Środki smarne o funkcjach ulepszonych nanocząsteczkami
Oleje smarowe mogą w znacznym stopniu korzystać z nanododatków, które pomagają zmniejszyć tarcie i zużycie. Kluczowe jest jednak, aby nanododatki, takie jak nanocząstki, monowarstwy grafenu lub nanosfery rdzeniowe były równomiernie i pojedynczo rozproszone w smarze. Dyspersja ultradźwiękowa została udowodniona jako niezawodna i skuteczna metoda mieszania, zapewniająca jednorodny rozkład nanocząstek i zapobiegająca agregacji.
Jak zdyspergować nanododatki w płynach smarujących? – Z ultradźwiękami!
Stosowanie nanododatków w środkach smarnych jest uważane za jedną z najskuteczniejszych metod poprawy właściwości trybologicznych, zmniejszających tarcie i zużycie. Taka poprawa właściwości trybologicznych znacznie zwiększa oszczędność energii, redukcję emisji, a tym samym zmniejsza wpływ na środowisko.
Wyzwanie związane z nanoulepszonymi środkami smarnymi polega na mieszaniu: Nanomateriały, takie jak nanocząstki lub krystaliczna nanoceluloza, wymagają skoncentrowanych mieszadeł o wysokiej ścinaniu, które równomiernie rozpraszają i rozdzielają nanomateriały na pojedyncze cząstki. Tworząc unikalne pola o dużej gęstości energii, ultradźwięki wykorzystujące sondy ultradźwiękowe o dużej mocy udowodniły swoją wyższość w przetwarzaniu nanomateriałów i tym samym są uznaną metodą nano-dyspersji.
Molseh et al. (2009) wykazali, że stabilność dyspersji trzech różnych nanocząstek (dwusiarczek molibdenu (MoS2), dwusiarczek wolframu (WS2) i heksagonalny azotek boru (hBN)) w CIMFLO 20 z obróbką ultradźwiękową była lepsza niż w przypadku mechanicznego wytrząsania i mieszania. Ponieważ kawitacja ultradźwiękowa tworzy unikalne warunki o dużej gęstości energii, ultradźwięki typu sondy przewyższają konwencjonalne techniki dyspersji pod względem skuteczności i wydajności.
Właściwości nanocząstek, takie jak rozmiar, kształt i stężenie, wpływają na ich właściwości trybologiczne. Podczas gdy idealny rozmiar nanocząstek różni się w zależności od materiału, większość nanocząstek wykazuje najwyższą funkcjonalność w zakresie od dziesięciu do stu nanometrów. Idealne stężenie nanododatków w oleju smarowym wynosi przeważnie 0,1-5,0%.
Nanocząstki tlenków, takie jak Al2O3, CuO lub ZnO, są szeroko stosowane jako nanocząstki poprawiające właściwości trybologiczne smarów. Inne dodatki obejmują dodatki bezpopiołowe, ciecze jonowe, estry boranowe, nanomateriały nieorganiczne, nanostruktury węglowe, takie jak nanorurki węglowe (CNT), grafit i grafen. Konkretne dodatki są stosowane w celu poprawy określonych właściwości olejów smarowych. Na przykład, środki smarne zapobiegające zużyciu zawierają dodatki do ekstremalnych ciśnień, takie jak dwusiarczek molibdenu, grafit, zasiarczone olefiny i kompleksy dialkiloditiokarbaminianowe lub dodatki przeciwzużyciowe, takie jak triarylofosforany i dialkiloditiofosforan cynku.
Homogenizatory z sondą ultradźwiękową są niezawodnymi mieszalnikami i są stosowane do formułowania wysokowydajnych środków smarnych. Znana jako doskonała, jeśli chodzi o przygotowanie zawiesin nano-rozmiarów, sonikacja jest bardzo wydajna w przemysłowej produkcji olejów smarowych.
Przemysłowy ultradźwiękowy system mieszania do wysokowydajnej dyspersji nanocząstek w olejach smarowych.
- Poprawiona wydajność trybologiczna
- Jednolita inkorporacja nanododatków
- smary na bazie olejów roślinnych
- przygotowanie tribofilmu
- płyny do formowania blach
- Nanofluidy zwiększające skuteczność chłodzenia
- ciecze jonowe w smarach na bazie wody lub oleju
- płyny do przeciągania
Ultradźwiękowa dyspersja tlenku glinu (Al2O3) powoduje znaczną redukcję wielkości cząstek i równomierną dyspersję.
Produkcja środków smarnych z nanododatkami
Do produkcji olejów smarowych wzmocnionych nanomateriałami kluczowe znaczenie mają odpowiednie nanomateriały i wydajna technika dyspersji. Bez niezawodnej i długotrwałej stabilnej nanodyspersji nie można wyprodukować wysokowydajnego środka smarnego.
Mieszanie i dyspergowanie ultradźwiękowe jest uznaną metodą produkcji wysokowydajnych środków smarnych. Olej bazowy smarów jest wzmacniany dodatkami, takimi jak nanomateriały, polimery, inhibitory korozji, przeciwutleniacze i inne drobne agregaty. Ultradźwiękowe siły ścinające są bardzo skuteczne w zapewnianiu bardzo drobnego rozkładu wielkości cząstek. Siły ultradźwiękowe (sonomechaniczne) są zdolne do mielenia nawet cząstek pierwotnych i są stosowane do funkcjonalizacji cząstek, dzięki czemu powstałe nanocząstki oferują lepsze właściwości (np. modyfikacja powierzchni, NPs z powłoką rdzeniową, domieszkowane NPs).
Ultradźwiękowe mieszalniki o wysokim ścinaniu mogą znacznie pomóc w wydajnej produkcji wysokowydajnych środków smarnych!
Mieszanka oleju z dialkiloditiofosforanem cynku (ZDDP) i modyfikowanymi powierzchniowo nanocząstkami PTFE (PHGM) po dyspersji ultradźwiękowej.
(Badanie i zdjęcie: Sharma et al., 2017)
Nowe nanododatki w olejach smarowych
Opracowywane są nowe nanododatki w celu dalszej poprawy funkcjonalności i wydajności olejów i smarów. Na przykład nanokryształy celulozy (CNC) są badane i testowane pod kątem formułowania ekologicznych smarów. Zakani et al. (2022) wykazali, że – w porównaniu do niesonikowanych zawiesin smarujących – Sonikowane smary CNC mogą zmniejszyć COF (współczynnik tarcia) i zużycie odpowiednio o prawie 25 i 30%. Wyniki tego badania sugerują, że obróbka ultradźwiękowa może znacznie poprawić właściwości smarne wodnych zawiesin CNC.
Wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do produkcji smarów
W przypadku stosowania nanododatków w przemysłowych procesach produkcyjnych, takich jak produkcja olejów smarowych, kluczowe znaczenie ma jednorodne wymieszanie suchych proszków (tj. nanomateriałów) z fazą ciekłą (olejem smarowym). Dyspersja nanocząstek wymaga niezawodnej i skutecznej techniki mieszania, która stosuje wystarczającą ilość energii do rozbicia aglomeratów w celu uwolnienia właściwości cząstek w skali nano. Ultradźwięki są dobrze znane jako potężne i niezawodne dyspergatory, dlatego są wykorzystywane do deaglomeracji i dystrybucji różnych materiałów, takich jak tlenek glinu, nanorurki, grafen, minerały i wiele innych materiałów jednorodnie w fazie ciekłej, takich jak oleje mineralne, syntetyczne lub roślinne. Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do wszelkiego rodzaju zastosowań homogenizacji i deaglomeracji.
Skontaktuj się z nami, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowej dyspersji nanododatków w środkach smarnych!
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150 l | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspersji, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.
Nanolubrykanty PTFE po 7 dniach przygotowania (A: olej bazowy, B: nanolubrykant PTFE z 1-godzinną ultrasonikacją, C: nanolubrykant PTFE z 30-minutową ultrasonikacją).
(Badanie i zdjęcie: © Kumar et al., 2013)
Wpływ ultradźwięków na stabilność dyspersji Al2O3 w smarach.
(Badanie i grafika: © Sharif et al., 2017)
Fakty, które warto znać
Czym są smary?
Głównym zastosowaniem smarów lub olejów smarowych jest zmniejszanie tarcia i zużycia w wyniku kontaktu mechanicznego, a także ciepła. W zależności od zastosowania i składu, smary dzielą się na oleje silnikowe, płyny przekładniowe, płyny hydrauliczne, oleje przekładniowe i smary przemysłowe.
Dlatego też środki smarne są szeroko stosowane w pojazdach silnikowych, a także w maszynach przemysłowych. Aby zapewnić dobre smarowanie, oleje smarowe zazwyczaj zawierają 90% oleju bazowego (głównie frakcje ropy naftowej, tj. oleje mineralne) i mniej niż 10% dodatków. Gdy unika się stosowania 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 zmniejszenie tarcia i zużycia w wyniku kontaktu mechanicznego, a także obniżenie ciepła tarcia i strat energii. Dlatego smary są szeroko stosowane w pojazdach silnikowych, a także w maszynach przemysłowych.
Substancje przeciwutleniające, takie jak podstawowe przeciwutleniacze aminowe i fenolowe, kwasy naturalne, rozkładające nadtlenki i pirazyny, wydłużają cykl życia środków smarnych poprzez zwiększenie odporności na utlenianie. W ten sposób olej bazowy jest chroniony przed degradacją termiczną, ponieważ rozkład termooksydacyjny zachodzi w zredukowanej i opóźnionej formie.
Rodzaje smarów
Smary płynne: Smary płynne są zazwyczaj oparte na jednym rodzaju oleju bazowego. Do tego oleju bazowego często dodawane są inne substancje w celu poprawy funkcjonalności i wydajności. Typowe dodatki obejmują na przykład wodę, olej mineralny, lanolinę, olej roślinny lub naturalny, nanododatki itp.
Większość smarów to płyny, które można podzielić ze względu na ich pochodzenie na dwie grupy:
- Oleje mineralne: Oleje mineralne to oleje smarowe rafinowane z ropy naftowej.
- Oleje syntetyczne: Oleje syntetyczne to oleje smarowe, które są produkowane przy użyciu związków, które są sztucznie modyfikowane lub syntetyzowane z modyfikowanej ropy naftowej.
Smar jest smarem stałym lub półstałym, który składa się z ciekłego smaru, który jest zagęszczany przez zdyspergowanie w nim środków zagęszczających. Do produkcji smaru używa się olejów smarowych jako olejów bazowych i są one głównym składnikiem. Smar zawiera około 70% do 80% oleju smarowego.
Smary penetrujące i suche smary to kolejne typy, które są stosowane głównie w aplikacjach niszowych.
Nanododatki wymienione powyżej mogą być z powodzeniem mieszane ze smarami przy użyciu dyspergatorów ultradźwiękowych.
Literatura / Referencje
- 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 od laboratorium do rozmiar przemysłowy.