Nanosmeermiddelen verbeterd door ultrasone dispersie

De integratie van nano-additieven in smeermiddelformuleringen is een van de belangrijkste ontwikkelingen op het gebied van tribologie van de afgelopen jaren. Onderzoekers en procesingenieurs staan echter voor een hardnekkige uitdaging: het bereiken van een homogene verspreiding van deeltjes op nanoschaal in viskeuze basisoliën, zonder dat de structurele integriteit daarvan wordt aangetast. Traditionele mengmethoden slagen er vaak niet in agglomeraten effectief af te breken, wat leidt tot inconsistente productprestaties en een beperkte houdbaarheid.

De oplossing: dispersie van nano-additieven met behulp van ultrasone trillingen in smeermiddelformuleringen

Krachtige ultrasone golven bieden de beste oplossing voor deze dispersieproblemen. Door gebruik te maken van de principes van akoestische cavitatie, wekken ultrasone apparaten afwisselende cycli van hoge en lage druk op in vloeibare media. Tijdens de lagedrukcyclus vormen zich kleine vacuümbellen in de vloeistof. Wanneer deze bellen hun maximale volume bereiken en geen energie meer kunnen opnemen, storten ze tijdens de hogedrukcyclus met grote kracht in. Deze instorting leidt tot plaatselijke extreme omstandigheden – temperaturen tot ongeveer 5000 Kelvin en drukken van meer dan 1000 atmosfeer – die ervoor zorgen dat clusters van nanodeeltjes effectief worden ontklonterd en dat ze gelijkmatig over de smeermiddelmatrix worden verdeeld.
Voor procesingenieurs betekent dit het verschil tussen een smeermiddel dat binnen enkele weken bezinkt en zich afscheidt, en een smeermiddel dat zijn prestatieprofiel gedurende de gehele levensduur van het onderdeel behoudt.

Casestudie: Met stikstof gedoteerde, bamboe-achtige koolstofnanobuisjes in geleidende smeermiddelen

Een treffend voorbeeld van de doeltreffendheid van ultrasone technologie bij de productie van smeermiddelen komt uit een onderzoek dat is gepubliceerd in het Journal of Materials Research and Technology (2019). De studie, getiteld “Toepassing van met stikstof gedoteerde bamboe-achtige koolstofnanobuisjes voor de ontwikkeling van elektrisch geleidende smeermiddelen,” laat zien hoe met behulp van de Hielscher UIP1000hdT-homogenisator met sonde (340 W, verwerkingstijd van 2 minuten) homogene, stabiele en elektrisch geleidende lagervetten konden worden geproduceerd.
De onderzoekers gebruikten bamboevormige koolstofnanobuisjes (BCNT’s) als geleidende additieven voor smeervetten. Door de opname van stikstof in de grafietachtige structuur van de zijwanden van de nanobuisjes ontstonden buitengewone elektronische en structurele eigenschappen, wat leidde tot uitstekend adsorptiegedrag en elektrische geleidbaarheid. Koolstofnanobuisjes zijn opmerkelijke, elektrisch geleidende materialen met een nanostructuur, en hun elektronische eigenschappen kunnen specifiek worden afgestemd door stikstofatomen in te brengen via doteringstechnieken.
De resultaten onderstrepen de kracht van ultrasone dispersie:

Deze casestudy dient als technisch bewijs van het concept: wanneer het juiste nanomateriaal wordt gecombineerd met de juiste ultrasone energie, bereikt het resulterende smeermiddel prestatiewaarden die voorheen met conventionele mengmethoden als onhaalbaar werden beschouwd.

Belangrijkste kenmerk van ultrasone nanodispersie in smeermiddelen

De ultrasone dispersiemethode levert uitzonderlijke resultaten op, wat het industriële potentieel ervan bevestigt:

• Minimale eisen aan additieven: Relatief kleine hoeveelheden BCNT’s, namelijk 1,5 gew.%, volstaan om een goede elektrische geleidbaarheid van smeervetten van meer dan 14 mS te bereiken. De monsters die nanobuisjes bevatten, vertonen bij stationaire metingen een goede elektrische geleidbaarheid die varieert van 7 tot 18,5 mS.
• Verbeterde prestaties tijdens het gebruik: Metingen van de elektrische geleidbaarheid tijdens daadwerkelijke werking van de kogellagers laten nog hogere waarden zien, met een maximum van 31,5 mS gemeten bij de 3% BCNT-formulering. De geleidbaarheid neemt in alle gevallen toe ten opzichte van metingen in rusttoestand, wat erop wijst dat mechanische belasting tijdens het gebruik de geleidingswegen verder verbetert.
• Uitstekende wrijvingsprestaties: De monsters met een BCNT-gehalte van 1,5 gew.% vertonen efficiënte wrijvingseigenschappen, met wrijvingskoppelwaarden van 6,1 en 5,1 Nmm. Hieruit blijkt dat bij een optimale additiefconcentratie een evenwicht wordt gevonden tussen geleidbaarheid en mechanische prestaties.
• Verbeterde thermische stabiliteit: Door toevoeging van siliconenolie met een hoge viscositeit (5000 mm²/s) en pyrogeen siliciumdioxide als verdikkingsmiddelen wordt het druppelpunt verhoogd tot boven 150 °C, waardoor een cruciale beperking bij toepassingen bij hoge temperaturen wordt verholpen.
• Geoptimaliseerde samenstellingen: De PDMS-basisolie met 3% BCNT en 1,0% colloïdaal SiO₂, met een viscositeit van 50 mm/s, bleek zeer geschikt voor het vullen van kogellagers, waarbij geleidbaarheid werd gecombineerd met mechanische robuustheid.

Ultrasoon: het voordeel van opschaling op industriële schaal

Hoewel de ontwikkeling op laboratoriumschaal met behulp van de Hielscher UIP1000hdT het concept aantoont, ligt de werkelijke waarde voor industriële toepassingen in de lineaire schaalbaarheid. De sonicators van Hielscher bieden een uniek voordeel dankzij hun lineaire opschaalbaarheid, waardoor een naadloze overgang van R&Van verwerking op een werkbank naar inline-productie van grote volumes.
Voor industriële toepassing kunnen procesingenieurs gebruikmaken van het 4 kW-model UIP4000hdT, de 6 kW-sonicator UIP6000hdT of de krachtige 16 kW UIP16000hdT, uitgerust met gespecialiseerde doorstroomcellen. Deze lineaire opschalingsaanpak zorgt ervoor dat formuleringen die op laboratoriumschaal zijn ontwikkeld, dezelfde dispersiekwaliteit en deeltjesverdelingskenmerken behouden wanneer ze op productieschaal worden vervaardigd. De consistentie die door ultrasone verwerking wordt bereikt, elimineert de variabiliteit tussen batches die bij conventionele mengmethoden vaak voorkomt, wat met name van cruciaal belang is voor hoogwaardige smeermiddeltoepassingen in de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en de sector van precisiemachines.

Waarom ultrasone behandeling belangrijk is voor innovatie op het gebied van smeermiddelen

De voordelen van de dispersie van nano-additieven met behulp van ultrasone trillingen reiken verder dan alleen een efficiënte menging. Deze technologie maakt het volgende mogelijk:

1. Verhoogde toevoeging van additieven: Er kunnen hogere concentraties nano-additieven worden toegevoegd zonder dat er agglomeratie optreedt, waardoor de prestatievoordelen worden gemaximaliseerd.
2. Verbeterde houdbaarheid: Homogene dispersies voorkomen bezinking en fasescheiding tijdens langdurige opslag.
3. Constante productkwaliteit: Elke productiebatch vertoont identieke dispersie-eigenschappen, wat van cruciaal belang is voor toepassingen waarbij strenge kwaliteitscontrole vereist is.
4. Kortere verwerkingstijd: Met ultrasone cavitatie wordt de dispersie binnen enkele minuten bereikt, in plaats van de uren die bij traditionele methoden nodig zijn.
5. Veelzijdigheid in verschillende samenstellingen: De technologie is geschikt voor diverse basisoliën, verdikkingsmiddelen en soorten additieven, wat flexibiliteit biedt bij de ontwikkeling van formuleringen.

Met ultrasone dispersers van het sondetype worden hoogwaardige biosmeermiddelen geproduceerd.
(Onderzoek 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 nano-additieven in smeermiddelformuleringen worden verwerkt. Zoals blijkt uit de succesvolle ontwikkeling van elektrisch geleidende vetten met behulp van met stikstof gedoteerde, bamboe-achtige koolstofnanobuisjes, levert hoogenergetische ultrasone behandeling homogene, stabiele dispersies op met uitzonderlijke prestatiekenmerken. Dankzij Hielschers lineaire opschaalbaarheid, van de tafelmodel-sonicator UIP1000hdT tot industriële inline-sonicatormodellen zoals de UIP4000hdT, UIP6000hdT en UIP16000hdT met doorstroomcellen, kunnen onderzoekers en procesingenieurs vol vertrouwen de overstap maken van R&Van onderzoek tot commerciële productie, waarbij wordt gewaarborgd dat de in het laboratorium ontwikkelde innovatie in de fabriek precies hetzelfde presteert.
De toekomst van de smeermiddeltechnologie ligt niet alleen in de ontwikkeling van nieuwe nano-additieven, maar ook in het beheersen van de dispersietechnieken waarmee hun volledige potentieel kan worden benut. Ultrasone verwerking vormt de brug tussen wetenschappelijke ontdekkingen en industriële toepassingen, waardoor de volgende generatie hoogwaardige smeermiddelen voor veeleisende industriële toepassingen mogelijk wordt.

 
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany

Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

Literatuur / Referenties