.
• Optimalizált összetételek: A 3%-os BCNT-t és 1,0%-os kolloid SiO₂-t tartalmazó, 50 mm/s viszkozitású PDMS-alapolaj kiválóan alkalmasnak bizonyult golyóscsapágyak kenésére, mivel ötvözi a vezetőképességet a mechanikai ellenálló képességgel.

Ultrahangtechnika: Az ipari méretű kiterjesztés előnyei

Bár a Hielscher UIP1000hdT készülékkel végzett laboratóriumi szintű fejlesztés bizonyítja a koncepció megvalósíthatóságát, az ipari alkalmazások szempontjából a valódi érték a lineáris méretezhetőségben rejlik. A Hielscher ultrahangos készülékei egyedülálló előnyt nyújtanak lineáris méretezhetőségük révén, amely zökkenőmentes átmenetet tesz lehetővé a kutatási fázisból&A D típusú asztali feldolgozástól a nagy mennyiségű sorozatgyártásig.
Ipari alkalmazáshoz a folyamatmérnökök igénybe vehetik a 4 kW-os UIP4000hdT modellt, a 6 kW-os UIP6000hdT ultrahangos készüléket, illetve a speciális áramlási cellákkal felszerelt, nagy teljesítményű 16 kW-os UIP16000hdT modellt. Ez a lineáris méretnövelési megközelítés biztosítja, hogy a laboratóriumi méretben kifejlesztett készítmények azonos diszperziós minőséget és részecskeeloszlási jellemzőket tartsanak fenn, amikor gyártási méretben állítják elő őket. Az ultrahangos feldolgozás révén elért konzisztencia kiküszöböli a hagyományos keverési módszereket jellemző tételek közötti eltéréseket, ami különösen kritikus a repülőgépiparban, az autóiparban és a precíziós gépgyártásban alkalmazott nagy teljesítményű kenőanyagok esetében.

Miért fontos az ultrahangos kezelés a kenőanyag-fejlesztés szempontjából?

Az ultrahangos nano-adalékanyag-diszpergálás előnyei túlmutatnak a puszta keverési hatékonyságon. A technológia a következőket teszi lehetővé:

1. Fokozott adalékanyag-tartalom: A nano-adalékanyagok magasabb koncentrációi is beépíthetők agglomeráció nélkül, így maximalizálva a teljesítménybeli előnyöket.
2. Jobb eltarthatóság: A homogén diszperziók megakadályozzák az üledékképződést és a fázisszeparációt hosszabb tárolási időszakok alatt.
3. Állandó termékminőség: Minden gyártási tétel azonos diszperziós jellemzőkkel rendelkezik, ami elengedhetetlen a szigorú minőség-ellenőrzést igénylő alkalmazások esetében.
4. Csökkentett feldolgozási idő: Az ultrahangos kavitációval a diszpergálás perceken belül megvalósul, szemben a hagyományos módszereknél szükséges órákkal.
5. Sokoldalúság a különböző készítményekben: A technológia különféle alapolajokkal, sűrítőanyagokkal és adalékanyag-típusokkal egyaránt használható, így rugalmasságot biztosít a készítmények fejlesztése során.

Az ultrahangos szondás diszpergálók nagy teljesítményű biokenőanyagokat állítanak elő.
(Forrás és ábra: Liu és társai, 2020)

Fokozza nano-kenőanyag-gyártását ultrahangos diszpergálással

Az ultrahangos technológia beépítése a kenőanyag-gyártási folyamatokba paradigmaváltást jelent a nano-adalékanyagok kenőanyag-összetételekbe való beépítésének módjában. Amint azt a nitrogénnel dúsított, bambuszszerű szén-nanocsövek felhasználásával kifejlesztett, elektromosan vezető kenőzsírok sikeres kifejlesztése is bizonyítja, a nagyenergiájú ultrahangkezelés homogén, stabil diszperziókat eredményez, amelyek kivételes teljesítményjellemzőkkel rendelkeznek. A Hielscher lineáris méretnövelési képességének köszönhetően – az asztali UIP1000hdT ultrahangos készüléktől kezdve az ipari inline ultrahangos modellekig, mint például az UIP4000hdT, az UIP6000hdT és az UIP16000hdT áramlási cellákkal felszerelt ipari inline ultrahangos készülékekig terjedő lineáris méretnövelési képessége révén a kutatók és a folyamatmérnökök magabiztosan tudnak átállni a kutatási fázisból&A kutatástól a kereskedelmi gyártásig, biztosítva, hogy a laboratóriumban kifejlesztett innováció a gyárban is pontosan ugyanúgy működjön.
A kenőanyag-technológia jövője nem csupán az új nano-adalékanyagok kifejlesztésében rejlik, hanem azokban a diszperziós technikákban is, amelyekkel teljes mértékben kiaknázható a bennük rejlő potenciál. Az ultrahangos feldolgozás hidat képez a tudományos felfedezések és az ipari alkalmazások között, lehetővé téve a következő generációs, nagy teljesítményű kenőanyagok kifejlesztését a nagy igénybevételt jelentő ipari alkalmazásokhoz.

 
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban gyártott minőség

A Hielscher ultrahangos készülékek jól ismertek a legmagasabb minőségi és tervezési szabványokról. A robusztusság és a könnyű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A durva körülmények és az igényes környezetek könnyen kezelhetők Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics egy ISO tanúsítvánnyal rendelkező cég, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű ultrasonicatorokra, amelyek a legmodernebb technológiát és felhasználóbarátságot mutatják. Természetesen a Hielscher ultrasonicators CE-kompatibilis és megfelel az UL, CSA és RoHs követelményeinek.

Irodalom / Hivatkozások