ナノ粒子で機能を向上させた潤滑剤
潤滑油は、摩擦や摩耗の低減に役立つナノ添加剤から大きな恩恵を受けることができます。ただし、ナノ粒子、グラフェン単層、コアシェル型ナノ球などのナノ添加剤が、潤滑剤中で均一に、かつ個々の粒子として分散していることが極めて重要です。超音波分散は、ナノ粒子を均一に分布させ、凝集を防ぐ、信頼性と効率に優れた混合方法であることが実証されています。
潤滑液にナノ添加剤を分散させるには？ – 超音波を活用！
潤滑剤へのナノ添加剤の使用は、摩擦や摩耗を低減するトライボロジー特性を改善する最も効果的な方法の一つと考えられています。このようなトライボロジー特性の改善は、省エネルギーと排出量削減を大幅に促進し、環境への影響を低減します。
ナノ材料で性能を向上させた潤滑剤の課題は混合にあります。ナノ粒子や結晶性ナノセルロースなどのナノ材料には、せん断力を集中させ、ナノ材料の絡み合いを解きほぐして個々の粒子として均一に分散させる高せん断ミキサーが必要です。高出力超音波プローブを使用した超音波処理は、独自の高エネルギー密度場を形成することで、ナノ材料処理における優位性が実証されており、ナノ分散の確立された方法となっています。
Molseh et al. (2009) は、三種類の異なるナノ粒子（二硫化モリブデン (MoS2)、二硫化タングステン (WS2)、六方晶窒化ホウ素 (hBN)）について、CIMFLO 20中で超音波処理を施した場合の分散安定性が、機械的な振とうや撹拌を施した場合よりも優れていることを示しました。超音波キャビテーションは独自の高エネルギー密度条件を生み出すため、プローブ式超音波処理は、効果と効率の点で従来の分散技術を上回ります。
ナノ粒子のサイズ、形状、濃度などの特性は、そのトライボロジー特性に影響します。理想的なナノサイズは材料によって異なりますが、ほとんどのナノ粒子は十–百ナノメートルの範囲で最高の機能を示します。潤滑油中のナノ添加剤の理想的な濃度は、通常0.1–5.0%です。
Al2O3、CuO、ZnOなどの酸化物ナノ粒子は、潤滑剤のトライボロジー性能を向上させるナノ粒子として広く使用されています。その他の添加剤には、無灰添加剤、イオン液体、ホウ酸エステル、無機ナノ材料、カーボンナノチューブ (CNTs)、グラファイト、グラフェンなどの炭素由来ナノ構造が含まれます。潤滑油の特定の性質を改善するために、それぞれの性質に対応した添加剤が使用されます。例えば、摩耗を防ぐ潤滑剤には、二硫化モリブデン、グラファイト、硫化オレフィン、ジアルキルジチオカルバメート錯体などの極圧添加剤、またはトリアリールリン酸エステルやジアルキルジチオリン酸亜鉛などの耐摩耗添加剤が含まれています。
プローブ式超音波ホモジナイザーは信頼性の高いミキサーであり、高性能潤滑剤の配合に使用されています。ナノサイズの懸濁液の調製における優位性で知られる超音波処理は、潤滑油の工業的製造に極めて効率的です。
ナノ潤滑剤の製造に使用する超音波分散装置について詳しくはこちら！
潤滑油中へのナノ粒子の高処理能力での分散に使用する産業用超音波混合システム。
- トライボロジー性能の向上
- ナノ添加剤の均一な配合
- 植物油を基油とする潤滑剤
- トライボフィルムの形成
- 板金成形用液剤
- 冷却効果を向上させるナノ流体
- 水系または油系潤滑剤中のイオン液体
- ブローチ加工用液剤
酸化アルミニウム (Al2O3) の超音波分散により、粒子サイズの大幅な低減と均一な分散が得られます。
ナノ添加剤を含む潤滑剤の製造
ナノ材料で強化した潤滑油の製造には、適切なナノ材料と、強力で効率的な分散技術が極めて重要です。信頼性が高く、長期間安定したナノ分散がなければ、高性能潤滑剤を製造することはできません。
超音波混合・分散は、高性能潤滑剤の製造における確立された方法です。潤滑剤の基油は、ナノ材料、ポリマー、腐食抑制剤、酸化防止剤、その他の微細な凝集体などの添加剤によって強化されます。超音波のせん断力は、非常に微細な粒子の粒度分布を得るうえで極めて効率的です。超音波による機械的な力は、一次粒子さえも粉砕でき、粒子の機能化にも利用されます。その結果、得られるナノ粒子は優れた特性を備えます（例：表面改質、コアシェル型ナノ粒子、ドープされたナノ粒子）。
超音波高せん断ミキサーは、高性能潤滑剤の効率的な製造に大いに役立ちます！
ジアルキルジチオリン酸亜鉛 (ZDDP) と表面改質PTFEナノ粒子 (PHGM) を含む混合油の超音波分散後の状態。
（研究・画像：Sharma et al., 2017）
潤滑油用の新しいナノ添加剤
潤滑油や潤滑グリースの機能と性能をさらに向上させるため、新しいナノサイズの添加剤が開発されています。例えば、環境に配慮した潤滑剤の配合に向けて、セルロースナノ結晶 (CNCs) の研究と試験が行われています。Zakani et al. (2022) は、超音波処理したCNC潤滑剤が、超音波処理していない潤滑用懸濁液と比較して、COF（摩擦係数）と摩耗をそれぞれほぼ25および30%低減できることを実証しました。この研究の結果は、超音波処理によってCNC水性懸濁液の潤滑性能を大幅に向上させられることを示唆しています。
潤滑剤製造用の高性能超音波分散装置
潤滑油の製造などの工業的製造工程でナノ添加剤を使用する場合、乾燥粉末（すなわちナノ材料）を液相（潤滑油）に均一に混合することが極めて重要です。ナノ粒子の分散には、ナノサイズの粒子の特性を引き出すために凝集体を破壊する十分なエネルギーを与える、信頼性が高く効果的な混合技術が必要です。超音波処理装置は、強力で信頼性の高い分散装置としてよく知られているため、酸化アルミニウム、ナノチューブ、グラフェン、鉱物、その他多くの材料を解凝集し、鉱油、合成油、植物油などの液相に均一に分布させるために使用されています。Hielscher Ultrasonicsは、あらゆる種類の均質化および解凝集用途に対応する高性能超音波分散装置を設計、製造、販売しています。
潤滑剤中のナノ添加剤の超音波分散について詳しく知りたい方は、今すぐお問い合わせください！
以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 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 |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | さらに大きい流量 | クラスター構成の UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonicsは、実験室、パイロット、産業規模での混合、分散、乳化、抽出用途向けに、高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
調製から7日後のPTFEナノ潤滑剤（A：基油、B：1時間の超音波処理を施したPTFEナノ潤滑剤、C：30分間の超音波処理を施したPTFEナノ潤滑剤）。
（研究・画像：© Kumar et al., 2013）
潤滑剤中のAl2O3の分散安定性に対する超音波処理の効果。
（研究・図：© Sharif et al., 2017）
知っておきたい基礎知識
潤滑剤とは？
潤滑剤または潤滑油の主な用途は、機械的な接触による摩擦や摩耗、および熱を低減することです。潤滑剤は、用途と組成に応じて、エンジン油、トランスミッション液、作動油、ギヤ油、工業用潤滑剤に分類されます。
そのため、潤滑剤は自動車や産業機械で広く使用されています。良好な潤滑を実現するため、潤滑油は通常、90%の基油（主に石油留分、すなわち鉱油）と10%未満の添加剤を含みます。鉱油の使用を避ける場合、植物油や、水素化ポリオレフィン、エステル、シリコーン、フルオロカーボンなど、さまざまな合成液体を代替基油として使用できます。潤滑剤の主な用途は、機械的な接触による摩擦や摩耗を低減するとともに、摩擦熱とエネルギー損失を低減することです。そのため、潤滑剤は自動車や産業機械で広く使用されています。
アミン系およびフェノール系の一次酸化防止剤、天然酸、過酸化物分解剤、ピラジンなどの抗酸化物質は、酸化に対する耐性を高めることで潤滑剤の寿命を延ばします。これにより、熱酸化分解が抑制され、その発生が遅くなるため、基油が熱劣化から保護されます。
潤滑剤の種類
液体潤滑剤： 液体潤滑剤は一般に、一種類の基油をベースとしています。機能と性能を向上させるため、この基油には他の物質が添加されることがよくあります。代表的な添加剤には、例えば、水、鉱油、ラノリン、植物油または天然油、ナノ添加剤などがあります。
潤滑剤の大半は液体であり、その由来に応じて二つのグループに分類できます。
- 鉱油：鉱油は、原油から精製される潤滑油です。
- 合成油：合成油は、人為的に改質された化合物、または改質された石油から合成された化合物を使用して製造される潤滑油です。
潤滑グリース は、液体潤滑剤中に増ちょう剤を分散させて増ちょうした、固体または半固体の潤滑剤です。潤滑グリースの製造には、基油として潤滑油が使用され、これが主成分となります。潤滑グリースには、約70%–80%の潤滑油が含まれています。
浸透性潤滑剤 および 乾燥潤滑剤 も潤滑剤の種類に含まれ、主に限られた特殊用途に使用されます。
バイオ潤滑剤 という名称は、主に基液または全体的な環境特性を指し、必ずしも個々の添加剤すべてが生物由来であることを意味するものではありません。バイオ潤滑剤は一般に、植物油、合成エステル、植物由来の油、またはその他の再生可能な基材や生分解性の基材をベースとしています。ただし、従来の潤滑剤と同様に、耐摩耗性、酸化安定性、防食性、粘度挙動、耐荷重能力を改善するため、機能性添加剤が依然として必要になることがよくあります。つまり、バイオ潤滑剤は、すべての添加剤が生物由来であることを要求するのではなく、再生可能な由来、生分解性、低毒性、環境性能を中心に、広く定義されています。
バイオ潤滑剤の配合に用いる超音波処理について詳しくはこちら！
上に例示したナノ添加剤は、超音波分散装置を使用して潤滑剤中に良好に混合できます。
文献・参考資料
- 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.
- Reddy, Chenga; Arumugam, S.; Venkatakrishnan, Santhanam (2019): RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant. Arabian Journal for Science and Engineering 44, 2019.
- Zakani, Behzad; Entezami, Sohrab; Grecov, Dana; Salem, Hayder; Sedaghat, Ahmad (2022): Effect of ultrasonication on lubrication performance of cellulose nano-crystalline (CNC) suspensions as green lubricants. Carbohydrate Polymers 282(5), 2022.
- 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.
- Sharma, Vinay, Johansson, Jens; Timmons, Richard; Prakash, Braham; Aswath, Pranesh (2018): Tribological Interaction of Plasma-Functionalized Polytetrafluoroethylene Nanoparticles with ZDDP and Ionic Liquids. Tribology Letters 66, 2018.
- Haijun Liu, Xianjun Hou, Xiaoxue Li, Hua Jiang, Zekun Tian, Mohamed Kamal Ahmed Ali (2020): Effect of Mixing Temperature, Ultrasonication Duration and Nanoparticles/Surfactant Concentration on the Dispersion Performance of Al2O3 Nanolubricants. Research Square 2020.
- Kumar D.M., Bijwe J., Ramakumar S.S. (2013): PTFE based nano-lubricants. Wear 306 (1–2), 2013. 80–88.
- Sharif M.Z., Azmi W.H., Redhwan A.A. M, Mamat R., Yusof T.M. (2017): Performance analysis of SiO2 /PAG nanolubricant in automotive air conditioning system. International Journal of Refrigeration 75, 2017. 204–216.
Hielscher Ultrasonicsは、 実験室規模 から 産業規模までの高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。