Nanolubrificantes melhorados por dispersão ultrassónica

A integração de nanoaditivos 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 base viscosos sem degradar a sua integridade estrutural. Os métodos de mistura tradicionais muitas vezes não conseguem desfazer eficazmente os aglomerados, resultando num desempenho inconsistente do produto e numa estabilidade limitada durante o armazenamento.

A solução: dispersão ultrassónica de nanoaditivos na formulação de lubrificantes

Os ultrassons de alta potência são a solução superior para estes desafios de dispersão. Utilizando os princípios da cavitação acústica, os equipamentos ultrassónicos criam ciclos alternados de alta e baixa pressão em meios líquidos. Durante o ciclo de baixa pressão, formam-se pequenas bolhas de vácuo no líquido. Quando estas bolhas atingem o volume máximo e 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 agregados de nanopartículas e asseguram uma distribuição uniforme em toda a matriz do lubrificante.
Para os engenheiros de processo, isto representa a diferença entre um lubrificante que sedimenta e se separa em poucas semanas e outro que mantém o seu perfil de desempenho durante toda a vida útil do componente.

Estudo de caso: nanotubos de carbono semelhantes a bambu dopados com azoto em massas lubrificantes condutoras

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 “Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants”, demonstra como o homogeneizador de sonda Hielscher UIP1000hdT (340 W, 2 min de tempo de processamento) permitiu a produção de massas lubrificantes para rolamentos homogéneas, estáveis e eletricamente condutoras.
Os investigadores utilizaram nanotubos de carbono em forma de bambu (BCNTs) como aditivos condutores para massas lubrificantes. A incorporação de azoto na estrutura grafítica das paredes laterais dos nanotubos originou propriedades eletrónicas e estruturais extraordinárias, conduzindo a um excelente comportamento de adsorção e a uma excelente condutividade elétrica. Os nanotubos de carbono são materiais nanoestruturados eletricamente condutores notáveis, e as suas propriedades eletrónicas podem ser ajustadas de forma específica através da incorporação de átomos de azoto por técnicas de dopagem.
Os resultados realçam o poder da dispersão ultrassónica:

Este estudo de caso constitui uma prova de conceito técnica: quando o nanomaterial certo encontra a energia ultrassónica certa, o lubrificante resultante atinge indicadores de desempenho anteriormente considerados inatingíveis através de métodos de mistura convencionais.

Característica principal da nanodispersão ultrassónica em lubrificantes

A abordagem de dispersão ultrassónica proporciona resultados excecionais que validam o seu potencial industrial:

• Necessidades mínimas de aditivos: Quantidades relativamente pequenas de BCNTs, especificamente 1,5 wt%, são suficientes para alcançar uma boa condutividade elétrica das massas lubrificantes, superior a 14 mS. As amostras que contêm nanotubos apresentam uma boa condutividade elétrica, entre 7 e 18,5 mS, em medições em estado estacionário.
• Melhor desempenho durante o funcionamento: As medições de condutividade elétrica durante o funcionamento efetivo dos rolamentos de esferas revelam valores ainda mais elevados, com um máximo de 31,5 mS registado com a formulação de 3% de BCNT. A condutividade aumenta em todos os casos em comparação com as medições em estado estacionário, indicando que as solicitações mecânicas durante o funcionamento melhoram ainda mais as vias condutoras.
• Desempenho superior em termos de atrito: As amostras com uma carga de 1,5 wt% de BCNT apresentam características de atrito eficientes, com valores de binário de atrito de 6,1 e 5,1 Nmm. Isto demonstra que a concentração ótima de aditivos equilibra a condutividade com o desempenho mecânico.
• Melhor estabilidade térmica: A adição de óleo de silicone de alta viscosidade (5000 mm²/s) e de sílica pirogénica como espessantes aumenta o ponto de gota para mais de 150°C, colmatando uma limitação crítica em aplicações a altas temperaturas.
• Formulações otimizadas: O óleo base de PDMS com 3% de BCNT e 1,0% de SiO₂ coloidal e uma viscosidade de 50 mm/s revelou-se adequado para suportar as cargas dos 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 prova de conceito, o verdadeiro valor para as aplicações industriais reside na escalabilidade linear. Os sonicadores Hielscher oferecem uma vantagem única através da sua capacidade de ampliação linear de escala, permitindo uma transição fluida do processamento de bancada em I&D para a produção em linha de grandes volumes.
Para a implementação industrial, os engenheiros de processo podem utilizar o modelo UIP4000hdT de 4kW, o sonicador UIP6000hdT de 6kW ou o potente UIP16000hdT de 16kW, equipados com células de fluxo especializadas. Esta abordagem de ampliação linear de escala assegura que as formulações desenvolvidas à escala laboratorial mantêm 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, um aspeto particularmente crítico para aplicações de lubrificantes de elevado desempenho nos setores aeroespacial, automóvel e de máquinas de precisão.

Porque é que a sonicação é importante para a inovação em lubrificantes

As vantagens da dispersão ultrassónica de nanoaditivos vão além da simples eficiência de mistura. A tecnologia permite:

1. Maior incorporação de aditivos: Podem ser incorporadas concentrações mais elevadas de nanoaditivos sem aglomeração, maximizando os benefícios de desempenho.
2. Melhor estabilidade durante o armazenamento: As dispersões homogéneas evitam 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, essenciais para aplicações que exigem um controlo de qualidade rigoroso.
4. Menor tempo de processamento: A cavitação ultrassónica consegue a dispersão em minutos, em vez das horas necessárias com os métodos tradicionais.
5. Versatilidade entre formulações: A tecnologia funciona com vários óleos base, agentes espessantes e tipos de aditivos, proporcionando flexibilidade no desenvolvimento de formulações.

Os dispersores ultrassónicos de sonda produzem biolubrificantes de elevado desempenho.
(Estudo e imagem: Liu et al., 2020)

Melhore a sua produção de nanolubrificantes com dispersão ultrassónica

A integração da tecnologia ultrassónica nos processos de produção de lubrificantes representa uma mudança de paradigma na forma como os nanoaditivos são incorporados nas formulações de lubrificantes. Como demonstrado pelo desenvolvimento bem-sucedido de massas lubrificantes eletricamente condutoras com nanotubos de carbono semelhantes a bambu dopados com azoto, a sonicação de alta energia proporciona dispersões homogéneas e estáveis com características de desempenho excecionais. Com a capacidade de ampliação linear de escala da Hielscher, desde o sonicador de bancada UIP1000hdT até aos modelos de sonicadores industriais em linha, como o UIP4000hdT, o UIP6000hdT e o UIP16000hdT com células de fluxo, os investigadores e os engenheiros de processo podem passar com confiança das descobertas em I&D à produção comercial, assegurando que a inovação alcançada no laboratório apresenta um desempenho idêntico na fábrica.
O futuro da tecnologia de lubrificantes reside não apenas no desenvolvimento de novos nanoaditivos, mas também no domínio das técnicas de dispersão que permitem aproveitar todo o seu potencial. O processamento ultrassónico estabelece a ponte entre a descoberta científica e a aplicação industrial, permitindo a próxima geração de lubrificantes de elevado desempenho para aplicações industriais exigentes.

 
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:

Conceção, fabrico e consultoria – qualidade fabricada na Alemanha

Os sonicadores Hielscher são reconhecidos pelos seus mais elevados padrões de qualidade e conceção. A robustez e a facilidade de utilização permitem a integração harmoniosa dos nossos sonicadores em instalações industriais. Os sonicadores Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa com certificação ISO e dá especial ênfase a sonicadores de elevado desempenho que incorporam tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os sonicadores Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos de UL, CSA e RoHs.

Bibliografia / Referências

• 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.