Lubrificanti con funzionalità migliorate dalle nanoparticelle

Gli oli lubrificanti possono trarre grande beneficio dai nano-additivi, che aiutano a ridurre l'attrito e l'usura. È tuttavia fondamentale che i nanoadditivi, come le nanoparticelle, i monostrati di grafene o le nanosfere core-shell, siano dispersi in modo uniforme e singolo nel lubrificante. La dispersione a ultrasuoni si è dimostrata un metodo di miscelazione affidabile ed efficiente, in grado di fornire una distribuzione omogenea delle nanoparticelle e di prevenire l'aggregazione.

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

L'impiego di nano-additivi nei lubrificanti è considerato uno dei metodi più efficaci per migliorare le caratteristiche tribologiche, riducendo l'attrito e l'usura. Questo miglioramento tribologico aumenta notevolmente la conservazione dell'energia e la riduzione delle emissioni, riducendo così l'impatto ambientale.
La sfida dei lubrificanti nanomigliorati risiede nella miscelazione: I nanomateriali, come le nanoparticelle o la nano cellulosa cristallina, richiedono miscelatori focalizzati ad alto coefficiente di taglio che disperdano e scompongano uniformemente i nanomateriali in singole particelle. Creando campi unici ad alta densità energetica, l'ultrasuonoterapia con sonde a ultrasuoni ad alta potenza ha dimostrato la sua superiorità nella lavorazione dei nanomateriali ed è quindi il metodo consolidato per le nano-dispersioni.
Il dispersore a ultrasuoni può essere utilizzato in modalità batch e a flusso continuo per miscelare i nanofiller nei preparati.Molseh et al. (2009) hanno dimostrato che la stabilità della dispersione di tre diverse nanoparticelle (bisolfuro di molibdeno (MoS2), bisolfuro di tungsteno (WS2) e nitruro di boro esagonale (hBN)) in CIMFLO 20 con il trattamento a ultrasuoni era migliore di quella con l'agitazione meccanica e l'agitazione. Poiché la cavitazione ultrasonica crea condizioni uniche di densità energetica, l'ultrasuonoterapia a sonda supera le tecniche di dispersione convenzionali in termini di efficacia ed efficienza.
Le caratteristiche delle nanoparticelle, quali dimensione, forma e concentrazione, influenzano le loro proprietà tribologiche. Mentre le dimensioni ideali delle nanoparticelle variano a seconda del materiale, la maggior parte delle nanoparticelle mostra la massima funzionalità nell'intervallo tra dieci e cento nanometri. La concentrazione ideale di nano-additivi nell'olio lubrificante è per lo più compresa tra 0,1-5,0%.
Le nanoparticelle di ossido come Al2O3, CuO o ZnO sono ampiamente utilizzate per migliorare le prestazioni tribologiche dei lubrificanti. Altri additivi includono additivi senza ceneri, liquidi ionici, esteri di borato, nanomateriali inorganici, nanostrutture derivate dal carbonio come i nanotubi di carbonio (CNT), la grafite e il grafene. Per migliorare le proprietà specifiche degli oli lubrificanti si utilizzano additivi specifici. Ad esempio, i lubrificanti antiusura contengono additivi per pressioni estreme come il bisolfuro di molibdeno, la grafite, le olefine solforate e i complessi dialchilditiocarbammati o additivi antiusura come i triarilfosfati e il dialchilditiofosfato di zinco.
Gli omogeneizzatori a sonda a ultrasuoni sono miscelatori affidabili e vengono utilizzati per la formulazione di lubrificanti ad alte prestazioni. Rinomata per la sua superiorità nella preparazione di sospensioni di dimensioni nanometriche, la sonicazione è altamente efficiente per la produzione industriale di oli lubrificanti.

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Gli ultrasuonatori ad alte prestazioni sono sistemi di miscelazione in linea affidabili e altamente efficienti per la produzione di nano-lubrificanti.

Sistema di miscelazione industriale a ultrasuoni per la dispersione ad alta produttività di nanoparticelle negli oli lubrificanti.

Il video mostra la miscelazione e la dispersione a ultrasuoni di grafite in 250 ml di resina epossidica (Toolcraft L), utilizzando un omogeneizzatore a ultrasuoni (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature per disperdere grafite, grafene, nanotubi di carbonio, nanofili o cariche in laboratorio o in processi di produzione ad alto volume. Le applicazioni tipiche sono la dispersione di nano materiali e micro materiali durante il processo di funzionalizzazione o la dispersione in resine o polimeri.

Miscelare la resina epossidica con il riempitivo di grafite utilizzando l'omogeneizzatore a ultrasuoni UP400St (400 Watt)

Produzione di lubrificanti a ultrasuoni

  • prestazioni tribologiche migliorate
  • incorporazione uniforme di nano-additivi
  • lubrificanti a base di olio vegetale
  • preparazione del tribofilm
  • fluidi per la formatura della lamiera
  • nanofluidi per migliorare l'efficacia del raffreddamento
  • liquidi ionici in lubrificanti a base acquosa o oleosa
  • fluidi per brocciatura
L'ossido di alluminio viene disperso nei lubrificanti mediante ultrasuoni.

La dispersione a ultrasuoni dell'ossido di alluminio (Al2O3) determina una significativa riduzione delle dimensioni delle particelle e una dispersione uniforme.

Produzione di lubrificanti con nano additivi

Per la produzione di oli lubrificanti nano-rinforzati, sono fondamentali un nano-materiale adeguato e una tecnica di dispersione potente ed efficiente. Senza una nano-dispersione 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 di base dei lubrificanti viene rinforzato con additivi quali nanomateriali, polimeri, inibitori della corrosione, antiossidanti e altri aggregati fini. Le forze di taglio ultrasoniche sono molto efficienti nel fornire una distribuzione granulometrica molto fine. Le forze ultrasoniche (sonomeccaniche) sono in grado di macinare anche le particelle primarie e vengono applicate per funzionalizzare le particelle, in modo che le nanoparticelle risultanti offrano caratteristiche superiori (ad esempio, modifica della superficie, NPs core-shell, NPs drogate).
I miscelatori a ultrasuoni ad alto taglio possono contribuire notevolmente alla produzione di lubrificanti ad alte prestazioni in modo efficiente!

La dispersione a ultrasuoni è altamente efficiente per la distribuzione di nano-additivi come nanoparticelle, agenti anticorrosione e additivi protettivi antiusura negli oli lubrificanti.

Miscela di oli con dialchilditiofosfato di zinco (ZDDP) e nanoparticelle di PTFE modificate in superficie (PHGM) dopo dispersione a ultrasuoni.
(Studio e immagine: Sharma et al., 2017)

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Nuovi nanoadditivi negli oli lubrificanti

Nuovi additivi di dimensioni nanometriche vengono sviluppati per migliorare ulteriormente le funzionalità e le prestazioni degli oli e dei grassi lubrificanti. Ad esempio, i nano-cristalli di cellulosa (CNC) sono stati studiati e testati per la formulazione di lubrificanti ecologici. Zakani et al. (2022) hanno dimostrato che – rispetto alle sospensioni lubrificanti non sonificate – I lubrificanti CNC sonicati hanno potuto ridurre il COF (coefficiente di attrito) e l'usura rispettivamente del 25 e del 30% circa. I risultati di questo studio suggeriscono che il trattamento con ultrasuoni può migliorare significativamente le prestazioni di lubrificazione delle sospensioni acquose di CNC.

Dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di lubrificanti

Quando i nano-additivi vengono utilizzati nei processi produttivi industriali, come la produzione di oli lubrificanti, è fondamentale che le polveri secche (cioè i nanomateriali) siano miscelate in modo omogeneo in una fase liquida (olio lubrificante). La dispersione delle nanoparticelle richiede una tecnica di miscelazione affidabile ed efficace, che applichi un'energia sufficiente a rompere gli agglomerati per liberare le qualità delle particelle su scala nanometrica. Gli ultrasonici sono noti come disperdenti potenti e affidabili, pertanto vengono utilizzati per deagglomerare e distribuire in modo omogeneo vari materiali come ossido di alluminio, nanotubi, grafene, minerali e molti altri materiali in una fase liquida come oli minerali, sintetici o vegetali. Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni per qualsiasi tipo di applicazione di omogeneizzazione e deagglomerazione.
Contattateci subito per saperne di più sulla dispersione a ultrasuoni di nano-additivi nei lubrificanti!

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
Da 15 a 150L Da 3 a 15L/min UIP6000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Gli omogeneizzatori a ultrasuoni ad alto potere di taglio sono utilizzati in laboratorio, su banco, in processi pilota e industriali.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.



Il nanolubrificante PTFE disperso a ultrasuoni mostra una buona stabilità dopo il trattamento di sonicazione.

Nanolubrificanti PTFE dopo 7 giorni di preparazione (A: olio base, B: nanolubrificante PTFE con ultrasuoni per 1 ora, C: nanolubrificante PTFE con ultrasuoni per 30 minuti).
(Studio e immagine: © Kumar et al., 2013)

L'ultrasuonizzazione produce nanoparticelle di alluminio uniformemente distribuite e altamente stabili negli oli lubrificanti.

Effetto degli ultrasuoni sulla stabilità della dispersione di Al2O3 nei lubrificanti.
(Studio e grafico: © Sharif et al., 2017)

Particolarità / Cose da sapere

Cosa sono i lubrificanti?

L'uso principale dei lubrificanti o oli lubrificanti è quello di ridurre l'attrito e l'usura da contatto meccanico e da calore. A seconda dell'uso e della composizione, i lubrificanti si dividono in oli per motori, fluidi per trasmissioni, fluidi idraulici, oli per ingranaggi e lubrificanti industriali.
Pertanto, i lubrificanti sono ampiamente utilizzati nei veicoli a motore e nei macchinari industriali. Per garantire una buona lubrificazione, gli oli lubrificanti contengono in genere il 90% di olio di base (per lo più frazioni del petrolio, cioè oli minerali) e meno del 10% di additivi. Quando si evitano gli oli minerali, come oli di base alternativi si possono utilizzare oli vegetali o liquidi sintetici come poliolefine idrogenate, esteri, siliconi, fluorocarburi e molti altri. L'uso principale dei lubrificanti è quello di ridurre l'attrito e l'usura da contatto meccanico, nonché di ridurre il calore da attrito e le perdite di energia. Pertanto, i lubrificanti sono ampiamente utilizzati nei veicoli a motore e nei macchinari industriali.
Le sostanze antiossidanti, come gli antiossidanti primari aminici e fenolici, gli acidi naturali, i decompositori di perossidi e le pirazine, prolungano il ciclo di vita dei lubrificanti aumentandone la resistenza ossidativa. In questo modo l'olio di base è protetto dalla degradazione termica, poiché la degradazione termo-ossidativa avviene in forma ridotta e ritardata.

Tipi di lubrificante

Lubrificanti liquidi: I lubrificanti liquidi sono generalmente basati su un tipo di olio di base. A questo olio di base vengono spesso aggiunte altre sostanze per migliorare la funzionalità e le prestazioni. Gli additivi tipici includono, ad esempio, acqua, olio minerale, lanolina, olio vegetale o naturale, nano-additivi, ecc.
La maggior parte dei lubrificanti sono liquidi e, in base alla loro origine, possono essere classificati in due gruppi:

  1. Oli minerali: Gli oli minerali sono oli lubrificanti raffinati dal petrolio greggio.
  2. Oli sintetici: Gli oli sintetici sono oli lubrificanti prodotti con composti modificati artificialmente o sintetizzati da petrolio modificato.

Grasso lubrificante è un lubrificante solido o semisolido che consiste in un lubrificante liquido, che viene addensato disperdendovi agenti addensanti. Per produrre il grasso lubrificante, gli oli lubrificanti vengono utilizzati come oli di base e sono l'ingrediente principale. Il grasso lubrificante contiene circa il 70%-80% di olio lubrificante.

Lubrificanti penetranti e lubrificanti a secco sono altri tipi, che vengono utilizzati soprattutto per applicazioni di nicchia.

Numerosi tipi di nanoparticelle sono stati incorporati con successo nei lubrificanti utilizzando dispersori a ultrasuoni.

I nano-additivi sopra elencati possono essere miscelati con successo nei lubrificanti utilizzando dispersori a ultrasuoni.


 

Letteratura / Referenze


Ultrasuoni ad alte prestazioni! La gamma di prodotti Hielscher copre l'intero spettro, dagli ultrasuoni da laboratorio compatti alle unità da banco fino ai sistemi a ultrasuoni industriali completi.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensione industriale.