ナノ粒子で機能性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る。しかし、ナノ粒子、グラフェン単分子膜、コアシェルナノ球などのナノ添加剤を潤滑油中に均一かつ単一に分散させることが極めて重要である。超音波分散は、均一なナノ粒子分布を提供し、凝集を防止する、信頼性が高く効率的な混合方法であることが証明されています。
潤滑油にナノ添加剤を分散させるには？ – 超音波で！
潤滑油にナノ添加剤を使用することは、摩擦や摩耗を低減してトライボロジー特性を改善する最も効果的な方法のひとつと考えられている。このようなトライボロジーの改善は、省エネルギー、排出ガスの削減、環境負荷の低減に大きく貢献します。
ナノ化された潤滑剤の課題は混合にある：ナノ粒子や結晶性ナノセルロースのようなナノ材料は、ナノ材料を均一に分散させ、単一粒子に分散させる焦点式高剪断ミキサーを必要とする。高出力超音波プローブを使用した超音波処理は、ユニークなエネルギー密度の高い場を作り出し、ナノ材料処理における優位性が証明されているため、ナノ分散法として確立されています。
Molsehら（2009）は、CIMFLO 20中における3種類のナノ粒子（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））の超音波処理による分散安定性が、機械的な振盪および攪拌による分散安定性よりも優れていることを示した。超音波キャビテーションはユニークなエネルギー密度の高い条件を作り出すため、プローブ型超音波処理は従来の分散技術よりも効果や効率において優れている。
ナノ粒子のサイズ、形状、濃度といった特性は、そのトライボロジー特性に影響を及ぼしている。理想的なナノサイズは材料によって異なるが、ほとんどのナノ粒子は10～100ナノメートルの範囲で最高の機能性を示す。潤滑油中のナノ添加剤の理想的な濃度は、ほとんどが0.1～5.0%である。
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る。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（CNT）、グラファイト、グラフェンなどの炭素由来のナノ構造体がある。潤滑油の特定の特性を向上させるために、特定の添加剤が使用される。例えば、摩耗防止潤滑油には、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や、トリアリールホスフェート、ジアルキルジチオリン酸亜鉛などの摩耗防止添加剤が含まれている。
超音波プローブ式ホモジナイザーは信頼性の高いミキサーであり、高性能潤滑油の調合に使用されています。ナノサイズの懸濁液の調製に優れ、潤滑油の工業的製造に非常に効率的です。
Read more about ultrasonic dispersers for nano-lubricant production!
潤滑油中へのナノ粒子のハイスループット分散のための工業用超音波混合システム。
- トライボロジー性能の向上
- 均一なナノ添加剤の組み込み
- 植物油ベースの潤滑油
- トリボフィルムの調製
- 板金加工液
- 冷却効果を高めるナノ流体
- 水性または油性潤滑油中のイオン液体
- ブローチ液
酸化アルミニウム(Al2O3)の超音波分散は、粒子径の大幅な縮小と均一な分散をもたらす。
ナノ添加剤入り潤滑油の製造
ナノ強化潤滑油の製造には、適切なナノ材料と強力で効率的な分散技術が不可欠である。信頼性が高く長期間安定したナノ分散がなければ、高性能の潤滑油を製造することはできない。
超音波混合・分散は、高性能潤滑油の製造方法として確立されている。潤滑油のベースオイルは、ナノ材料、ポリマー、腐食防止剤、酸化防止剤、その他の微細な凝集体などの添加剤で強化される。超音波せん断力は、非常に微細な粒度分布を提供する上で非常に効率的である。超音波（ソノメカニカル）力は、一次粒子でさえ粉砕することが可能であり、粒子を機能化するために適用されるため、得られるナノ粒子は優れた特性（表面改質、コアシェルNP、ドープNPなど）を提供する。
超音波ハイシアミキサーは、高性能潤滑油を効率的に製造するのに大いに役立つ！
超音波分散後、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）をブレンドしたオイル。
(研究・写真：Sharma他、2017年）
潤滑油中の新規ナノ添加剤
潤滑油やグリースの機能性や性能をさらに向上させるために、新しいナノサイズの添加剤が開発されている。例えば、セルロースナノクリスタル(CNC)は、グリーン潤滑油の配合のために研究され、試験されている。Zakaniら(2022)は、次のことを実証した。 – 未発泡の潤滑懸濁液と比較して – 超音波処理したCNC潤滑剤は、COF（摩擦係数）と摩耗をそれぞれほぼ25%と30%減少させることができた。本研究の結果は、超音波処理によりCNC水性懸濁液の潤滑性能を大幅に改善できることを示唆している。
潤滑油製造用高性能超音波分散機
ナノ添加剤を潤滑油の製造などの工業的製造工程で使用する場合、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ある。ナノ粒子の分散には、ナノスケール粒子の特質を引き出すために凝集体を破壊するのに十分なエネルギーを加える、信頼性が高く効果的な混合技術が必要です。超音波分散機は、強力で信頼性の高い分散機としてよく知られており、酸化アルミニウム、ナノチューブ、グラフェン、鉱物など様々な材料の凝集を解き、鉱物油、合成油、植物油などの液相に均質に分散させるために使用されます。Hielscher Ultrasonics社は、あらゆる種類の均質化・脱凝集アプリケーション用の高性能超音波分散機を設計・製造・販売しています。
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下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：
| バッチ量 | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 1〜500mL | 10～200mL/分 | UP100H |
| 10〜2000mL | 20～400mL/分 | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1～20L | 0.2～4L/分 | UIP2000hdT |
| 10～100L | 2～10L/分 | UIP4000hdT |
| 15～150L | 3～15L/分 | UIP6000hdT |
| n.a. | 10～100L/分 | uip16000 |
| n.a. | より大きい | クラスタ uip16000 |
お問い合わせ/ お問い合わせ
Hielscher Ultrasonics社は、ラボスケール、パイロットスケール、工業スケールの混合アプリケーション、分散、乳化、抽出用の高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
調製7日後のPTFEナノ潤滑剤（A：ベースオイル、B：1時間の超音波処理を施したPTFEナノ潤滑剤、C：30分の超音波処理を施したPTFEナノ潤滑剤）。
(研究および写真：© Kumar et al.）
潤滑油中のAl2O3の分散安定性に及ぼす超音波処理の影響。
(研究およびグラフィック：© Sharif et al.）
知っておくべき事実
潤滑油とは何か？
潤滑油の主な用途は、機械的接触や熱による摩擦や摩耗を減らすことである。潤滑油は、その用途と成分によって、エンジンオイル、トランスミッション液、油圧作動油、ギアオイル、工業用潤滑油に分けられる。
そのため、潤滑油は自動車や産業機械に広く使用されている。良好な潤滑を提供するために、潤滑油には通常90％の基油（ほとんどが石油留分、すなわち鉱油）と10％以下の添加剤が含まれている。鉱油を避ける場合は、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の合成液体を代替基油として使用することができる。潤滑油の主な用途は、機械的接触による摩擦や摩耗を低減し、摩擦熱やエネルギー損失を低減することである。そのため、潤滑油は自動車や産業機械に広く使用されている。
アミン系やフェノール系の一次酸化防止剤、天然酸、過酸化物分解剤、ピラジンなどの酸化防止物質は、耐酸化性を高めることで潤滑油の寿命を延ばす。熱酸化分解は還元型と遅延型で起こるため、基油は熱劣化から保護される。
潤滑油の種類
液体潤滑剤： 液体潤滑剤は一般に、1種類の基油をベースにしている。この基油には、機能性と性能を向上させるために多くの物質が添加される。代表的な添加剤には、例えば水、鉱油、ラノリン、植物油、天然油、ナノ添加剤などがある。
潤滑油の大部分は液体であり、その起源によって2つのグループに分類される：
- 鉱物油鉱油は原油から精製された潤滑油である。
- 合成油：合成油は、人為的に改良された化合物、または改良された石油から合成された化合物を使用して製造された潤滑油である。
潤滑グリース は、液体潤滑剤に増ちょう剤を分散させて増粘させた固体または半固体の潤滑剤である。潤滑グリースを製造するには、基油として潤滑油を使用し、これを主成分とする。潤滑油の含有量は約70～80％である。
浸透性潤滑剤 そして ドライ潤滑剤 はさらに別のタイプで、主にニッチな用途に適用される。
Biolubricants refer mainly to the base fluid or overall environmental profile, not necessarily to every single additive being bio-derived. Biolubricants are commonly based on vegetable oils, synthetic esters, plant-derived oils, or other renewable/biodegradable base materials. However, like conventional lubricants, they often still require functional additives to improve wear protection, oxidation stability, corrosion protection, viscosity behavior, and load-carrying capacity. This means biolubricants are defined broadly around renewable origin, biodegradability, low toxicity, and environmental performance rather than requiring every additive to be biological.
Read more about sonication for biolubricant formulations!
上記に例示したようなナノ添加剤は、超音波分散機を使用して潤滑油にうまく混合することができる。
文献・参考文献
- 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.
