Nanolubrificanti migliorati mediante dispersione a ultrasuoni

L’integrazione di nanoadditivi nelle formulazioni lubrificanti rappresenta uno dei progressi più significativi della tribologia degli ultimi anni. Tuttavia, ricercatori e ingegneri di processo affrontano una sfida persistente: ottenere una dispersione omogenea di particelle nanometriche in oli base viscosi senza comprometterne l’integrità strutturale. I metodi di miscelazione tradizionali spesso non riescono a disgregare efficacemente gli agglomerati, con conseguenti prestazioni del prodotto non costanti e una stabilità limitata durante lo stoccaggio.

La soluzione: dispersione a ultrasuoni dei nanoadditivi nella formulazione dei lubrificanti

Gli ultrasuoni ad alta potenza sono la soluzione più efficace a queste sfide di dispersione. Sfruttando i principi della cavitazione acustica, le apparecchiature a ultrasuoni generano cicli alternati di alta e bassa pressione nei 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 possono 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 deagglomerano efficacemente gli aggregati di nanoparticelle e ne assicurano una distribuzione uniforme in tutta la matrice lubrificante.
Per gli ingegneri di processo, ciò rappresenta la differenza tra un lubrificante che sedimenta e si separa nel giro di poche settimane e uno che mantiene il proprio profilo prestazionale per l’intera vita utile del componente.

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

Un esempio convincente dell’efficacia della tecnologia a ultrasuoni nella produzione di lubrificanti proviene da una ricerca pubblicata sul Journal of Materials Research and Technology (2019). Lo studio, intitolato “Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants,” dimostra come l’omogeneizzatore a sonda Hielscher UIP1000hdT (340 W, tempo di trattamento 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. L’incorporazione dell’azoto nella struttura grafitica delle pareti laterali dei nanotubi ha sviluppato proprietà elettroniche e strutturali straordinarie, determinando un eccellente comportamento di adsorbimento e un’eccellente conducibilità elettrica. I nanotubi di carbonio sono materiali nanostrutturati dalle notevoli proprietà di conduzione elettrica, e le loro proprietà elettroniche possono essere regolate in modo mirato incorporando atomi di azoto mediante tecniche di drogaggio.
I risultati evidenziano l’efficacia della dispersione a ultrasuoni:

Questo caso di studio costituisce una dimostrazione tecnica di fattibilità: quando il nanomateriale giusto incontra l’energia ultrasonica giusta, il lubrificante risultante raggiunge parametri prestazionali precedentemente considerati irraggiungibili con i metodi di miscelazione convenzionali.

Caratteristica chiave della nanodispersione a ultrasuoni nei lubrificanti

L’approccio basato sulla dispersione a ultrasuoni produce risultati eccezionali che ne confermano il potenziale industriale:

• Fabbisogno minimo di additivi: Quantità relativamente piccole di BCNT, nello specifico 1,5 wt%, sono sufficienti per ottenere una buona conducibilità elettrica dei grassi, superiore a 14 mS. I campioni contenenti nanotubi mostrano una buona conducibilità elettrica compresa tra 7 e 18,5 mS nelle misurazioni in condizioni stazionarie.
• Prestazioni migliori durante il funzionamento: Le misurazioni della conducibilità elettrica durante il funzionamento effettivo dei cuscinetti a sfere rivelano valori ancora più elevati, con un massimo di 31,5 mS registrato con la formulazione contenente 3% di BCNT. In ogni caso, la conducibilità aumenta rispetto alle misurazioni in condizioni stazionarie, indicando che le sollecitazioni meccaniche durante il funzionamento migliorano ulteriormente i percorsi conduttivi.
• Prestazioni superiori in termini di attrito: I campioni contenenti 1,5 wt% di BCNT presentano caratteristiche di attrito favorevoli, con valori di coppia d’attrito di 6,1 e 5,1 Nmm. Ciò dimostra che una concentrazione ottimale di additivi bilancia la conducibilità con le prestazioni meccaniche.
• Stabilità termica migliorata: L’aggiunta di olio siliconico ad alta viscosità (5000 mm²/s) e silice pirogenica come addensanti aumenta il punto di goccia a oltre 150°C, superando una limitazione critica nelle applicazioni ad alta temperatura.
• Formulazioni ottimizzate: L’olio base di PDMS contenente 3% di BCNT e 1,0% di SiO₂ colloidale, con viscosità di 50 mm/s, si è dimostrato adatto alle condizioni di carico dei cuscinetti a sfere, combinando conducibilità e robustezza meccanica.

Ultrasuoni: il vantaggio del passaggio alla scala industriale

Mentre lo sviluppo su scala di laboratorio con Hielscher UIP1000hdT dimostra la fattibilità, il vero valore per le applicazioni industriali risiede nella scalabilità lineare. I sonicatori Hielscher offrono un vantaggio unico grazie alla loro capacità di aumento lineare della scala, consentendo un passaggio senza difficoltà dal trattamento da banco per ricerca e sviluppo alla produzione in linea di grandi volumi.
Per l’implementazione industriale, gli ingegneri di processo possono utilizzare il modello UIP4000hdT da 4kW, il sonicatore UIP6000hdT da 6kW o il potente UIP16000hdT da 16kW, dotati di celle di flusso specializzate. Questo approccio di aumento lineare della scala 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 realizzate su scala produttiva. La costanza ottenuta mediante il trattamento a ultrasuoni elimina la variabilità tra lotti che affligge i metodi di miscelazione convenzionali, particolarmente critica per le applicazioni di lubrificanti ad alte prestazioni nei settori aerospaziale, automobilistico e dei macchinari di precisione.

Perché la sonicazione è importante per l’innovazione dei lubrificanti

I vantaggi della dispersione a ultrasuoni dei nanoadditivi vanno oltre la semplice efficienza di miscelazione. La tecnologia consente:

1. Maggiore contenuto di additivi: È possibile incorporare concentrazioni più elevate di nanoadditivi senza agglomerazione, massimizzando i benefici prestazionali.
2. Stabilità migliorata durante lo stoccaggio: Le dispersioni omogenee impediscono la sedimentazione e la separazione delle fasi durante periodi di stoccaggio prolungati.
3. Qualità costante del prodotto: Ogni lotto di produzione raggiunge caratteristiche di dispersione identiche, fondamentali per le applicazioni che richiedono un rigoroso controllo della qualità.
4. Tempo di trattamento ridotto: La cavitazione ultrasonica consente di ottenere la dispersione in pochi minuti rispetto alle ore richieste dai metodi tradizionali.
5. Versatilità nelle diverse formulazioni: La tecnologia funziona con vari oli base, agenti addensanti e tipi di additivi, offrendo flessibilità nello sviluppo delle formulazioni.

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

Migliorate la produzione di nanolubrificanti con la dispersione a ultrasuoni

L’integrazione della tecnologia a ultrasuoni nei processi di produzione dei lubrificanti rappresenta un cambiamento di paradigma nel modo in cui i nanoadditivi vengono incorporati nelle formulazioni lubrificanti. Come dimostrato dallo sviluppo riuscito di grassi elettricamente conduttivi mediante nanotubi di carbonio con struttura simile al bambù drogati con azoto, la sonicazione ad alta energia produce dispersioni omogenee e stabili con caratteristiche prestazionali eccezionali. Grazie alla capacità di aumento lineare della scala di Hielscher, dal sonicatore da banco UIP1000hdT ai modelli di sonicatori industriali in linea come UIP4000hdT, UIP6000hdT e UIP16000hdT con celle di flusso, ricercatori e ingegneri di processo possono passare con fiducia dalle scoperte della ricerca e sviluppo alla produzione commerciale, garantendo che l’innovazione ottenuta in laboratorio offra prestazioni identiche in fabbrica.
Il futuro della tecnologia dei lubrificanti risiede non solo nello sviluppo di nuovi nanoadditivi, ma anche nella padronanza delle tecniche di dispersione che ne liberano appieno il potenziale. Il trattamento a ultrasuoni crea un collegamento tra la scoperta scientifica e l’applicazione industriale, consentendo lo sviluppo della prossima generazione di lubrificanti ad alte prestazioni per applicazioni industriali impegnative.

 
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono rinomati per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la facilità d’uso consentono un’integrazione agevole dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti di UL, CSA e RoHs.

Bibliografia / Riferimenti

• 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.