Środki smarne o funkcjach ulepszonych przez nanocząsteczki
Oleje smarowe mogą w znacznym stopniu skorzystać z nanododatków, które pomagają zmniejszyć tarcie i zużycie. Ważne jest jednak, aby nanododatki, takie jak nanocząstki, monowarstwy grafenowe lub nanosfery typu core-shell, były jednolicie i pojedynczo zdyspergowane w środku smarnym. Dyspersja ultradźwiękowa została udowodniona jako niezawodna i skuteczna metoda mieszania, zapewniająca jednorodne rozmieszczenie nanocząstek i zapobiegająca ich agregacji.
Jak rozproszyć nanododatki w płynach smarujących? – Dzięki ultradźwiękom!
Stosowanie nanododatków w środkach smarnych jest uważane za jedną z najbardziej efektywnych metod poprawy właściwości tribologicznych, zmniejszających tarcie i zużycie. Taka poprawa tribologiczna w znacznym stopniu wpływa na oszczędność energii, redukcję emisji, a tym samym na zmniejszenie oddziaływania na środowisko.
Wyzwanie związane z nanoulepszonymi środkami smarnymi leży w mieszaniu: Nanomateriały, takie jak nanocząstki lub krystaliczna nanoceluloza, wymagają ukierunkowanych mieszalników o wysokim ścinaniu, które równomiernie rozpraszają i rozdzielają nanomateriały na pojedyncze cząstki. Tworząc unikalne pola o dużej gęstości energii, ultradźwięki przy użyciu sond ultradźwiękowych o dużej mocy udowodniły swoją wyższość w przetwarzaniu nanomateriałów i tym samym stały się uznaną metodą dla nano-dyspersji.
Molseh et al. (2009) wykazały, że stabilność dyspersji trzech różnych nanocząstek (dwusiarczek molibdenu (MoS2), dwusiarczek wolframu (WS2) i sześciokątny azotek boru (hBN)) w CIMFLO 20 z leczenia ultradźwiękowego był lepszy niż z mechanicznego wstrząsania i mieszania. Ponieważ kawitacja ultradźwiękowa tworzy unikalne warunki o dużej gęstości energii, ultradźwięki typu sondowego przewyższają konwencjonalne techniki dyspersyjne 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 najczęściej od 0,1-5,0%.
Nanocząstki tlenkowe takie jak Al2O3, CuO czy ZnO są szeroko stosowane jako nanocząstki poprawiające właściwości tribologiczne środków smarnych. Inne dodatki obejmują dodatki bezpopiołowe, ciecze jonowe, estry boranowe, nanomateriały nieorganiczne, nanostruktury pochodzenia węglowego, takie jak nanorurki węglowe (CNTs), grafit i grafen. W celu poprawy określonych właściwości olejów smarowych stosuje się określone dodatki. Na przykład, środki smarne zapobiegające zużyciu zawierają dodatki na ekstremalne ciśnienie, takie jak dwusiarczek molibdenu, grafit, siarkowane olefiny i kompleksy dialkiloditiokarbaminianu lub dodatki przeciwzużyciowe, takie jak triarylofosforany i dialkiloditiokarbaminian cynku.
Homogenizatory ultradźwiękowe z sondą są niezawodnymi mieszalnikami i są stosowane do formulacji wysokowydajnych środków smarnych. Sonikacja, znana jako najlepsza w przypadku przygotowywania zawiesin o rozmiarach nano, jest bardzo wydajna w przemysłowej produkcji olejów smarowych.
Przemysłowy system mieszania ultradźwiękowego do wysokowydajnej dyspersji nanocząstek w olejach smarowych.
- lepsze właściwości tribologiczne
- jednolite wbudowanie nanododatku
- smary na bazie olejów roślinnych
- przygotowanie tribofilmu
- płyny do obróbki plastycznej blach
- nanofluidy dla poprawy skuteczności chłodzenia
- ciecze jonowe w wodnych lub olejowych środkach smarnych
- płyny do przeciągania
Ultradźwiękowa dyspersja tlenku glinu (Al2O3) powoduje znaczną redukcję wielkości cząstek i ich równomierne rozproszenie.
Wytwarzanie smarów z nanododatkami
Do produkcji nanowzmocnionych olejów smarowych niezbędny jest odpowiedni nanomateriał oraz wydajna, skuteczna technika dyspersji. Bez niezawodnej i długotrwałej stabilnej nano-dyspersji nie można wyprodukować wysokowydajnego środka smarnego.
Mieszanie i dyspergowanie ultradźwiękowe jest uznaną metodą produkcji wysokowydajnych środków smarnych. Olej bazowy środków smarnych jest wzmocniony dodatkami, takimi jak nanomateriały, polimery, inhibitory korozji, przeciwutleniacze i inne drobne agregaty. Ultradźwiękowe siły ścinające są wysoce skuteczne w zapewnieniu bardzo drobnego rozkładu wielkości cząstek. Siły ultradźwiękowe (sonomechaniczne) są w stanie przemielić nawet cząstki pierwotne i są stosowane do funkcjonalizacji cząstek, tak aby powstałe nanocząstki oferowały lepsze właściwości (np. modyfikacja powierzchni, core-shell NPs, doped NPs).
Ultradźwiękowe mieszalniki wysoko ścinające mogą znacznie pomóc w efektywnej produkcji wysokowydajnych środków smarnych!
Mieszanka olejowa z dialkiloditiofosforanem cynku (ZDDP) i modyfikowanymi powierzchniowo nanocząstkami PTFE (PHGM) po dyspersji ultradźwiękowej.
(Opracowanie i zdjęcie: Sharma et al., 2017)
Nowe nanododatki w olejach smarowych
Nowe dodatki o rozmiarach nanometrycznych są opracowywane w celu dalszej poprawy funkcjonalności i wydajności olejów smarowych i smarów. Na przykład, nanokryształy celulozy (CNC) są badane i testowane do formulacji zielonych środków smarnych. Zakani et al. (2022) wykazali, że – w porównaniu z niesyntetycznymi zawiesinami smarującymi – Sonikowane smary CNC mogły zmniejszyć COF (współczynnik tarcia) i zużycie odpowiednio o prawie 25 i 30%. Wyniki badań sugerują, że obróbka ultradźwiękowa może znacząco poprawić wydajność smarowania wodnych zawiesin CNC.
Wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do produkcji środków smarnych
Kiedy nanododatki są stosowane w przemysłowych procesach produkcyjnych, takich jak produkcja olejów smarowych, kluczowe jest, aby suche proszki (tj. nanomateriały) były homogenicznie mieszane z fazą ciekłą (olejem smarowym). Dyspersja nanocząstek wymaga niezawodnej i skutecznej techniki mieszania, która stosuje wystarczającą energię do rozbicia aglomeratów w celu uwolnienia właściwości cząstek w skali nano. Ultradźwiękowce są dobrze znane jako potężne i niezawodne dyspergatory, dlatego są używane do deaglomeracji i dystrybucji różnych materiałów, takich jak tlenek aluminium, nanorurki, grafen, minerały i wiele innych materiałów homogenicznie do fazy ciekłej, takiej jak oleje mineralne, syntetyczne lub roślinne. Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do wszelkich zastosowań w zakresie homogenizacji i deaglomeracji.
Skontaktuj się z nami już teraz, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowej dyspersji nanododatków w środkach smarnych!
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:
| 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 150L | 3 do 15L/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 zastosowań mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.
Nanolubrykanty PTFE po 7 dniach od przygotowania (A: olej bazowy, B: nanolubrykant PTFE z 1-godzinną ultradźwiękową obróbką, C: nanolubrykant PTFE z 30-minutową ultradźwiękową obróbką).
(Opracowanie i zdjęcie: © Kumar et al., 2013)
Wpływ ultradźwięków na stabilność dyspersyjną Al2O3 w smarach.
(Opracowanie i grafika: © Sharif et al., 2017)
Fakty Warto wiedzieć
Co to są środki smarne?
Głównym zastosowaniem smarów lub olejów smarowych jest zmniejszenie 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 oraz smary przemysłowe.
Dlatego środki smarne są szeroko stosowane w pojazdach mechanicznych, jak również w maszynach przemysłowych. Aby zapewnić dobre smarowanie, oleje smarowe zawierają zazwyczaj 90% oleju bazowego (głównie frakcje ropy naftowej, czyli oleje mineralne) 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, fluoropochodne węglowodorów i wiele innych. Głównym zastosowaniem środków smarnych jest zmniejszenie tarcia i zużycia w wyniku kontaktu mechanicznego, jak również obniżenie strat ciepła i energii spowodowanych tarciem. Dlatego środki smarne są szeroko stosowane w pojazdach mechanicznych, jak również w maszynach przemysłowych.
Substancje przeciwutleniające, takie jak podstawowe przeciwutleniacze aminowe i fenolowe, kwasy naturalne, rozkładacze nadtlenków i pirazyny przedłużają cykl życia środków smarnych poprzez zwiększenie odporności na utlenianie. W ten sposób olej bazowy jest chroniony przed degradacją termiczną, ponieważ rozkład termooksydacyjny zachodzi w formie zredukowanej i opóźnionej.
Rodzaje smarów
Smary płynne: Ciekłe środki smarne są zazwyczaj oparte na jednym rodzaju oleju bazowego. Do tego oleju bazowego często dodaje się inne substancje w celu poprawy funkcjonalności i wydajności. Typowe dodatki to np. woda, olej mineralny, lanolina, olej roślinny lub naturalny, nanododatki itp.
Większość smarów to ciecze, które można podzielić według pochodzenia na dwie grupy:
- Oleje mineralne: Oleje mineralne to oleje smarowe rafinowane z ropy naftowej.
- Oleje syntetyczne: Oleje syntetyczne to oleje smarowe, do produkcji których użyto związków sztucznie modyfikowanych lub syntetyzowanych z modyfikowanej ropy naftowej.
Smarowanie to stały lub półstały środek smarny, który składa się z ciekłego środka smarnego, który jest zagęszczany przez zdyspergowanie w nim środków zagęszczających. Do produkcji smaru stosuje się oleje smarowe jako oleje bazowe i stanowią one główny składnik. Smar zawiera ok. 70% do 80% oleju smarowego.
Smary penetrujące i suche smary to kolejne typy, które znajdują zastosowanie głównie w niszowych aplikacjach.
Nanododatki wymienione przykładowo powyżej mogą być z powodzeniem mieszane ze środkami smarnymi przy użyciu dyspergatorów ultradźwiękowych.
Literatura / materiały źródłowe
- 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.
Firma Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do wielkość przemysłowa.