Smeermiddelen met verbeterde functionaliteiten op basis van nanodeeltjes
Smeeroliën kunnen veel baat hebben bij nano-additieven die wrijving en slijtage helpen verminderen. Het is echter van cruciaal belang dat nanoadditieven zoals nanodeeltjes, grafeenmonolagen of core-shell nanosferen uniform en enkelvoudig gedispergeerd zijn in het smeermiddel. Ultrasone dispersie is een betrouwbare en efficiënte mengmethode gebleken, die zorgt voor een homogene verdeling van nanodeeltjes en aggregatie voorkomt.
Hoe kunnen nanoadditieven in smeervloeistoffen worden gedispergeerd? – Met ultrasoon geluid!
Het gebruik van nanoadditieven in smeermiddelen wordt beschouwd als een van de meest effectieve methoden om de tribologische eigenschappen te verbeteren door wrijving en slijtage te verminderen. Een dergelijke tribologische verbetering zorgt voor een aanzienlijke verbetering van energiebesparing en emissiereductie, waardoor de impact op het milieu afneemt.
De uitdaging van nano-verbeterde smeermiddelen ligt in het mengen: Nanomaterialen zoals nanodeeltjes of kristallijne nanocellulose vereisen gerichte mixers met hoge schuifkracht die de nanomaterialen gelijkmatig dispergeren en ontwarren tot afzonderlijke deeltjes. Ultrasoon mengen met krachtige ultrasone sondes creëert unieke energie-dichte velden en heeft bewezen superieur te zijn in de verwerking van nanomaterialen en is daarom 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 met ultrasone behandeling beter was dan die met mechanisch schudden en roeren. Omdat ultrasone cavitatie unieke energie-intensieve omstandigheden creëert, blinkt ultrasone sondebehandeling uit in effectiviteit en efficiëntie ten opzichte van conventionele dispersietechnieken.
Eigenschappen van nanodeeltjes zoals grootte, vorm en concentratie beïnvloeden hun tribologische eigenschappen. Hoewel de ideale nanogrootte afhankelijk is van het materiaal, hebben de meeste nanodeeltjes de hoogste functionaliteit 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 veel gebruikt als nanodeeltjes die de tribologische prestaties van smeermiddelen verbeteren. Andere additieven zijn asloze additieven, ionische vloeistoffen, boraatesters, anorganische nanomaterialen, van koolstof afgeleide nanostructuren zoals koolstofnanobuizen (CNT's), grafiet en grafeen. Specifieke additieven worden gebruikt om specifieke eigenschappen van smeeroliën te verbeteren. Zo bevatten slijtagebevorderende smeermiddelen additieven voor extreme druk zoals molybdeendisulfide, grafiet, gezwavelde olefinen en dialkyldithiocarbamaatcomplexen of antislijtage additieven zoals triarylfosfaten en zinkdialkyldithiofosfaat.
Ultrasone homogenisatoren van het probe-type zijn betrouwbare mixers en worden gebruikt voor de formulering van hoogwaardige smeermiddelen. Sonicatie staat bekend als superieur als het gaat om de bereiding van nanosuspensies en is zeer efficiënt voor de industriële productie van smeeroliën.
Industrieel ultrasoon mengsysteem voor de snelle dispersie van nanodeeltjes in smeeroliën.
- verbeterde tribologische prestaties
- uniforme integratie van nano-additieven
- smeermiddelen op basis van plantaardige olie
- bereiding van tribofilm
- vloeistoffen voor het vormen van plaatmetaal
- nanovloeistoffen voor verbeterde koelingsefficiëntie
- ionische vloeistoffen in smeermiddel op water- of oliebasis
- vloeistoffen voor brootsen
Ultrasone dispersie van aluminiumoxide (Al2O3) resulteert in een aanzienlijke verkleining van de deeltjesgrootte en een uniforme dispersie.
Productie van smeermiddelen met nanoadditieven
Voor de productie van nano-versterkte smeeroliën zijn geschikt nanomateriaal en een krachtige, efficiënte dispersietechniek van cruciaal belang. Zonder betrouwbare en langdurig stabiele nanodispersie kan er geen hoogwaardig smeermiddel worden vervaardigd.
Ultrasoon mengen en dispergeren is een gevestigde methode voor de productie van hoogwaardige smeermiddelen. De basisolie van smeermiddelen wordt versterkt met additieven zoals nanomaterialen, polymeren, corrosieremmers, antioxidanten en andere fijne aggregaten. Ultrasone schuifkrachten zijn zeer efficiënt in het verkrijgen van een zeer fijne deeltjesgrootteverdeling. Ultrasone (sonomechanische) krachten zijn in staat om zelfs primaire deeltjes te malen en worden toegepast om deeltjes te functionaliseren, zodat de resulterende nanodeeltjes superieure eigenschappen hebben (bijv. oppervlaktemodificatie, core-shell NP's, gedopeerde NP's).
Ultrasone high-shear mixers kunnen enorm helpen om smeermiddelen met hoge prestaties efficiënt te produceren!
Oliemengsel met zinkdialkyldithiofosfaat (ZDDP) en oppervlaktegemodificeerde PTFE-nanodeeltjes (PHGM) na ultrasone dispersie.
(Studie en foto: Sharma et al., 2017)
Nieuwe nanoadditieven in smeeroliën
Er worden nieuwe additieven van nanogrootte ontwikkeld om de functionaliteit en prestaties van smeeroliën en vetten verder te verbeteren. Zo worden bijvoorbeeld cellulose nanokristallen (CNC's) onderzocht en getest voor de formulering van groene smeermiddelen. Zakani et al. (2022) toonden aan dat – in vergelijking met niet-gesoniseerde smeersuspensies – CNC-smeermiddelen met ultrasoonbehandeling konden de COF (wrijvingscoëfficiënt) en slijtage met respectievelijk bijna 25 en 30% verminderen. De resultaten van dit onderzoek suggereren dat ultrasone behandeling de smeerprestaties van CNC waterige suspensies aanzienlijk kan verbeteren.
Ultrasone dispergeerders met hoge prestaties voor de productie van smeermiddelen
Wanneer nanoadditieven worden gebruikt in industriële productieprocessen zoals de productie van smeeroliën, is het van cruciaal belang dat droge poeders (d.w.z. nanomaterialen) homogeen worden gemengd in een vloeibare fase (smeerolie). Voor de dispersie van nanodeeltjes is een betrouwbare en effectieve mengtechniek nodig, die voldoende energie gebruikt om agglomeraten te breken zodat de kwaliteiten van nanodeeltjes optimaal tot hun recht komen. Ultrasone trilnaalden staan bekend als krachtige en betrouwbare dispergeerders en worden daarom gebruikt om verschillende materialen zoals aluminiumoxide, nanobuisjes, grafeen, mineralen en vele andere materialen homogeen te deagglomereren en te verdelen in een vloeibare fase zoals minerale, synthetische of plantaardige oliën. Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert hoogwaardige ultrasone dispergeerapparaten voor alle soorten homogenisatie- en deagglomeratietoepassingen.
Neem nu contact met ons op voor meer informatie over ultrasone dispersie van nano-additieven in smeermiddelen!
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150 liter | 3 tot 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
PTFE-nanosmeermiddelen na 7 dagen bereiding (A: basisolie, B: PTFE-nanosmeermiddel met 1 uur ultrasoonbehandeling, C: PTFE-nanosmeermiddel met 30 minuten ultrasoonbehandeling).
(Studie en foto: © Kumar et al., 2013)
Effect van ultrasoonbehandeling op de dispersiestabiliteit van Al2O3 in smeermiddelen.
(Studie en grafiek: © Sharif et al., 2017)
Wetenswaardigheden
Wat zijn smeermiddelen?
Het belangrijkste gebruik van smeermiddelen of smeeroliën is het verminderen van wrijving en slijtage door mechanisch contact en warmte. Afhankelijk van hun gebruik en samenstelling worden smeermiddelen onderverdeeld in motoroliën, transmissievloeistoffen, hydraulische vloeistoffen, tandwieloliën en industriële smeermiddelen.
Daarom worden smeermiddelen op grote schaal gebruikt in motorvoertuigen en industriële machines. Voor een goede smering bevatten smeeroliën meestal 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 worden gebruikt als alternatieve basisoliën. Het belangrijkste gebruik van smeermiddelen is het verminderen van wrijving en slijtage door mechanisch contact en het verlagen van wrijvingswarmte en energieverliezen. Daarom worden smeermiddelen op grote schaal gebruikt in motorvoertuigen en industriële machines.
Antioxidatieve stoffen zoals aminische en fenolische primaire antioxidanten, natuurlijke zuren, peroxide-afbrekers en pyrazines verlengen de levensduur van smeermiddelen door de oxidatieve weerstand te verhogen. Hierdoor wordt de basisolie beschermd tegen hitteafbraak omdat thermo-oxidatieve afbraak in gereduceerde en vertraagde vorm plaatsvindt.
Soorten smeermiddelen
Vloeibare smeermiddelen: Vloeibare smeermiddelen zijn meestal gebaseerd op één soort basisolie. Aan deze basisolie worden vaak stoffen toegevoegd om de functionaliteit en prestaties te verbeteren. Typische additieven zijn bijvoorbeeld water, minerale olie, lanoline, plantaardige of natuurlijke olie, nano-additieven enz.
De meeste smeermiddelen zijn vloeistoffen en kunnen op basis van hun herkomst in twee groepen worden ingedeeld:
- Minerale oliën: Minerale oliën zijn smeeroliën geraffineerd uit ruwe olie.
- Synthetische oliën: Synthetische oliën zijn smeeroliën die worden vervaardigd met behulp van verbindingen die kunstmatig zijn gemodificeerd of gesynthetiseerd uit gemodificeerde aardolie.
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 basisolie gebruikt, die het hoofdingrediënt vormen. Smeervet bevat ongeveer 70% tot 80% smeerolie.
Doordringende smeermiddelen en droge smeermiddelen zijn andere types, die meestal worden toegepast voor nichetoepassingen.
Nano-additieven zoals hierboven genoemd kunnen met succes in smeermiddelen worden gemengd met behulp van ultrasone dispergeerders.
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 hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.