Nano-lubrificanti migliorati tramite dispersione ultrasonica

L'integrazione di nanoadditivi nelle formulazioni dei lubrificanti rappresenta uno dei progressi più significativi compiuti negli ultimi anni nel campo della tribologia. Tuttavia, ricercatori e ingegneri di processo si trovano ad affrontare una sfida persistente: ottenere una dispersione omogenea delle particelle su scala nanometrica all'interno di oli base viscosi senza comprometterne l'integrità strutturale. I metodi di miscelazione tradizionali spesso non riescono a disgregare efficacemente gli agglomerati, con conseguente prestazioni del prodotto non uniformi e una stabilità di conservazione limitata.

La soluzione: dispersione di nanoadditivi mediante ultrasuoni nella formulazione dei lubrificanti

Gli ultrasuoni ad alta potenza rappresentano la soluzione ottimale a queste sfide legate alla dispersione. Sfruttando i principi della cavitazione acustica, le apparecchiature a ultrasuoni generano cicli alternati di alta e bassa pressione all’interno dei mezzi liquidi. Durante il ciclo di bassa pressione, nel liquido si formano piccole bolle di vuoto. Quando queste bolle raggiungono il volume massimo e non sono più in grado di assorbire ulteriore energia, collassano violentemente durante il ciclo di alta pressione. Questo collasso genera condizioni estreme localizzate – temperature che raggiungono circa 5000 Kelvin e pressioni superiori a 1000 atmosfere – che disgregano efficacemente gli agglomerati di nanoparticelle e garantiscono una distribuzione uniforme all’interno della matrice lubrificante.
Per gli ingegneri di processo, ciò significa la differenza tra un lubrificante che si deposita e si separa nel giro di poche settimane e uno che mantiene le proprie prestazioni per l'intera durata di vita del componente.

Caso di studio: nanotubi di carbonio simili al bambù drogati con azoto nei grassi conduttivi

Un esempio lampante dell’efficacia della tecnologia a ultrasuoni nella produzione di lubrificanti è tratto da una ricerca pubblicata sul *Journal of Materials Research and Technology* (2019). Lo studio, intitolato “Applicazione di nanotubi di carbonio simili al bambù drogati con azoto per lo sviluppo di lubrificanti elettricamente conduttivi,” dimostra come l'omogeneizzatore a sonda Hielscher UIP1000hdT (340 W, tempo di lavorazione di 2 min) abbia consentito la produzione di grassi per cuscinetti omogenei, stabili ed elettricamente conduttivi.
I ricercatori hanno utilizzato nanotubi di carbonio a forma di bambù (BCNT) come additivi conduttivi per i grassi. Grazie all’incorporazione di azoto nella struttura grafitica delle pareti laterali dei nanotubi, si sono sviluppate straordinarie proprietà elettroniche e strutturali, che hanno portato a un eccellente comportamento di adsorbimento e a un’ottima conduttività elettrica. I nanotubi di carbonio sono materiali nanostrutturati dalle notevoli proprietà di conducibilità elettrica, le cui caratteristiche elettroniche possono essere specificamente regolate incorporando atomi di azoto tramite tecniche di drogaggio.
I risultati evidenziano l'efficacia della dispersione ultrasonica:

Questo caso di studio funge da prova di fattibilità tecnica: quando il nanomateriale giusto incontra l’energia ultrasonica adeguata, il lubrificante che ne risulta raggiunge parametri prestazionali che in precedenza erano considerati irraggiungibili con i metodi di miscelazione convenzionali.

Caratteristiche principali della nanodispersione ultrasonica nei lubrificanti

L'approccio basato sulla dispersione ultrasonica produce risultati eccezionali che ne confermano il potenziale industriale:

• Requisiti minimi relativi agli additivi: Sono sufficienti quantità relativamente ridotte di BCNT, in particolare l'1,5% in peso, per ottenere una buona conduttività elettrica dei grassi, superiore a 14 mS. I campioni contenenti nanotubi mostrano una buona conduttività elettrica compresa tra 7 e 18,5 mS nelle misurazioni stazionarie.
• Prestazioni migliorate durante il funzionamento: Le misurazioni della conduttività elettrica effettuate durante il funzionamento effettivo dei cuscinetti a sfere rivelano valori ancora più elevati, con un massimo di 31,5 mS registrato con la formulazione al 3% di BCNT. In ogni caso, la conduttività risulta superiore rispetto alle misurazioni effettuate allo stato stazionario, il che indica che lo stress meccanico durante il funzionamento migliora ulteriormente i percorsi conduttivi.
• Prestazioni di attrito superiori: I campioni contenenti l'1,5% in peso di BCNT presentano caratteristiche di attrito efficienti, con valori di coppia di attrito pari a 6,1 e 5,1 Nmm. Ciò dimostra che una concentrazione ottimale dell'additivo garantisce un equilibrio tra conduttività e prestazioni meccaniche.
• Maggiore stabilità termica: L'aggiunta di olio di silicone ad alta viscosità (5000 mm²/s) e di silice pirogenica come addensanti aumenta il punto di gocciolamento portandolo oltre i 150 °C, risolvendo così un limite critico nelle applicazioni ad alta temperatura.
• Formulazioni ottimizzate: L'olio base PDMS contenente il 3% di BCNT e l'1,0% di SiO₂ colloidale, con una viscosità di 50 mm/s, si è dimostrato particolarmente adatto per il riempimento dei cuscinetti a sfere, combinando conduttività e robustezza meccanica.

Ultrasuoni: il vantaggio dello scale-up industriale

Sebbene lo sviluppo su scala di laboratorio con l’Hielscher UIP1000hdT dimostri la fattibilità del concetto, il vero valore per le applicazioni industriali risiede nella scalabilità lineare. I sonicatori Hielscher offrono un vantaggio unico grazie alla loro capacità di scalabilità lineare, consentendo una transizione senza soluzione di continuità dalla fase di ricerca e sviluppo (R&D)&Dalla lavorazione su banco alla produzione in linea di grandi volumi.
Per l’applicazione industriale, gli ingegneri di processo possono utilizzare il modello UIP4000hdT da 4 kW, il sonicatore UIP6000hdT da 6 kW o il potente UIP16000hdT da 16 kW, dotato di celle di flusso specializzate. Questo approccio lineare di scale-up garantisce che le formulazioni sviluppate su scala di laboratorio mantengano la stessa qualità di dispersione e le stesse caratteristiche di distribuzione delle particelle quando vengono prodotte su scala industriale. L’uniformità ottenuta grazie al trattamento ultrasonico elimina la variabilità da lotto a lotto che affligge i metodi di miscelazione convenzionali, aspetto particolarmente critico per le applicazioni di lubrificanti ad alte prestazioni nei settori aerospaziale, automobilistico e dei macchinari di precisione.

Perché gli ultrasuoni sono fondamentali per l'innovazione nel settore dei lubrificanti

I vantaggi della dispersione di nano-additivi mediante ultrasuoni vanno ben oltre la semplice efficienza di miscelazione. Questa tecnologia consente di:

1. Maggiore carico di additivi: È possibile incorporare concentrazioni più elevate di nano-additivi senza che si verifichino fenomeni di agglomerazione, massimizzando così i vantaggi in termini di prestazioni.
2. Maggiore stabilità di conservazione: Le dispersioni omogenee impediscono la sedimentazione e la separazione di fase durante periodi di stoccaggio prolungati.
3. Qualità costante dei prodotti: Ogni lotto di produzione presenta caratteristiche di dispersione identiche, fondamentali per le applicazioni che richiedono un rigoroso controllo di qualità.
4. Riduzione dei tempi di elaborazione: La cavitazione ultrasonica consente di ottenere la dispersione in pochi minuti, anziché nelle ore richieste dai metodi tradizionali.
5. Versatilità in tutte le formulazioni: Questa tecnologia è compatibile con diversi oli base, agenti addensanti e tipi di additivi, garantendo flessibilità nello sviluppo delle formulazioni.

I dispersori a sonda a ultrasuoni consentono di produrre biolubrificanti ad alte prestazioni.
(Studio e immagine: Liu et al., 2020)

Ottimizza la produzione dei tuoi nanolubrificanti con la dispersione a ultrasuoni

L’integrazione della tecnologia a ultrasuoni nei processi di produzione dei lubrificanti rappresenta un cambiamento paradigmatico nel modo in cui i nano-additivi vengono incorporati nelle formulazioni dei lubrificanti. Come dimostrato dal successo nello sviluppo di grassi elettricamente conduttivi che utilizzano nanotubi di carbonio simili al bambù drogati con azoto, la sonificazione ad alta energia consente di ottenere dispersioni omogenee e stabili con caratteristiche prestazionali eccezionali. Grazie alla capacità di scalabilità lineare di Hielscher, che spazia dal sonicatore da banco UIP1000hdT fino ai modelli industriali in linea come l’UIP4000hdT, UIP6000hdT e UIP16000hdT con celle di flusso, i ricercatori e gli ingegneri di processo possono passare con sicurezza dalla fase di ricerca e sviluppo (R&D)&Dalla fase di ricerca alla produzione commerciale, garantendo che l’innovazione sviluppata in laboratorio funzioni esattamente allo stesso modo in fabbrica.
Il futuro della tecnologia dei lubrificanti non risiede solo nello sviluppo di nuovi nanoadditivi, ma anche nella padronanza delle tecniche di dispersione che ne sfruttano appieno il potenziale. Il trattamento a ultrasuoni costituisce il ponte tra la scoperta scientifica e l’applicazione industriale, consentendo la realizzazione della prossima generazione di lubrificanti ad alte prestazioni per applicazioni industriali particolarmente esigenti.

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

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.

Letteratura / Riferimenti