Nanomaziva ulepszone dzięki dyspersji ultradźwiękowej

Włączenie nanododatków do receptur smarów stanowi jedno z najważniejszych osiągnięć w dziedzinie tribologii w ostatnich latach. Jednak naukowcy i inżynierowie procesowi stoją przed stałym wyzwaniem: uzyskaniem jednorodnego rozproszenia cząstek w nanoskali w lepkich olejach bazowych bez naruszania ich integralności strukturalnej. Tradycyjne metody mieszania często nie pozwalają na skuteczne rozbicie aglomeratów, co skutkuje niejednolitymi właściwościami produktu i ograniczoną trwałością przechowywania.

Rozwiązanie: Dyspersja nanododatków za pomocą ultradźwięków w recepturze smaru

Ultradźwięki o dużej mocy stanowią najlepsze rozwiązanie tych wyzwań związanych z dyspersją. Wykorzystując zasady kawitacji akustycznej, urządzenia ultradźwiękowe wytwarzają w środowisku ciekłym naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia. Podczas cyklu niskiego ciśnienia w cieczy tworzą się małe pęcherzyki próżniowe. Gdy pęcherzyki te osiągają maksymalną objętość i nie są w stanie wchłonąć więcej energii, gwałtownie pękają podczas cyklu wysokiego ciśnienia. To pęknięcie generuje lokalne ekstremalne warunki – temperatury sięgające około 5000 kelwinów i ciśnienia przekraczające 1000 atmosfer – które skutecznie rozbijają skupiska nanocząstek i zapewniają ich równomierny rozkład w całej matrycy smaru.
Dla inżynierów procesowych oznacza to różnicę między smarem, który osiada i ulega rozwarstwieniu w ciągu kilku tygodni, a takim, który zachowuje swoje właściwości przez cały okres eksploatacji elementu.

Studium przypadku: nanorurki węglowe o strukturze przypominającej bambus, domieszkowane azotem, w smarach przewodzących

Przekonujący przykład skuteczności technologii ultradźwiękowej w produkcji smarów pochodzi z badań opublikowanych w czasopiśmie „Journal of Materials Research and Technology” (2019). Badanie zatytułowane “Zastosowanie nanorurek węglowych o strukturze przypominającej bambus, domieszkowanych azotem, do opracowania smarów przewodzących prąd elektryczny,” pokazuje, w jaki sposób homogenizator sondowy Hielscher UIP1000hdT (340 W, czas przetwarzania 2 min) umożliwił wytworzenie jednorodnych, stabilnych i przewodzących prąd smarów łożyskowych.
Naukowcy wykorzystali nanorurki węglowe o kształcie bambusa (BCNT) jako dodatki przewodzące do smarów. Dzięki wbudowaniu azotu w strukturę grafitową ścianek bocznych nanorurek uzyskano niezwykłe właściwości elektroniczne i strukturalne, co przełożyło się na doskonałe właściwości adsorpcyjne i przewodność elektryczną. Nanorurki węglowe są niezwykłymi materiałami o nanostrukturze i wysokiej przewodności elektrycznej, a ich właściwości elektroniczne można precyzyjnie dostosowywać poprzez wprowadzanie atomów azotu za pomocą technik domieszkowania.
Wyniki te podkreślają skuteczność dyspersji ultradźwiękowej:

Niniejsze studium przypadku stanowi techniczną weryfikację koncepcji: gdy odpowiedni nanomateriał zostanie połączony z odpowiednią energią ultradźwiękową, powstały środek smarny osiąga parametry eksploatacyjne, które wcześniej uważano za niemożliwe do uzyskania przy użyciu konwencjonalnych metod mieszania.

Najważniejsza cecha nanodyspersji ultradźwiękowej w smarach

Metoda dyspersji ultradźwiękowej daje wyjątkowe wyniki, co potwierdza jej potencjał przemysłowy:

• Minimalne wymagania dotyczące dodatków: Wystarczająco niewielkie ilości BCNT, a konkretnie 1,5% mas., pozwalają uzyskać dobrą przewodność elektryczną smarów przekraczającą 14 mS. Próbki zawierające nanorurki wykazują dobrą przewodność elektryczną w zakresie od 7 do 18,5 mS w pomiarach stacjonarnych.
• Zwiększona wydajność podczas pracy: Pomiary przewodności elektrycznej przeprowadzone podczas rzeczywistej pracy łożyska kulkowego wykazały jeszcze wyższe wartości, przy czym maksymalną wartość 31,5 mS odnotowano w przypadku preparatu zawierającego 3% BCNT. W każdym przypadku przewodność wzrasta w porównaniu z pomiarami w stanie spoczynku, co wskazuje, że obciążenia mechaniczne występujące podczas pracy dodatkowo poprawiają właściwości przewodzące.
• Doskonałe właściwości cierne: Wzorki zawierające 1,5% mas. BCNT charakteryzują się dobrymi właściwościami ciernymi, wykazując wartości momentu tarcia wynoszące odpowiednio 6,1 i 5,1 Nmm. Świadczy to o tym, że optymalne stężenie dodatku pozwala osiągnąć równowagę między przewodnością a właściwościami mechanicznymi.
• Zwiększona stabilność termiczna: Dodanie oleju silikonowego o wysokiej lepkości (5000 mm²/s) oraz krzemionki pirogenicznej jako środków zagęszczających powoduje podwyższenie temperatury kroplenia powyżej 150°C, co pozwala przezwyciężyć kluczowe ograniczenie w zastosowaniach wysokotemperaturowych.
• Zoptymalizowane receptury: Olej bazowy PDMS zawierający 3% BCNT i 1,0% koloidalnego SiO₂, o lepkości 50 mm/s, okazał się dobrze dostosowany do stosowania w łożyskach kulkowych, łącząc przewodność elektryczną z wytrzymałością mechaniczną.

Ultradźwięki: korzyści związane z wdrażaniem na skalę przemysłową

Chociaż prace rozwojowe na skalę laboratoryjną z wykorzystaniem urządzenia Hielscher UIP1000hdT stanowią potwierdzenie słuszności koncepcji, prawdziwa wartość dla zastosowań przemysłowych wynika z liniowej skalowalności. Sonikatory firmy Hielscher oferują wyjątkową zaletę w postaci możliwości liniowego zwiększania skali, umożliwiając płynne przejście z etapu badań (R)&Od przetwarzania na stanowiskach roboczych do produkcji seryjnej na dużą skalę.
W zastosowaniach przemysłowych inżynierowie procesowi mogą korzystać z modelu UIP4000hdT o mocy 4 kW, sonikatora UIP6000hdT o mocy 6 kW lub wydajnego urządzenia UIP16000hdT o mocy 16 kW, wyposażonego w specjalistyczne komory przepływowe. To liniowe podejście do skalowania gwarantuje, że preparaty opracowane w skali laboratoryjnej zachowują identyczną jakość dyspersji i charakterystykę rozkładu cząstek podczas produkcji na skalę przemysłową. Spójność uzyskana dzięki obróbce ultradźwiękowej eliminuje zmienność między partiami, która jest zmorą konwencjonalnych metod mieszania, co ma szczególne znaczenie w przypadku wysokowydajnych smarów stosowanych w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym oraz w sektorze maszyn precyzyjnych.

Dlaczego ultradźwięki mają znaczenie dla innowacji w dziedzinie smarów

Zalety dyspersji nano-dodatków za pomocą ultradźwięków wykraczają poza samą wydajność mieszania. Technologia ta umożliwia:

1. Zwiększona zawartość dodatku: Można stosować wyższe stężenia nanododatków bez ryzyka aglomeracji, co pozwala zmaksymalizować korzyści eksploatacyjne.
2. Dłuższy okres przydatności do spożycia: Jednorodne dyspersje zapobiegają sedymentacji i rozdzielaniu się faz podczas długotrwałego przechowywania.
3. Stała jakość produktów: Każda partia produkcyjna charakteryzuje się identycznymi parametrami dyspersji, co ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach wymagających ścisłej kontroli jakości.
4. Skrócony czas przetwarzania: Dzięki kawitacji ultradźwiękowej dyspersja następuje w ciągu kilku minut, a nie godzin, jak ma to miejsce w przypadku metod tradycyjnych.
5. Wszechstronność w różnych preparatach: Technologia ta sprawdza się w połączeniu z różnymi olejami bazowymi, środkami zagęszczającymi i rodzajami dodatków, zapewniając elastyczność w opracowywaniu receptur.

Dyspersery ultradźwiękowe typu sondowego umożliwiają wytwarzanie wysokowydajnych biopłynów smarowych.
(Badanie i ilustracja: Liu i in., 2020)

Zwiększ wydajność produkcji nanosmarów dzięki dyspersji ultradźwiękowej

Włączenie technologii ultradźwiękowej do procesów produkcji smarów stanowi przełom w sposobie wprowadzania nanododatków do receptur smarów. Jak pokazuje udany projekt smarów przewodzących prąd elektryczny z wykorzystaniem nanorurek węglowych typu bambusowego domieszkowanych azotem, wysokienergetyczna sonikacja pozwala uzyskać jednorodne, stabilne dyspersje o wyjątkowych właściwościach użytkowych. Dzięki liniowej skalowalności urządzeń firmy Hielscher – od laboratoryjnego sonikatora UIP1000hdT po przemysłowe modele sonikatorów pracujących w linii produkcyjnej, takie jak UIP4000hdT, UIP6000hdT i UIP16000hdT z komorami przepływowymi, naukowcy i inżynierowie procesowi mogą śmiało przechodzić od badań R&Od etapu badań i rozwoju aż po produkcję na skalę przemysłową, dbając o to, by innowacje opracowane w laboratorium działały dokładnie tak samo w warunkach fabrycznych.
Przyszłość technologii smarów polega nie tylko na opracowywaniu nowych nanododatków, ale także na opanowaniu technik dyspersji, które pozwalają w pełni wykorzystać ich potencjał. Przetwarzanie ultradźwiękowe stanowi pomost między odkryciami naukowymi a zastosowaniami przemysłowymi, umożliwiając stworzenie nowej generacji wysokowydajnych smarów przeznaczonych do wymagających zastosowań przemysłowych.

 
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Literatura / Referencje