Nanosmeermiddelen verbeterd door ultrasone dispersie

De integratie van nanoadditieven in smeermiddelformuleringen vormt een van de belangrijkste ontwikkelingen in de tribologie van de afgelopen jaren. Onderzoekers en procesingenieurs staan echter voor een aanhoudende uitdaging: deeltjes op nanoschaal homogeen dispergeren in viskeuze basisoliën zonder hun structurele integriteit aan te tasten. Traditionele mengmethoden slagen er vaak niet in agglomeraten effectief af te breken, wat resulteert in wisselende productprestaties en beperkte opslagstabiliteit.

De oplossing: ultrasone dispersie van nanoadditieven in smeermiddelformuleringen

Ultrasoon geluid met hoog vermogen is de superieure oplossing voor deze dispersieproblemen. Door gebruik te maken van de principes van akoestische cavitatie creëert ultrasone apparatuur afwisselend hogedruk- en lagedrukcycli in vloeibare media. Tijdens de lagedrukcyclus ontstaan kleine vacuümbellen in de vloeistof. Wanneer deze bellen hun maximale volume bereiken en geen energie meer kunnen opnemen, imploderen ze met grote kracht tijdens de hogedrukcyclus. Deze implosie veroorzaakt plaatselijk extreme omstandigheden – temperaturen die ongeveer 5000 Kelvin bereiken en drukken van meer dan 1000 atmosfeer – die clusters van nanodeeltjes effectief deagglomereren en een uniforme verdeling in de gehele smeermiddelmatrix waarborgen.
Voor procesingenieurs betekent dit het verschil tussen een smeermiddel dat binnen enkele weken bezinkt en ontmengt en een smeermiddel dat zijn prestatieprofiel gedurende de volledige levensduur van het onderdeel behoudt.

Casestudy: met stikstof gedoteerde bamboeachtige koolstofnanobuisjes in geleidende smeervetten

Een overtuigend voorbeeld van de effectiviteit van ultrasone technologie bij de productie van smeermiddelen komt uit onderzoek dat is gepubliceerd in het Journal of Materials Research and Technology (2019). De studie, getiteld “Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants”, laat zien hoe de homogenisator met sonde Hielscher UIP1000hdT (340 W, 2 min verwerkingstijd) de productie van homogene, stabiele en elektrisch geleidende lagervetten mogelijk maakte.
De onderzoekers gebruikten bamboevormige koolstofnanobuisjes (BCNT’s) als geleidende additieven voor smeervetten. Door de opname van stikstof in de grafietstructuur van de zijwanden van de nanobuisjes ontstonden buitengewone elektronische en structurele eigenschappen, die leidden tot uitstekend adsorptiegedrag en uitstekende elektrische geleidbaarheid. Koolstofnanobuisjes zijn opmerkelijke elektrisch geleidende materialen met een nanostructuur, en hun elektronische eigenschappen kunnen gericht worden afgestemd door stikstofatomen op te nemen met behulp van doteringstechnieken.
De resultaten onderstrepen de kracht van ultrasone dispersie:

Deze casestudy dient als technisch haalbaarheidsbewijs: wanneer het juiste nanomateriaal de juiste ultrasone energie ontvangt, behaalt het resulterende smeermiddel prestatiecijfers die voorheen als onbereikbaar met conventionele mengmethoden werden beschouwd.

Belangrijk kenmerk van ultrasone nanodispersie in smeermiddelen

De ultrasone dispersiemethode levert uitzonderlijke resultaten op die het industriële potentieel ervan bevestigen:

• Minimale benodigde hoeveelheden additieven: Relatief kleine hoeveelheden BCNT’s, met name 1,5 wt%, zijn voldoende om een goede elektrische geleidbaarheid van smeervetten van meer dan 14 mS te bereiken. De monsters met nanobuisjes vertonen bij stationaire metingen een goede elektrische geleidbaarheid van 7 tot 18,5 mS.
• Verbeterde prestaties tijdens bedrijf: Metingen van de elektrische geleidbaarheid tijdens de daadwerkelijke werking van kogellagers laten nog hogere waarden zien, met een geregistreerd maximum van 31,5 mS voor de formulering met 3% BCNT. De geleidbaarheid neemt in alle gevallen toe ten opzichte van metingen in stationaire toestand, wat erop wijst dat mechanische belasting tijdens bedrijf de geleidende paden verder verbetert.
• Superieure wrijvingsprestaties: De monsters met 1,5 wt% BCNT bereiken efficiënte wrijvingseigenschappen, met wrijvingsmomenten van 6,1 en 5,1 Nmm. Dit toont aan dat een optimale additiefconcentratie de geleidbaarheid en de mechanische prestaties in evenwicht brengt.
• Verbeterde thermische stabiliteit: De toevoeging van siliconenolie met hoge viscositeit (5000 mm²/s) en pyrogeen silica als verdikkingsmiddelen verhoogt het druppelpunt tot boven 150°C, waarmee een cruciale beperking bij toepassingen bij hoge temperaturen wordt aangepakt.
• Geoptimaliseerde formuleringen: De PDMS-basisolie met 3% BCNT en 1,0% colloïdaal SiO₂ en een viscositeit van 50 mm/s bleek zeer geschikt voor de belasting van kogellagers en combineerde geleidbaarheid met mechanische robuustheid.

Ultrasone technologie: het voordeel van industriële opschaling

Hoewel ontwikkeling op laboratoriumschaal met de Hielscher UIP1000hdT de haalbaarheid aantoont, ligt de werkelijke waarde voor industriële toepassingen in de lineaire schaalbaarheid. Sonicators van Hielscher bieden een uniek voordeel dankzij hun vermogen tot lineaire opschaling, waardoor een naadloze overgang mogelijk is van verwerking op een laboratoriumtafel voor R&D naar inlineproductie van grote volumes.
Voor industriële implementatie kunnen procesingenieurs het model UIP4000hdT van 4kW, de sonicator UIP6000hdT van 6kW of de krachtige UIP16000hdT van 16kW gebruiken, uitgerust met gespecialiseerde doorstroomcellen. Deze aanpak voor lineaire opschaling zorgt ervoor dat formuleringen die op laboratoriumschaal zijn ontwikkeld, bij vervaardiging op productieschaal identieke dispersiekwaliteit en eigenschappen van de deeltjesverdeling behouden. De consistentie die met ultrasone verwerking wordt bereikt, elimineert de variatie tussen batches die conventionele mengmethoden parten speelt. Dit is bijzonder cruciaal voor toepassingen van smeermiddelen met hoge prestaties in de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en de sector voor precisiemachines.

Waarom ultrasone behandeling belangrijk is voor innovatie in smeermiddelen

De voordelen van ultrasone dispersie van nanoadditieven gaan verder dan alleen mengefficiëntie. De technologie maakt het volgende mogelijk:

1. Hogere additiefgehalten: Hogere concentraties nanoadditieven kunnen zonder agglomeratie worden opgenomen, waardoor de prestatievoordelen worden gemaximaliseerd.
2. Verbeterde opslagstabiliteit: Homogene dispersies voorkomen sedimentatie en fasescheiding gedurende lange opslagperioden.
3. Consistente productkwaliteit: Elke productiebatch bereikt identieke dispersie-eigenschappen, wat cruciaal is voor toepassingen die strenge kwaliteitscontrole vereisen.
4. Kortere verwerkingstijd: Ultrasone cavitatie bereikt dispersie in minuten in plaats van de uren die traditionele methoden vereisen.
5. Veelzijdigheid voor uiteenlopende formuleringen: De technologie werkt met verschillende basisoliën, verdikkingsmiddelen en soorten additieven, wat flexibiliteit biedt bij de ontwikkeling van formuleringen.

Ultrasone dispergeerders met sonde produceren biosmeermiddelen met hoge prestaties.
(Studie en afbeelding: Liu et al., 2020)

Verbeter uw productie van nanosmeermiddelen met ultrasone dispersie

De integratie van ultrasone technologie in productieprocessen voor smeermiddelen betekent een paradigmaverschuiving in de manier waarop nanoadditieven in smeermiddelformuleringen worden opgenomen. Zoals blijkt uit de succesvolle ontwikkeling van elektrisch geleidende smeervetten met behulp van met stikstof gedoteerde bamboeachtige koolstofnanobuisjes, levert ultrasone behandeling met hoge energie homogene, stabiele dispersies met uitzonderlijke prestatiekenmerken op. Dankzij de mogelijkheid tot lineaire opschaling van Hielscher, van de tafelsonicator UIP1000hdT tot industriële inlinesonicators zoals de UIP4000hdT, UIP6000hdT en UIP16000hdT met doorstroomcellen, kunnen onderzoekers en procesingenieurs met vertrouwen de overstap maken van ontdekkingen tijdens R&D naar commerciële productie. Daarbij is gewaarborgd dat de innovatie die in het laboratorium is bereikt, in de fabriek identiek presteert.
De toekomst van smeermiddeltechnologie ligt niet alleen in de ontwikkeling van nieuwe nanoadditieven, maar ook in de beheersing van dispersietechnieken die hun volledige potentieel ontsluiten. Ultrasone verwerking vormt de brug tussen wetenschappelijke ontdekkingen en industriële toepassing en maakt de volgende generatie smeermiddelen met hoge prestaties voor veeleisende industriële toepassingen mogelijk.

 
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasone apparaten:

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland

Ultrasone apparaten van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Dankzij robuustheid en eenvoudige bediening kunnen onze ultrasone apparaten soepel in industriële installaties worden geïntegreerd. Ultrasone apparaten van Hielscher kunnen moeiteloos omgaan met zware omstandigheden en veeleisende omgevingen.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op ultrasone apparaten met hoge prestaties met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Vanzelfsprekend voldoen de ultrasone apparaten van Hielscher aan de CE-voorschriften en aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

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.
• Kałużny Jarosł, Waligórski M, Szymański GM, Merkisz J, Różański J, Nowicki M, Al Karawi M, Kempa K. (2020): Reducing friction and engine vibrations with trace amounts of carbon nanotubes in the lubricating oil. Tribology International 2020.
• 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.
• Li J, Du C, Delgado MA, et al. (2026): The application of nanocellulose in eco-friendly lubricants: A review. Friction, 2026.