Środki smarne o właściwościach funkcjonalnych ulepszonych dzięki nanocząstkom
Oleje smarowe mogą znacznie zyskać dzięki nanododatkom, które pomagają zmniejszyć tarcie i zużycie. Kluczowe jest jednak, aby nanododatki, takie jak nanocząstki, monowarstwy grafenu lub nanosfery typu rdzeń–powłoka, były równomiernie rozproszone w środku smarnym w postaci pojedynczych cząstek. Dyspersja ultradźwiękowa okazała się niezawodną i wydajną metodą mieszania, zapewniającą jednorodne rozmieszczenie nanocząstek i zapobiegającą agregacji.
Jak dyspergować nanododatki w płynach smarowych? – Za pomocą ultradźwięków!
Stosowanie nanododatków w środkach smarnych uważa się za jedną z najskuteczniejszych metod poprawy właściwości tribologicznych, zmniejszającą tarcie i zużycie. Taka poprawa właściwości tribologicznych znacznie zwiększa oszczędność energii i redukcję emisji, zmniejszając tym samym wpływ na środowisko.
Wyzwaniem w przypadku środków smarnych ulepszonych nanododatkami jest mieszanie: nanomateriały, takie jak nanocząstki lub krystaliczna nanoceluloza, wymagają mieszalników wytwarzających skoncentrowane, wysokie siły ścinające, które równomiernie dyspergują nanomateriały i rozdzielają je na pojedyncze cząstki. Sonikacja z użyciem sonotrod ultradźwiękowych dużej mocy, tworząca wyjątkowe pola o dużej gęstości energii, wykazała przewagę w przetwarzaniu nanomateriałów i dlatego jest uznaną metodą wytwarzania nanodyspersji.
Molseh et al. (2009) wykazali, że stabilność dyspersji trzech różnych rodzajów nanocząstek (dwusiarczku molibdenu (MoS2), dwusiarczku wolframu (WS2) i heksagonalnego azotku boru (hBN)) w CIMFLO 20 po obróbce ultradźwiękowej była lepsza niż po mechanicznym wytrząsaniu i mieszaniu. Ponieważ kawitacja ultradźwiękowa tworzy wyjątkowe warunki o dużej gęstości energii, sonikacja z użyciem sonotrody przewyższa konwencjonalne techniki dyspergowania pod względem skuteczności i wydajności.
Cechy nanocząstek, takie jak wielkość, kształt i stężenie, wpływają na ich właściwości tribologiczne. Chociaż idealna wielkość w skali nano zależy od materiału, większość nanocząstek wykazuje najwyższe właściwości funkcjonalne w zakresie od dziesięciu do stu nanometrów. Idealne stężenie nanododatków w oleju smarowym wynosi przeważnie 0,1–5,0% .
Nanocząstki tlenków, takich jak Al2O3, CuO lub ZnO, są szeroko stosowane jako nanocząstki poprawiające właściwości tribologiczne środków smarnych. Inne dodatki obejmują dodatki bezpopiołowe, ciecze jonowe, estry kwasu borowego, nanomateriały nieorganiczne oraz nanostruktury węglowe, takie jak nanorurki węglowe (CNTs), grafit i grafen. Poszczególne dodatki stosuje się w celu poprawy określonych właściwości olejów smarowych. Na przykład środki smarne zapobiegające zużyciu zawierają dodatki do pracy przy ekstremalnych naciskach, takie jak dwusiarczek molibdenu, grafit, siarkowane olefiny i kompleksy dialkiloditiokarbaminianowe, lub dodatki przeciwzużyciowe, takie jak fosforany triarylowe i dialkiloditiofosforan cynku.
Homogenizatory ultradźwiękowe z sonotrodą są niezawodnymi mieszalnikami i służą do opracowywania wysokowydajnych środków smarnych. Sonikacja, znana ze swojej przewagi w przygotowywaniu zawiesin cząstek o rozmiarach nanometrycznych, jest wysoce wydajna w przemysłowej produkcji olejów smarowych.
Dowiedz się więcej o dyspergatorach ultradźwiękowych do produkcji nanośrodków smarnych!
Przemysłowy ultradźwiękowy system mieszający do dyspergowania nanocząstek w olejach smarowych z dużą wydajnością przetwarzania.
- ulepszone właściwości tribologiczne
- równomierne wprowadzanie nanododatków
- środki smarne na bazie olejów roślinnych
- wytwarzanie tribofilmu
- płyny do formowania blach
- nanopłyny zapewniające lepszą skuteczność chłodzenia
- ciecze jonowe w środkach smarnych na bazie wody lub oleju
- płyny do przeciągania
Dyspersja ultradźwiękowa tlenku glinu (Al2O3) prowadzi do znacznego zmniejszenia wielkości cząstek i równomiernego rozproszenia.
Produkcja środków smarnych z nanododatkami
W produkcji olejów smarowych wzmacnianych nanododatkami kluczowe znaczenie mają odpowiedni nanomateriał oraz skuteczna, wydajna technika dyspergowania. Bez niezawodnej i długotrwale stabilnej nanodyspersji nie można wyprodukować wysokowydajnego środka smarnego.
Mieszanie i dyspergowanie ultradźwiękowe to uznana metoda produkcji wysokowydajnych środków smarnych. Olej bazowy środków smarnych wzbogaca się dodatkami, takimi jak nanomateriały, polimery, inhibitory korozji, przeciwutleniacze i inne drobne agregaty. Ultradźwiękowe siły ścinające bardzo wydajnie zapewniają rozkład wielkości cząstek w zakresie bardzo małych rozmiarów. Siły ultradźwiękowe (sonomechaniczne) są zdolne do rozdrabniania nawet cząstek pierwotnych i są stosowane do funkcjonalizacji cząstek, dzięki czemu powstałe nanocząstki oferują lepsze właściwości (np. modyfikacja powierzchni, nanocząstki typu rdzeń–powłoka, domieszkowane nanocząstki).
Mieszalniki ultradźwiękowe o wysokich siłach ścinających mogą znacznie pomóc w wydajnej produkcji wysokowydajnych środków smarnych!
Mieszanina olejowa z dialkiloditiofosforanem cynku (ZDDP) i nanocząstkami PTFE o zmodyfikowanej powierzchni (PHGM) po dyspersji ultradźwiękowej.
(Badanie i zdjęcie: Sharma et al., 2017)
Nowatorskie nanododatki w olejach smarowych
Nowatorskie dodatki o rozmiarach nanometrycznych są opracowywane w celu dalszej poprawy właściwości funkcjonalnych i parametrów użytkowych olejów smarowych oraz smarów plastycznych. Na przykład nanokryształy celulozy (CNCs) są badane i testowane pod kątem opracowywania ekologicznych środków smarnych. Zakani et al. (2022) wykazali, że – w porównaniu z zawiesinami smarowymi niepoddanymi sonikacji – środki smarne z CNC poddane sonikacji mogły zmniejszyć COF (współczynnik tarcia) i zużycie odpowiednio o niemal 25 i 30%. Wyniki tego badania sugerują, że obróbka ultradźwiękowa może znacznie poprawić właściwości smarne wodnych zawiesin CNC.
Wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do produkcji środków smarnych
Gdy nanododatki są stosowane w przemysłowych procesach produkcyjnych, takich jak produkcja olejów smarowych, kluczowe jest jednorodne wymieszanie suchych proszków (tj. nanomateriałów) z fazą ciekłą (olejem smarowym). Dyspergowanie nanocząstek wymaga niezawodnej i skutecznej techniki mieszania, która dostarcza wystarczającą ilość energii do rozbicia aglomeratów, aby uwolnić właściwości cząstek o rozmiarach nanometrycznych. Sonikatory są dobrze znane jako skuteczne i niezawodne dyspergatory, dlatego stosuje się je do deaglomeracji i jednorodnego rozprowadzania różnych materiałów, takich jak tlenek glinu, nanorurki, grafen, minerały i wiele innych, w fazie ciekłej, takiej jak oleje mineralne, syntetyczne lub roślinne. Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do wszelkiego rodzaju zastosowań związanych z homogenizacją i deaglomeracją.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby dowiedzieć się więcej o dyspersji ultradźwiękowej nanododatków w środkach smarnych!
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji w skali laboratoryjnej, pilotażowej i przemysłowej.
Nanośrodki smarne z PTFE po 7 dniach od przygotowania (A: olej bazowy, B: nanośrodek smarny z PTFE po sonikacji przez 1 hr, C: nanośrodek smarny z PTFE po sonikacji przez 30 min.).
(Badanie i zdjęcie: © Kumar et al., 2013)
Wpływ sonikacji na stabilność dyspersji Al2O3 w środkach smarnych.
(Badanie i grafika: © Sharif et al., 2017)
Warto wiedzieć
Czym są środki smarne?
Głównym zastosowaniem środków smarnych lub olejów smarowych jest zmniejszanie tarcia i zużycia wynikających z kontaktu mechanicznego, a także ograniczanie wydzielania ciepła. W zależności od zastosowania i składu środki smarne dzielą się na oleje silnikowe, płyny do układów przeniesienia napędu, płyny hydrauliczne, oleje przekładniowe i przemysłowe środki smarne.
Dlatego środki smarne są szeroko stosowane zarówno w pojazdach silnikowych, jak i w maszynach przemysłowych. Aby zapewnić dobre smarowanie, oleje smarowe zazwyczaj zawierają 90% oleju bazowego (głównie frakcji ropy naftowej, tj. olejów mineralnych) i mniej niż 10% dodatków. Gdy unika się olejów mineralnych, jako alternatywne oleje bazowe można stosować oleje roślinne lub ciecze syntetyczne, takie jak uwodornione poliolefiny, estry, silikony, fluorowęglowodory i wiele innych. Głównym zastosowaniem środków smarnych jest zmniejszanie tarcia i zużycia wynikających z kontaktu mechanicznego, a także ograniczanie ciepła tarcia i strat energii. Dlatego środki smarne są szeroko stosowane zarówno w pojazdach silnikowych, jak i w maszynach przemysłowych.
Substancje przeciwutleniające, takie jak pierwotne przeciwutleniacze aminowe i fenolowe, kwasy naturalne, substancje rozkładające nadtlenki i pirazyny, wydłużają okres użytkowania środków smarnych, zwiększając ich odporność na utlenianie. Dzięki temu olej bazowy jest chroniony przed degradacją cieplną, ponieważ rozkład termooksydacyjny zachodzi w mniejszym stopniu i z opóźnieniem.
Rodzaje środków smarnych
Ciekłe środki smarne: Ciekłe środki smarne zazwyczaj opierają się na jednym rodzaju oleju bazowego. Do tego oleju bazowego często dodaje się inne substancje w celu poprawy właściwości funkcjonalnych i parametrów użytkowych. Typowe dodatki obejmują na przykład wodę, olej mineralny, lanolinę, olej roślinny lub naturalny, nanododatki itp.
Większość środków smarnych to ciecze i można je podzielić według pochodzenia na dwie grupy:
- Oleje mineralne: oleje mineralne to oleje smarowe otrzymywane w procesie rafinacji ropy naftowej.
- Oleje syntetyczne: oleje syntetyczne to oleje smarowe wytwarzane z wykorzystaniem związków, które są sztucznie modyfikowane lub syntetyzowane ze zmodyfikowanej ropy naftowej.
Smar plastyczny jest stałym lub półstałym środkiem smarnym składającym się z ciekłego środka smarnego zagęszczonego przez zdyspergowanie w nim środków zagęszczających. Do produkcji smaru plastycznego wykorzystuje się oleje smarowe jako oleje bazowe, które stanowią jego główny składnik. Smar plastyczny zawiera około 70% do 80% oleju smarowego.
Penetrujące środki smarne i suche środki smarne to kolejne rodzaje, stosowane głównie w zastosowaniach niszowych.
Biośrodki smarne odnoszą się przede wszystkim do płynu bazowego lub ogólnego profilu środowiskowego, a niekoniecznie do biologicznego pochodzenia każdego pojedynczego dodatku. Biośrodki smarne zwykle bazują na olejach roślinnych, estrach syntetycznych, olejach pochodzenia roślinnego lub innych odnawialnych lub biodegradowalnych materiałach bazowych. Jednak, podobnie jak konwencjonalne środki smarne, często nadal wymagają dodatków funkcjonalnych poprawiających ochronę przed zużyciem, stabilność oksydacyjną, ochronę przed korozją, charakterystykę lepkości i zdolność przenoszenia obciążeń. Oznacza to, że biośrodki smarne definiuje się szeroko na podstawie odnawialnego pochodzenia, biodegradowalności, niskiej toksyczności i właściwości środowiskowych, zamiast wymagać, aby każdy dodatek miał pochodzenie biologiczne.
Dowiedz się więcej o sonikacji przy opracowywaniu formulacji biośrodków smarnych!
Nanododatki, takie jak przykładowo wymienione powyżej, można z powodzeniem mieszać ze środkami smarnymi za pomocą dyspergatorów ultradźwiękowych.
Literatura / Źródła
- 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 produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe o wielkościach od laboratoryjnych do przemysłowych.