나노입자로 기능성이 향상된 윤활제
윤활유는 마찰과 마모를 줄이는 데 도움이 되는 나노첨가제를 통해 큰 이점을 얻을 수 있습니다. 그러나 나노입자, 그래핀 단일층 또는 코어–셸 나노구체와 같은 나노첨가제가 윤활제 내에 균일하게 개별 입자로 분산되는 것이 매우 중요합니다. 초음파 분산은 나노입자를 균일하게 분포시키고 응집을 방지하는 신뢰할 수 있고 효율적인 혼합 방법으로 입증되었습니다.
윤활 유체에 나노첨가제를 어떻게 분산시킬까요? – 초음파를 사용하세요!
윤활제에 나노첨가제를 사용하는 것은 마찰과 마모를 줄여 마찰학적 특성을 개선하는 가장 효과적인 방법 중 하나로 여겨집니다. 이러한 마찰학적 개선은 에너지 절감과 배출량 저감을 크게 촉진하여 환경에 미치는 영향을 줄입니다.
나노소재로 성능을 개선한 윤활제의 과제는 혼합에 있습니다. 나노입자나 결정성 나노셀룰로오스와 같은 나노소재에는 나노소재의 얽힘을 풀고 개별 입자로 균일하게 분산시키는, 집중적으로 작용하는 고전단 믹서가 필요합니다. 고출력 초음파 프로브를 이용한 초음파 처리는 고유한 고에너지 밀도 영역을 형성하여 나노소재 가공에서 우수성이 입증되었으며, 이에 따라 나노분산을 위한 확립된 방법으로 자리 잡았습니다.
Molseh et al. (2009)은 CIMFLO 20 내 세 가지 서로 다른 나노입자(이황화몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2), 육방정계 질화붕소(hBN))의 분산 안정성이 기계적 진탕 및 교반을 사용했을 때보다 초음파 처리를 사용했을 때 더 우수함을 보여주었습니다. 초음파 캐비테이션은 고유한 고에너지 밀도 조건을 형성하므로, 프로브형 초음파 처리는 효과와 효율 면에서 기존 분산 기법보다 뛰어납니다.
나노입자의 크기, 형상, 농도와 같은 특성은 마찰학적 특성에 영향을 미칩니다. 이상적인 나노 크기는 소재에 따라 다르지만, 대부분의 나노입자는 십 나노미터에서 백 나노미터 범위에서 가장 높은 기능성을 나타냅니다. 윤활유 내 나노첨가제의 이상적인 농도는 대부분 0.1–5.0% 사이입니다.
Al2O3, CuO 또는 ZnO와 같은 산화물 나노입자는 윤활제의 마찰학적 성능을 개선하는 나노입자로 널리 사용됩니다. 그 밖의 첨가제에는 무회분 첨가제, 이온성 액체, 붕산 에스테르, 무기 나노소재, 탄소나노튜브(CNTs), 흑연 및 그래핀과 같은 탄소 유래 나노구조체가 포함됩니다. 윤활유의 특정 특성을 개선하기 위해 특정 첨가제를 사용합니다. 예를 들어, 마모 방지 윤활제에는 이황화몰리브덴, 흑연, 황화 올레핀 및 디알킬디티오카르바메이트 착물과 같은 극압 첨가제나 인산트리아릴 및 아연 디알킬디티오포스페이트와 같은 내마모 첨가제가 포함됩니다.
초음파 프로브형 균질기는 신뢰할 수 있는 믹서로, 고성능 윤활제의 배합에 사용됩니다. 나노 크기 현탁액 제조에서 우수한 성능으로 알려진 초음파 처리는 윤활유의 산업적 제조에 매우 효율적입니다.
나노윤활제 생산용 초음파 분산기에 대해 자세히 알아보세요!
나노입자를 윤활유에 높은 처리량으로 분산시키기 위한 산업용 초음파 혼합 시스템.
- 향상된 마찰학적 성능
- 균일한 나노첨가제 혼입
- 식물유 기반 윤활제
- 마찰막 형성
- 판금 성형용 유체
- 냉각 효능 향상을 위한 나노유체
- 수성 또는 유성 윤활제 내 이온성 액체
- 브로칭 가공용 유체
산화알루미늄(Al2O3)의 초음파 분산은 입자 크기를 크게 줄이고 균일한 분산을 제공합니다.
나노첨가제를 함유한 윤활제 제조
나노 소재로 강화한 윤활유를 생산하려면 적절한 나노 소재와 강력하고 효율적인 분산 기술이 필수적입니다. 신뢰할 수 있고 장기간 안정적인 나노 분산 없이는 고성능 윤활제를 제조할 수 없습니다.
초음파 혼합 및 분산은 고성능 윤활제 생산을 위한 확립된 방법입니다. 윤활제의 기유는 나노 소재, 고분자, 부식 억제제, 산화 방지제 및 기타 미세 응집체와 같은 첨가제로 강화됩니다. 초음파 전단력은 매우 미세한 입도 분포를 구현하는 데 매우 효율적입니다. 초음파의 기계적 힘은 일차 입자까지 분쇄할 수 있으며, 입자를 기능화하는 데 사용되어 생성된 나노입자가 우수한 특성을 갖도록 합니다(예: 표면 개질, 코어–셸 나노입자, 도핑된 나노입자).
초음파 고전단 혼합기는 고성능 윤활제를 효율적으로 제조하는 데 큰 도움이 될 수 있습니다!
아연 디알킬디티오인산염(ZDDP)과 표면 개질 PTFE 나노입자(PHGM)를 함유한 혼합유의 초음파 분산 후 모습.
(연구 및 사진: Sharma et al., 2017)
윤활유용 신규 나노 첨가제
윤활유와 윤활 그리스의 기능성과 성능을 더욱 개선하기 위해 새로운 나노 크기 첨가제가 개발되고 있습니다. 예를 들어, 친환경 윤활제의 배합을 위해 셀룰로오스 나노결정(CNCs)이 연구 및 시험되고 있습니다. Zakani et al. (2022)은 초음파 처리한 CNC 윤활제가 – 초음파 처리하지 않은 윤활 현탁액과 비교하여 – COF(마찰계수)와 마모를 각각 거의 25 및 30% 줄일 수 있음을 입증했습니다. 이 연구 결과는 초음파 처리가 CNC 수성 현탁액의 윤활 성능을 크게 개선할 수 있음을 시사합니다.
윤활제 제조용 고성능 초음파 분산기
윤활유 생산과 같은 산업 제조 공정에서 나노 첨가제를 사용할 때는 건조 분말(즉, 나노 소재)을 액상(윤활유)에 균일하게 혼합하는 것이 매우 중요합니다. 나노입자 분산에는 나노 크기 입자의 특성을 발휘할 수 있도록 응집체를 분해하기에 충분한 에너지를 가하는 신뢰할 수 있고 효과적인 혼합 기술이 필요합니다. 초음파 처리기는 강력하고 신뢰할 수 있는 분산기로 잘 알려져 있으며, 따라서 산화알루미늄, 나노튜브, 그래핀, 광물 등 다양한 소재의 응집체를 해체하고 이들을 광유, 합성유 또는 식물성 오일과 같은 액상에 균일하게 분산하는 데 사용됩니다. Hielscher Ultrasonics는 모든 종류의 균질화 및 응집체 해체 용도를 위한 고성능 초음파 분산기를 설계, 제조 및 공급합니다.
윤활제 내 나노 첨가제의 초음파 분산에 대해 자세히 알아보려면 지금 문의하세요!
아래 표에서 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 확인할 수 있습니다:
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 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. | 더 높은 유량 | 클러스터형 UIP16000 |
연락하세요! / 문의하세요!
Hielscher Ultrasonics는 실험실, 파일럿 및 산업 규모의 혼합, 분산, 유화 및 추출 용도를 위한 고성능 초음파 균질기를 제조합니다.
제조 후 7일이 지난 PTFE 나노윤활제(A: 기유, B: 1 hr 동안 초음파 처리한 PTFE 나노윤활제, C: 30 min. 동안 초음파 처리한 PTFE 나노윤활제).
(연구 및 사진: © Kumar et al., 2013)
초음파 처리가 윤활제 내 Al2O3의 분산 안정성에 미치는 영향.
(연구 및 도표: © Sharif et al., 2017)
알아두면 좋은 사실
윤활제란 무엇인가요?
윤활제 또는 윤활유의 주된 용도는 기계적 접촉으로 인한 마찰과 마모뿐 아니라 열도 줄이는 것입니다. 윤활제는 용도와 조성에 따라 엔진 오일, 변속기 오일, 유압유, 기어 오일 및 산업용 윤활제로 나뉩니다.
따라서 윤활제는 자동차와 산업 기계에 널리 사용됩니다. 우수한 윤활 성능을 제공하기 위해 윤활유에는 일반적으로 기유 90%(대부분 석유 유분, 즉 광유)와 첨가제 10% 미만이 함유됩니다. 광유를 사용하지 않는 경우, 식물성 오일이나 수소화 폴리올레핀, 에스터, 실리콘, 플루오로카본 등 다양한 합성 액체를 대체 기유로 사용할 수 있습니다. 윤활제의 주된 용도는 기계적 접촉으로 인한 마찰과 마모를 줄이고 마찰열과 에너지 손실을 낮추는 것입니다. 따라서 윤활제는 자동차와 산업 기계에 널리 사용됩니다.
아민계 및 페놀계 일차 산화방지제, 천연 산, 과산화물 분해제 및 피라진과 같은 항산화 물질은 산화 저항성을 높여 윤활제의 수명을 연장합니다. 이에 따라 열산화 분해가 감소하고 지연되어 기유가 열적 열화로부터 보호됩니다.
윤활제의 종류
액체 윤활제: 액체 윤활제는 일반적으로 한 종류의 기유를 기반으로 합니다. 기능과 성능을 개선하기 위해 이 기유에 다른 물질을 첨가하는 경우가 많습니다. 대표적인 첨가제로는 물, 광유, 라놀린, 식물성 또는 천연 오일, 나노 첨가제 등이 있습니다.
대부분의 윤활제는 액체이며, 유래에 따라 두 가지 그룹으로 분류할 수 있습니다:
- 광유: 광유는 원유를 정제하여 얻는 윤활유입니다.
- 합성유: 합성유는 인위적으로 변형한 화합물이나 변형된 석유에서 합성한 화합물을 사용하여 제조하는 윤활유입니다.
윤활 그리스는 액체 윤활제에 증주제를 분산시켜 점도를 높인 고체 또는 반고체 윤활제입니다. 윤활 그리스를 제조할 때는 윤활유를 기유로 사용하며, 윤활유가 주성분입니다. 윤활 그리스에는 약 70%에서 80%의 윤활유가 함유됩니다.
침투성 윤활제 및 건식 윤활제는 주로 특수한 용도에 사용되는 또 다른 종류의 윤활제입니다.
바이오 윤활제는 주로 기유 또는 전반적인 환경적 특성을 가리키며, 반드시 모든 개별 첨가제가 생물 유래라는 뜻은 아닙니다. 바이오 윤활제는 일반적으로 식물성 오일, 합성 에스터, 식물 유래 오일 또는 기타 재생 가능한 기초 원료나 생분해성 기초 원료를 기반으로 합니다. 그러나 기존 윤활제와 마찬가지로 마모 방지 성능, 산화 안정성, 부식 방지 성능, 점도 거동 및 하중 지지 능력을 개선하기 위해 기능성 첨가제가 여전히 필요한 경우가 많습니다. 이는 바이오 윤활제가 모든 첨가제의 생물 유래 여부를 요구하기보다는 재생 가능한 유래, 생분해성, 낮은 독성 및 환경 성능을 중심으로 폭넓게 정의된다는 것을 의미합니다.
바이오 윤활제 배합을 위한 초음파 처리에 대해 자세히 알아보세요!
위에 예시로 나열한 나노 첨가제는 초음파 분산기를 사용하여 윤활제에 성공적으로 혼합할 수 있습니다.
문헌 / 참고문헌
- 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 Ultrasonics는 고성능 초음파 균질기를 실험실 규모에서 산업 규모까지 제조합니다.