Nano-lubrificantes melhorados através da dispersão por ultrassons

A integração de nano-aditivos nas formulações de lubrificantes representa um dos avanços mais significativos na tribologia nos últimos anos. No entanto, os investigadores e os engenheiros de processo enfrentam um desafio persistente: conseguir uma dispersão homogénea de partículas à escala nanométrica em óleos de base viscosos, sem comprometer a sua integridade estrutural. Os métodos tradicionais de mistura muitas vezes não conseguem decompor os aglomerados de forma eficaz, o que resulta num desempenho inconsistente do produto e numa estabilidade de armazenamento limitada.

A solução: dispersão de nano-aditivos por ultrassons na formulação de lubrificantes

O ultrassom de alta potência é a solução ideal para estes desafios de dispersão. Ao utilizar os princípios da cavitação acústica, o equipamento ultrassónico cria ciclos alternados de alta e baixa pressão no meio líquido. Durante o ciclo de baixa pressão, formam-se pequenas bolhas de vácuo no líquido. Quando estas bolhas atingem o volume máximo e já não conseguem absorver mais energia, colapsam violentamente durante o ciclo de alta pressão. Este colapso gera condições extremas localizadas – temperaturas que atingem aproximadamente 5000 Kelvin e pressões superiores a 1000 atmosferas – que desaglomeram eficazmente os aglomerados de nanopartículas e garantem uma distribuição uniforme por toda a matriz do lubrificante.
Para os engenheiros de processo, isto significa a diferença entre um lubrificante que se deposita e se separa ao fim de algumas semanas e outro que mantém o seu perfil de desempenho durante toda a vida útil do componente.

Estudo de caso: Nanotubos de carbono do tipo bambu dopados com azoto em lubrificantes condutores

Um exemplo convincente da eficácia da tecnologia ultrassónica na produção de lubrificantes provém de uma investigação publicada no Journal of Materials Research and Technology (2019). O estudo, intitulado “Aplicação de nanotubos de carbono do tipo bambu dopados com azoto no desenvolvimento de lubrificantes eletricamente condutores,” demonstra como o homogeneizador de sonda Hielscher UIP1000hdT (340 W, tempo de processamento de 2 minutos) permitiu a produção de graxas para rolamentos homogéneas, estáveis e eletricamente condutoras.
Os investigadores utilizaram nanotubos de carbono em forma de bambu (BCNTs) como aditivos condutores para massas lubrificantes. Devido à incorporação de azoto na estrutura grafítica das paredes laterais dos nanotubos, desenvolveram-se propriedades eletrónicas e estruturais extraordinárias, o que conduziu a um excelente comportamento de adsorção e condutividade elétrica. Os nanotubos de carbono são materiais nanoestruturados com notável condutividade elétrica, e as suas propriedades eletrónicas podem ser especificamente ajustadas através da incorporação de átomos de azoto por meio de técnicas de dopagem.
Os resultados sublinham o poder da dispersão ultrassónica:

Este estudo de caso serve como prova de conceito técnica: quando o nanomaterial adequado é combinado com a energia ultrassónica adequada, o lubrificante resultante atinge parâmetros de desempenho que anteriormente eram considerados inatingíveis através de métodos de mistura convencionais.

Característica principal da nanodispersão ultrassónica em lubrificantes

A abordagem da dispersão por ultrassons produz resultados excecionais que comprovam o seu potencial industrial:

• Requisitos mínimos relativos aos aditivos: Quantidades relativamente pequenas de BCNTs, nomeadamente 1,5 % em peso, são suficientes para obter uma boa condutividade elétrica das massas lubrificantes, superior a 14 mS. As amostras que contêm nanotubos apresentam uma boa condutividade elétrica, variando entre 7 e 18,5 mS em medições estáticas.
• Melhoria do desempenho durante o funcionamento: As medições da condutividade elétrica durante o funcionamento efetivo dos rolamentos de esferas revelam valores ainda mais elevados, tendo-se registado um máximo de 31,5 mS com a formulação de 3% de BCNT. A condutividade aumenta em todos os casos quando comparada com as medições em estado estacionário, o que indica que a tensão mecânica durante o funcionamento melhora ainda mais as vias de condutividade.
• Desempenho superior em termos de atrito: As amostras com 1,5 % em peso de BCNT apresentam características de atrito eficientes, revelando valores de binário de atrito de 6,1 e 5,1 Nmm. Isto demonstra que a concentração ideal do aditivo equilibra a condutividade com o desempenho mecânico.
• Maior estabilidade térmica: A adição de óleo de silicone de elevada viscosidade (5000 mm²/s) e sílica pirogénica como espessantes aumenta o ponto de gotejamento para valores superiores a 150 °C, resolvendo assim uma limitação crítica nas aplicações a altas temperaturas.
• Formulações otimizadas: O óleo base PDMS contendo 3% de BCNT e 1,0% de SiO₂ coloidal, com uma viscosidade de 50 mm/s, revelou-se adequado para a lubrificação de rolamentos de esferas, combinando condutividade com robustez mecânica.

Ultrassons: a vantagem da ampliação à escala industrial

Embora o desenvolvimento à escala laboratorial com o Hielscher UIP1000hdT demonstre a viabilidade do conceito, o verdadeiro valor para as aplicações industriais reside na escalabilidade linear. Os sonicadores da Hielscher oferecem uma vantagem única graças à sua capacidade de escalabilidade linear, permitindo uma transição harmoniosa da I&D&Do processamento em bancada à produção em linha de grandes volumes.
Para a implementação industrial, os engenheiros de processo podem utilizar o modelo UIP4000hdT de 4 kW, o sonicador UIP6000hdT de 6 kW ou o potente UIP16000hdT de 16 kW, equipado com células de fluxo especializadas. Esta abordagem de escalonamento linear garante que as formulações desenvolvidas à escala laboratorial mantenham uma qualidade de dispersão e características de distribuição de partículas idênticas quando fabricadas à escala de produção. A consistência alcançada através do processamento ultrassónico elimina a variabilidade entre lotes que afeta os métodos de mistura convencionais, o que é particularmente crítico para aplicações de lubrificantes de alto desempenho nos setores aeroespacial, automóvel e de maquinaria de precisão.

Por que razão a ultrassonação é importante para a inovação no domínio dos lubrificantes

As vantagens da dispersão de nano-aditivos por ultrassons vão além da simples eficiência de mistura. Esta tecnologia permite:

1. Aumento da dosagem de aditivos: É possível incorporar concentrações mais elevadas de nano-aditivos sem que se verifique aglomeração, maximizando assim os benefícios em termos de desempenho.
2. Maior estabilidade de conservação: As dispersões homogéneas impedem a sedimentação e a separação de fases durante períodos prolongados de armazenamento.
3. Qualidade consistente do produto: Cada lote de produção apresenta características de dispersão idênticas, o que é fundamental para aplicações que exigem um controlo de qualidade rigoroso.
4. Redução do tempo de processamento: A cavitação ultrassónica permite a dispersão em minutos, em vez das horas necessárias com os métodos tradicionais.
5. Versatilidade em todas as formulações: Esta tecnologia é compatível com diversos óleos de base, agentes espessantes e tipos de aditivos, proporcionando flexibilidade no desenvolvimento de formulações.

Os dispersores ultrassónicos do tipo sonda permitem a produção de biolubrificantes de alto desempenho.
(Estudo e imagem: Liu et al., 2020)

Melhore a sua produção de nanolubrificantes com a dispersão por ultrassons

A integração da tecnologia ultrassónica nos processos de produção de lubrificantes representa uma mudança de paradigma na forma como os nano-aditivos são incorporados nas formulações de lubrificantes. Tal como demonstrado pelo desenvolvimento bem-sucedido de massas lubrificantes eletricamente condutoras utilizando nanotubos de carbono do tipo bambu dopados com azoto, a ultrassonação de alta energia proporciona dispersões homogéneas e estáveis com características de desempenho excecionais. Com a capacidade de escalonamento linear da Hielscher, desde o sonicador de bancada UIP1000hdT até aos modelos industriais de sonicadores em linha, como o UIP4000hdT, UIP6000hdT e UIP16000hdT com células de fluxo, os investigadores e engenheiros de processo podem fazer a transição com confiança da investigação&Desde a descoberta até à produção comercial, garantindo que a inovação alcançada em laboratório tenha um desempenho idêntico na fábrica.
O futuro da tecnologia dos lubrificantes reside não só no desenvolvimento de novos nano-aditivos, mas também no domínio das técnicas de dispersão que permitem explorar todo o seu potencial. O processamento por ultrassons constitui a ponte entre a descoberta científica e a aplicação industrial, possibilitando a próxima geração de lubrificantes de alto desempenho para aplicações industriais exigentes.

 
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os ultrassons Hielscher são conhecidos pelos seus elevados padrões de qualidade e design. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos ultrassons nas instalações industriais. As condições difíceis e os ambientes exigentes são facilmente controlados pelos ultrassons Hielscher.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada pela ISO e dá especial ênfase aos ultrassons de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os ultrassons da Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos da UL, CSA e RoHs.

Literatura / Referências