Lubrificanti con funzionalità migliorate dalle nanoparticelle

Gli oli lubrificanti possono trarre grandi benefici dai nanoadditivi, che contribuiscono a ridurre l’attrito e l’usura. È tuttavia fondamentale che i nanoadditivi, come nanoparticelle, monostrati di grafene o nanosfere core-shell, siano dispersi uniformemente nel lubrificante come particelle singole. La dispersione a ultrasuoni si è dimostrata un metodo di miscelazione affidabile ed efficiente, che garantisce una distribuzione omogenea delle nanoparticelle e ne previene l’aggregazione.

Come disperdere i nanoadditivi nei fluidi lubrificanti? – Con gli ultrasuoni!

L’impiego di nanoadditivi nei lubrificanti è considerato uno dei metodi più efficaci per migliorare le caratteristiche tribologiche, riducendo l’attrito e l’usura. Questo miglioramento tribologico favorisce notevolmente il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni, diminuendo così l’impatto ambientale.
La sfida dei lubrificanti migliorati con nanomateriali risiede nella miscelazione: i nanomateriali, come le nanoparticelle o la nanocellulosa cristallina, richiedono miscelatori che concentrino elevate forze di taglio per disperdere e separare uniformemente i nanomateriali in particelle singole. Creando campi unici ad alta densità energetica, la sonicazione con sonde a ultrasuoni ad alta potenza ha dimostrato la propria superiorità nel trattamento dei nanomateriali ed è pertanto il metodo consolidato per le nanodispersioni.
Molseh et al. (2009) hanno dimostrato che la stabilità della dispersione di tre diverse nanoparticelle (disolfuro di molibdeno (MoS2), disolfuro di tungsteno (WS2) e nitruro di boro esagonale (hBN)) in CIMFLO 20 mediante trattamento a ultrasuoni era migliore rispetto a quella ottenuta mediante scuotimento e agitazione meccanici. Poiché la cavitazione ultrasonica crea condizioni uniche ad alta densità energetica, la sonicazione mediante sonda supera le tecniche di dispersione convenzionali in termini di efficacia ed efficienza.
Le caratteristiche delle nanoparticelle, come dimensioni, forma e concentrazione, influenzano le loro proprietà tribologiche. Sebbene le dimensioni nanometriche ideali varino in funzione del materiale, la maggior parte delle nanoparticelle presenta la massima funzionalità nell’intervallo da dieci a cento nanometri. La concentrazione ideale di nanoadditivi nell’olio lubrificante è generalmente compresa tra 0,1–5,0%.
Le nanoparticelle di ossidi, come Al2O3, CuO o ZnO, sono ampiamente utilizzate per migliorare le prestazioni tribologiche dei lubrificanti. Altri additivi comprendono additivi senza ceneri, liquidi ionici, esteri borici, nanomateriali inorganici e nanostrutture derivate dal carbonio, come nanotubi di carbonio (CNTs), grafite e grafene. Si utilizzano additivi specifici per migliorare determinate proprietà degli oli lubrificanti. Ad esempio, i lubrificanti che prevengono l’usura contengono additivi per pressioni estreme, come disolfuro di molibdeno, grafite, olefine solforate e complessi di dialchilditiocarbammato, oppure additivi antiusura, come fosfati triarilici e dialchilditiofosfato di zinco.
Gli omogeneizzatori a ultrasuoni a sonda sono miscelatori affidabili e vengono utilizzati per la formulazione di lubrificanti ad alte prestazioni. Riconosciuta come superiore nella preparazione di sospensioni di dimensioni nanometriche, la sonicazione è altamente efficiente nella produzione industriale di oli lubrificanti.
 
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La dispersione a ultrasuoni dell’ossido di alluminio (Al2O3) produce una significativa riduzione delle dimensioni delle particelle e una dispersione uniforme.

Produzione di lubrificanti con nanoadditivi

Per la produzione di oli lubrificanti rinforzati con nanomateriali, sono fondamentali un nanomateriale adeguato e una tecnica di dispersione potente ed efficiente. Senza una nanodispersione affidabile e stabile a lungo termine, non è possibile produrre un lubrificante ad alte prestazioni.
La miscelazione e la dispersione a ultrasuoni sono un metodo consolidato per la produzione di lubrificanti ad alte prestazioni. L’olio base dei lubrificanti viene rinforzato con additivi come nanomateriali, polimeri, inibitori di corrosione, antiossidanti e altri aggregati fini. Le forze di taglio ultrasoniche sono altamente efficienti nell’ottenere una distribuzione granulometrica molto fine. Le forze ultrasoniche (sonomeccaniche) sono in grado di macinare persino le particelle primarie e vengono applicate per funzionalizzare le particelle, affinché le nanoparticelle risultanti offrano caratteristiche superiori (ad es. modifica superficiale, nanoparticelle core-shell, nanoparticelle drogate).
I miscelatori a ultrasuoni ad alto taglio possono contribuire notevolmente alla produzione efficiente di lubrificanti ad alte prestazioni!

Nuovi nanoadditivi negli oli lubrificanti

Vengono sviluppati nuovi additivi di dimensioni nanometriche per migliorare ulteriormente le funzionalità e le prestazioni degli oli e dei grassi lubrificanti. Ad esempio, i nanocristalli di cellulosa (CNCs) vengono studiati e testati per la formulazione di lubrificanti ecologici. Zakani et al. (2022) hanno dimostrato che – rispetto alle sospensioni lubrificanti non sonicate – i lubrificanti con CNC sottoposti a sonicazione potevano ridurre il COF (coefficiente di attrito) e l’usura rispettivamente di quasi il 25 e il 30%. I risultati di questo studio suggeriscono che il trattamento mediante sonicazione può migliorare significativamente le prestazioni lubrificanti delle sospensioni acquose di CNC.

Dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di lubrificanti

Quando si utilizzano nanoadditivi nei processi di produzione industriale, come la produzione di oli lubrificanti, è fondamentale che le polveri secche (ossia i nanomateriali) vengano miscelate omogeneamente in una fase liquida (olio lubrificante). La dispersione delle nanoparticelle richiede una tecnica di miscelazione affidabile ed efficace, che applichi energia sufficiente a rompere gli agglomerati per esprimere le qualità delle particelle su scala nanometrica. I sonicatori sono ben noti come dispersori potenti e affidabili e vengono quindi utilizzati per deagglomerare e distribuire omogeneamente vari materiali, come ossido di alluminio, nanotubi, grafene, minerali e molti altri, in una fase liquida, come oli minerali, sintetici o vegetali. Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni per ogni tipo di applicazione di omogeneizzazione e deagglomerazione.
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La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: