Smeermiddelen met door nanodeeltjes verbeterde functionaliteiten
Smeeroliën kunnen sterk profiteren van nanoadditieven, die helpen wrijving en slijtage te verminderen. Het is echter cruciaal dat nanoadditieven zoals nanodeeltjes, monolagen van grafeen of kern-schilnanosferen gelijkmatig en als afzonderlijke deeltjes in het smeermiddel gedispergeerd zijn. Ultrasone dispersie heeft zich bewezen als een betrouwbare en efficiënte mengmethode die een homogene verdeling van nanodeeltjes oplevert en aggregatie voorkomt.
Hoe dispergeert u nanoadditieven in smeervloeistoffen? – Met ultrasoontechnologie!
Het gebruik van nanoadditieven in smeermiddelen wordt beschouwd als een van de meest effectieve methoden om de tribologische eigenschappen te verbeteren en zo wrijving en slijtage te verminderen. Een dergelijke tribologische verbetering bevordert energiebesparing en emissiereductie aanzienlijk, waardoor de milieubelasting afneemt.
De uitdaging bij met nanomaterialen verbeterde smeermiddelen ligt in het mengen: nanomaterialen zoals nanodeeltjes of kristallijne nanocellulose vereisen mengers met gerichte, hoge afschuiving die de nanomaterialen gelijkmatig dispergeren en ontwarren tot afzonderlijke deeltjes. Door unieke velden met een hoge energiedichtheid te creëren, heeft sonicatie met ultrasone sondes met hoog vermogen zijn superioriteit bij de verwerking van nanomaterialen bewezen en is deze daarmee de gevestigde methode voor nanodispersies.
Molseh et al. (2009) toonden aan dat de dispersiestabiliteit van drie verschillende nanodeeltjes (molybdeendisulfide (MoS2), wolfraamdisulfide (WS2) en hexagonaal boornitride (hBN)) in CIMFLO 20 bij ultrasone behandeling beter was dan bij mechanisch schudden en roeren. Doordat ultrasone cavitatie unieke omstandigheden met een hoge energiedichtheid creëert, overtreft sonicatie met een sonde conventionele dispersietechnieken in effectiviteit en efficiëntie.
Kenmerken van nanodeeltjes, zoals grootte, vorm en concentratie, beïnvloeden hun tribologische eigenschappen. Hoewel de ideale nanogrootte afhankelijk van het materiaal varieert, vertonen de meeste nanodeeltjes de hoogste functionaliteiten in het bereik van tien tot honderd nanometer. De ideale concentratie van nanoadditieven in smeerolie ligt meestal tussen 0,1–5,0% .
Oxidenanodeeltjes zoals Al2O3, CuO of ZnO worden veelvuldig gebruikt als nanodeeltjes die de tribologische prestaties van smeermiddelen verbeteren. Andere additieven zijn asloze additieven, ionische vloeistoffen, boraatesters, anorganische nanomaterialen en van koolstof afgeleide nanostructuren zoals koolstofnanobuizen (CNTs), grafiet en grafeen. Specifieke additieven worden gebruikt om specifieke eigenschappen van smeeroliën te verbeteren. Zo bevatten slijtagewerende smeermiddelen additieven voor extreme druk, zoals molybdeendisulfide, grafiet, gezwavelde olefinen en dialkyldithiocarbamaatcomplexen, of antislijtageadditieven zoals triarylfosfaten en zinkdialkyldithiofosfaat.
Ultrasone homogenisatoren met een sonde zijn betrouwbare mengers en worden gebruikt voor de formulering van smeermiddelen met hoge prestaties. Sonicatie staat bekend als superieur voor de bereiding van suspensies met deeltjes van nanogrootte en is zeer efficiënt voor de industriële productie van smeeroliën.
Lees meer over ultrasone dispergeerapparaten voor de productie van nanosmeermiddelen!
Industrieel ultrasoon mengsysteem voor de dispersie van nanodeeltjes in smeeroliën met een hoge verwerkingscapaciteit.
- verbeterde tribologische prestaties
- gelijkmatige incorporatie van nanoadditieven
- smeermiddelen op basis van plantaardige olie
- vorming van een tribofilm
- vloeistoffen voor plaatmetaalbewerking
- nanovloeistoffen voor een verbeterde koeleffectiviteit
- ionische vloeistoffen in smeermiddelen op water- of oliebasis
- vloeistoffen voor brootsen
Ultrasone dispersie van aluminiumoxide (Al2O3) resulteert in een aanzienlijke verkleining van de deeltjesgrootte en een gelijkmatige dispersie.
Productie van smeermiddelen met nanoadditieven
Voor de productie van met nanomaterialen versterkte smeeroliën zijn geschikt nanomateriaal en een krachtige, efficiënte dispersietechniek cruciaal. Zonder een betrouwbare nanodispersie die op lange termijn stabiel blijft, kan geen smeermiddel met hoge prestaties worden geproduceerd.
Ultrasoon mengen en dispergeren is een gevestigde methode voor de productie van smeermiddelen met hoge prestaties. De basisolie van smeermiddelen wordt versterkt met additieven zoals nanomaterialen, polymeren, corrosieremmers, antioxidanten en andere fijne aggregaten. Ultrasone afschuifkrachten zijn zeer efficiënt in het realiseren van een zeer fijne deeltjesgrootteverdeling. Ultrasone (sonomechanische) krachten kunnen zelfs primaire deeltjes vermalen en worden gebruikt om deeltjes te functionaliseren, zodat de resulterende nanodeeltjes superieure eigenschappen bieden (bijv. oppervlaktemodificatie, kern-schilnanodeeltjes, gedoteerde nanodeeltjes).
Ultrasone mengers met hoge afschuiving kunnen aanzienlijk helpen om smeermiddelen met hoge prestaties efficiënt te produceren!
Oliemengsel met zinkdialkyldithiofosfaat (ZDDP) en PTFE-nanodeeltjes met een gemodificeerd oppervlak (PHGM) na ultrasone dispersie.
(Studie en afbeelding: Sharma et al., 2017)
Nieuwe nanoadditieven in smeeroliën
Nieuwe additieven van nanogrootte worden ontwikkeld om de functionaliteiten en prestaties van smeeroliën en smeervetten verder te verbeteren. Zo worden cellulosenanokristallen (CNCs) onderzocht en getest voor de formulering van groene smeermiddelen. Zakani et al. (2022) toonden aan dat gesoniceerde CNC-smeermiddelen – in vergelijking met niet-gesoniceerde smeersuspensies – de COF (wrijvingscoëfficiënt) en slijtage met respectievelijk bijna 25 en 30% konden verminderen. De resultaten van deze studie suggereren dat verwerking met sonicatie de smeerprestaties van waterige CNC-suspensies aanzienlijk kan verbeteren.
Ultrasone dispergeerapparaten met hoge prestaties voor de productie van smeermiddelen
Wanneer nanoadditieven worden gebruikt in industriële productieprocessen zoals de productie van smeeroliën, is het cruciaal dat droge poeders (d.w.z. nanomaterialen) homogeen in een vloeibare fase (smeerolie) worden gemengd. De dispersie van nanodeeltjes vereist een betrouwbare en effectieve mengtechniek die voldoende energie toevoert om agglomeraten op te breken, zodat de eigenschappen van deeltjes op nanoschaal tot hun recht komen. Sonicatoren staan bekend als krachtige en betrouwbare dispergeerapparaten en worden daarom gebruikt om diverse materialen zoals aluminiumoxide, nanobuizen, grafeen, mineralen en vele andere materialen te deagglomereren en homogeen te verdelen in een vloeibare fase zoals minerale, synthetische of plantaardige oliën. Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert ultrasone dispergeerapparaten met hoge prestaties voor alle soorten homogenisatie- en deagglomeratietoepassingen.
Neem nu contact met ons op voor meer informatie over ultrasone dispersie van nanoadditieven in smeermiddelen!
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500mL | 10 tot 200mL/min | UP100H |
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150L | 3 tot 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | hoger | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties voor mengtoepassingen, dispersie, emulgering en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
PTFE-nanosmeermiddelen 7 dagen na bereiding (A: basisolie, B: PTFE-nanosmeermiddel met 1 uur sonicatie, C: PTFE-nanosmeermiddel met 30 min. sonicatie).
(Studie en afbeelding: © Kumar et al., 2013)
Effect van sonicatie op de dispersiestabiliteit van Al2O3 in smeermiddelen.
(Studie en grafiek: © Sharif et al., 2017)
Wetenswaardigheden
Wat zijn smeermiddelen?
De belangrijkste toepassing van smeermiddelen of smeeroliën is het verminderen van wrijving en slijtage door mechanisch contact, evenals van warmte. Afhankelijk van hun gebruik en samenstelling worden smeermiddelen onderverdeeld in motoroliën, transmissievloeistoffen, hydraulische vloeistoffen, tandwieloliën en industriële smeermiddelen.
Daarom worden smeermiddelen veelvuldig gebruikt in motorvoertuigen en in industriële machines. Om een goede smering te bieden, bevatten smeeroliën doorgaans 90% basisolie (meestal aardoliefracties, d.w.z. minerale oliën) en minder dan 10% additieven. Wanneer minerale oliën worden vermeden, kunnen plantaardige oliën of synthetische vloeistoffen zoals gehydrogeneerde polyolefinen, esters, siliconen, fluorkoolstoffen en vele andere als alternatieve basisoliën worden gebruikt. De belangrijkste toepassing van smeermiddelen is het verminderen van wrijving en slijtage door mechanisch contact, evenals het verlagen van wrijvingswarmte en energieverliezen. Daarom worden smeermiddelen veelvuldig gebruikt in motorvoertuigen en in industriële machines.
Antioxidatieve stoffen zoals aminische en fenolische primaire antioxidanten, natuurlijke zuren, peroxideontleders en pyrazinen verlengen de levensduur van smeermiddelen door de oxidatiebestendigheid te verhogen. Daardoor wordt de basisolie beschermd tegen afbraak door warmte, doordat thermo-oxidatieve afbraak in geringere mate en vertraagd optreedt.
Soorten smeermiddelen
Vloeibare smeermiddelen: Vloeibare smeermiddelen zijn doorgaans gebaseerd op één type basisolie. Aan deze basisolie worden vaak andere stoffen toegevoegd om de functionaliteit en prestaties te verbeteren. Typische additieven zijn bijvoorbeeld water, minerale olie, lanoline, plantaardige of natuurlijke olie, nanoadditieven enz.
De meeste smeermiddelen zijn vloeistoffen en kunnen naar hun oorsprong in twee groepen worden ingedeeld:
- Minerale oliën: minerale oliën zijn smeeroliën die uit ruwe aardolie worden geraffineerd.
- Synthetische oliën: synthetische oliën zijn smeeroliën die worden geproduceerd met verbindingen die kunstmatig worden gemodificeerd of uit gemodificeerde aardolie worden gesynthetiseerd.
Smeervet is een vast of halfvast smeermiddel dat bestaat uit een vloeibaar smeermiddel dat wordt ingedikt door er verdikkingsmiddelen in te dispergeren. Voor de productie van smeervet worden smeeroliën als basisoliën gebruikt en vormen deze het hoofdbestanddeel. Smeervet bevat ongeveer 70% tot 80% smeerolie.
Kruipende smeermiddelen en droge smeermiddelen zijn andere soorten, die voornamelijk voor nichetoepassingen worden gebruikt.
Biosmeermiddelen hebben voornamelijk betrekking op de basisvloeistof of het algehele milieuprofiel, en niet noodzakelijk op een biologische oorsprong van elk afzonderlijk additief. Biosmeermiddelen zijn doorgaans gebaseerd op plantaardige oliën, synthetische esters, oliën van plantaardige oorsprong of andere hernieuwbare/biologisch afbreekbare basismaterialen. Net als conventionele smeermiddelen hebben ze echter vaak nog steeds functionele additieven nodig om de bescherming tegen slijtage, oxidatiestabiliteit, corrosiebescherming, het viscositeitsgedrag en het draagvermogen te verbeteren. Dit betekent dat biosmeermiddelen breed worden gedefinieerd op basis van hernieuwbare oorsprong, biologische afbreekbaarheid, lage toxiciteit en milieuprestaties, in plaats van te vereisen dat elk additief biologisch is.
Lees meer over sonicatie voor formuleringen van biosmeermiddelen!
Nanoadditieven zoals hierboven bij wijze van voorbeeld vermeld, kunnen met ultrasone dispergeerapparaten met succes in smeermiddelen worden gemengd.
Literatuur / Referenties
- 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 produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.