Nanośrodki smarne ulepszone dzięki dyspersji ultradźwiękowej

Wprowadzanie nanododatków do formulacji środków smarnych stanowi jeden z najważniejszych postępów w tribologii w ostatnich latach. Badacze i inżynierowie procesu mierzą się jednak z utrzymującym się wyzwaniem: uzyskaniem jednorodnej dyspersji cząstek o rozmiarach nanometrycznych w lepkich olejach bazowych bez naruszania integralności ich struktury. Tradycyjne metody mieszania często nie rozbijają skutecznie aglomeratów, co skutkuje niejednolitymi właściwościami użytkowymi produktu i ograniczoną stabilnością podczas przechowywania.

Rozwiązanie: ultradźwiękowe dyspergowanie nanododatków w formulacjach środków smarnych

Ultradźwięki o dużej mocy stanowią najlepsze rozwiązanie tych problemów z dyspergowaniem. Wykorzystując zasady kawitacji akustycznej, urządzenia ultradźwiękowe wytwarzają w ośrodkach ciekłych naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia. Podczas cyklu niskiego ciśnienia w cieczy powstają małe pęcherzyki próżniowe. Gdy pęcherzyki te osiągną maksymalną objętość i nie mogą pochłonąć więcej energii, gwałtownie zapadają się podczas cyklu wysokiego ciśnienia. To zapadanie się generuje lokalne ekstremalne warunki – temperatury sięgające około 5000 kelwinów i ciśnienia przekraczające 1000 atmosfer – które skutecznie deaglomerują skupiska nanocząstek i zapewniają równomierne rozmieszczenie w całej matrycy środka smarnego.
Dla inżynierów procesu oznacza to różnicę między środkiem smarnym, który ulega sedymentacji i rozwarstwieniu w ciągu kilku tygodni, a takim, który zachowuje swoje właściwości użytkowe przez cały okres eksploatacji elementu.

Studium przypadku: bambusopodobne nanorurki węglowe domieszkowane azotem w smarach przewodzących prąd elektryczny

Przekonujący przykład skuteczności technologii ultradźwiękowej w produkcji środków smarnych pochodzi z badań opublikowanych w czasopiśmie Journal of Materials Research and Technology (2019). Badanie zatytułowane „Zastosowanie bambusopodobnych nanorurek węglowych domieszkowanych azotem do opracowania środków smarnych przewodzących prąd elektryczny” pokazuje, jak homogenizator Hielscher UIP1000hdT z sonotrodą (340 W, czas przetwarzania 2 min) umożliwił wytworzenie jednorodnych, stabilnych i przewodzących prąd elektryczny smarów do łożysk.
Badacze wykorzystali nanorurki węglowe o kształcie bambusa (BCNT) jako dodatki przewodzące do smarów. Wprowadzenie azotu do grafitowej struktury ścian bocznych nanorurek doprowadziło do powstania niezwykłych właściwości elektronowych i strukturalnych, skutkujących doskonałymi właściwościami adsorpcyjnymi i przewodnością elektryczną. Nanorurki węglowe są wyjątkowymi nanostrukturalnymi materiałami przewodzącymi prąd elektryczny, a ich właściwości elektronowe można precyzyjnie dostrajać poprzez wprowadzanie atomów azotu za pomocą technik domieszkowania.
Wyniki podkreślają potencjał dyspersji ultradźwiękowej:

To studium przypadku stanowi techniczne potwierdzenie koncepcji: gdy odpowiedni nanomateriał zostanie poddany działaniu odpowiedniej energii ultradźwiękowej, uzyskany środek smarny osiąga parametry użytkowe wcześniej uznawane za nieosiągalne przy użyciu konwencjonalnych metod mieszania.

Kluczowa cecha ultradźwiękowej nanodyspersji w środkach smarnych

Metoda dyspersji ultradźwiękowej daje wyjątkowe wyniki, które potwierdzają jej potencjał przemysłowy:

• Minimalne zapotrzebowanie na dodatki: Stosunkowo niewielkie ilości BCNT, konkretnie 1,5 wt%, wystarczają do osiągnięcia dobrej przewodności elektrycznej smarów przekraczającej 14 mS. Próbki zawierające nanorurki wykazują dobrą przewodność elektryczną w zakresie od 7 do 18,5 mS w pomiarach w stanie spoczynku.
• Lepsze właściwości użytkowe podczas pracy: Pomiary przewodności elektrycznej podczas rzeczywistej pracy łożyska kulkowego wykazują jeszcze wyższe wartości, z maksimum 31,5 mS odnotowanym dla formulacji zawierającej 3% BCNT. Przewodność wzrasta w każdym przypadku w porównaniu z pomiarami w stanie spoczynku, co wskazuje, że naprężenia mechaniczne podczas pracy dodatkowo poprawiają ścieżki przewodzenia.
• Doskonałe właściwości cierne: Korzystne właściwości cierne uzyskuje się w próbkach zawierających 1,5 wt% BCNT, wykazujących wartości momentu tarcia 6,1 i 5,1 Nmm. Pokazuje to, że optymalne stężenie dodatku zapewnia równowagę między przewodnością a właściwościami mechanicznymi.
• Lepsza stabilność termiczna: Dodanie oleju silikonowego o wysokiej lepkości (5000 mm²/s) i krzemionki pirogenicznej jako zagęszczaczy podnosi temperaturę kroplenia do ponad 150°C, eliminując istotne ograniczenie w zastosowaniach wysokotemperaturowych.
• Zoptymalizowane formulacje: Olej bazowy PDMS o lepkości 50 mm/s, zawierający 3% BCNT i 1,0% koloidalnego SiO₂, okazał się dobrze przystosowany do obciążeń łożysk kulkowych, łącząc przewodność z wytrzymałością mechaniczną.

Ultradźwięki: przewaga przy skalowaniu do produkcji przemysłowej

Choć prace rozwojowe w skali laboratoryjnej z użyciem Hielscher UIP1000hdT potwierdzają koncepcję, rzeczywista wartość dla zastosowań przemysłowych tkwi w liniowej skalowalności. Sonikatory Hielscher oferują wyjątkową przewagę dzięki możliwości liniowego zwiększania skali, umożliwiając płynne przejście od przetwarzania na stanowisku laboratoryjnym w ramach badań i rozwoju do produkcji dużych objętości w linii procesowej.
Przy wdrożeniu przemysłowym inżynierowie procesu mogą wykorzystać model UIP4000hdT o mocy 4kW, sonikator UIP6000hdT o mocy 6kW lub UIP16000hdT o dużej mocy 16kW, wyposażone w specjalistyczne komory przepływowe. Ta metoda liniowego zwiększania skali zapewnia zachowanie identycznej jakości dyspersji i charakterystyki rozkładu cząstek w formulacjach opracowanych w skali laboratoryjnej, gdy są one wytwarzane w skali produkcyjnej. Powtarzalność osiągana dzięki przetwarzaniu ultradźwiękowemu eliminuje zmienność między partiami, która jest problemem konwencjonalnych metod mieszania i ma szczególne znaczenie w zastosowaniach środków smarnych o wysokich parametrach użytkowych w sektorach lotniczym i kosmicznym, motoryzacyjnym oraz maszyn precyzyjnych.

Dlaczego sonikacja ma znaczenie dla innowacji w dziedzinie środków smarnych

Zalety ultradźwiękowego dyspergowania nanododatków wykraczają poza samą wydajność mieszania. Technologia ta umożliwia:

1. Zwiększoną zawartość dodatków: Można wprowadzać nanododatki w wyższych stężeniach bez aglomeracji, maksymalizując korzyści dla właściwości użytkowych.
2. Lepszą stabilność podczas przechowywania: Jednorodne dyspersje zapobiegają sedymentacji i rozdzielaniu faz podczas długich okresów przechowywania.
3. Stałą jakość produktu: Każda partia produkcyjna osiąga identyczną charakterystykę dyspersji, co jest kluczowe w zastosowaniach wymagających ścisłej kontroli jakości.
4. Skrócony czas przetwarzania: Kawitacja ultradźwiękowa pozwala uzyskać dyspersję w ciągu minut, zamiast godzin wymaganych przez tradycyjne metody.
5. Wszechstronność w różnych formulacjach: Technologia sprawdza się w przypadku różnych olejów bazowych, zagęszczaczy i typów dodatków, zapewniając elastyczność przy opracowywaniu formulacji.

Dyspergator ultradźwiękowy z sonotrodą umożliwia wytwarzanie biośrodków smarnych o wysokich parametrach użytkowych.
(Badanie i zdjęcie: Liu i in., 2020)

Usprawnij produkcję nanośrodków smarnych dzięki dyspersji ultradźwiękowej

Włączenie technologii ultradźwiękowej do procesów produkcji środków smarnych stanowi zmianę paradygmatu w sposobie wprowadzania nanododatków do ich formulacji. Jak pokazuje pomyślne opracowanie smarów przewodzących prąd elektryczny z wykorzystaniem bambusopodobnych nanorurek węglowych domieszkowanych azotem, wysokoenergetyczna sonikacja zapewnia jednorodne, stabilne dyspersje o wyjątkowych właściwościach użytkowych. Dzięki oferowanej przez Hielscher możliwości liniowego zwiększania skali, od sonikatora laboratoryjnego UIP1000hdT po przemysłowe modele sonikatorów do pracy w linii procesowej, takie jak UIP4000hdT, UIP6000hdT i UIP16000hdT z komorami przepływowymi, badacze i inżynierowie procesu mogą z pewnością przechodzić od odkryć w ramach badań i rozwoju do produkcji komercyjnej, zapewniając identyczne działanie innowacji uzyskanej w laboratorium również w zakładzie produkcyjnym.
Przyszłość technologii środków smarnych wiąże się nie tylko z opracowywaniem nowych nanododatków, lecz także z opanowaniem technik dyspergowania, które pozwalają wykorzystać ich pełny potencjał. Przetwarzanie ultradźwiękowe tworzy pomost między odkryciem naukowym a zastosowaniem przemysłowym, umożliwiając powstanie nowej generacji środków smarnych o wysokich parametrach użytkowych do wymagających zastosowań przemysłowych.

 
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższej jakości i najwyższych standardów projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają bezproblemową integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z wymaganiami CE i spełniają wymagania UL, CSA oraz RoHs.

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.
• 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.