Nano-lubrifianți îmbunătățiți prin dispersie cu ultrasunete

Integrarea nano-aditivilor în formulele lubrifianților reprezintă unul dintre cele mai semnificative progrese înregistrate în tribologie în ultimii ani. Cu toate acestea, cercetătorii și inginerii de proces se confruntă cu o provocare persistentă: obținerea unei dispersii omogene a particulelor la scară nanometrică în uleiurile de bază vâscoase, fără a le afecta integritatea structurală. Metodele tradiționale de amestecare nu reușesc adesea să descompună eficient aglomeratele, ceea ce duce la performanțe inconsistente ale produsului și la o stabilitate limitată la depozitare.

Soluția: Dispersarea nano-aditivilor prin ultrasunete în compoziția lubrifianților

Ultrasunetele de mare putere reprezintă soluția optimă pentru aceste provocări legate de dispersie. Folosind principiile cavitației acustice, echipamentele cu ultrasunete generează cicluri alternante de înaltă și joasă presiune în mediile lichide. În timpul ciclului de joasă presiune, în lichid se formează mici bule de vid. Când aceste bule ating volumul maxim și nu mai pot absorbi energie, ele se sparg violent în timpul ciclului de înaltă presiune. Această spargere generează condiții extreme localizate – temperaturi care ating aproximativ 5000 de Kelvin și presiuni care depășesc 1000 de atmosfere – care dezaglomerează în mod eficient aglomeratele de nanoparticule și asigură o distribuție uniformă în întreaga matrice a lubrifiantului.
Pentru inginerii de proces, aceasta înseamnă diferența dintre un lubrifiant care se depune și se separă în câteva săptămâni și unul care își menține profilul de performanță pe întreaga durată de viață a componentei.

Studiu de caz: Nanotuburi de carbon de tip bambus dopate cu azot în unsoare conductive

Un exemplu elocvent al eficienței tehnologiei cu ultrasunete în producția de lubrifianți provine dintr-o cercetare publicată în revista „Journal of Materials Research and Technology” (2019). Studiul, intitulat “Aplicarea nanotuburilor de carbon de tip bambus dopate cu azot în dezvoltarea lubrifianților conductori de curent electric,” demonstrează modul în care echipamentul de omogenizare cu sondă Hielscher UIP1000hdT (340 W, timp de procesare de 2 minute) a permis obținerea unor unsoare pentru rulmenți omogene, stabile și conductoare de curent electric.
Cercetătorii au utilizat nanotuburi de carbon în formă de bambus (BCNT) ca aditivi conductori pentru unsoare. Datorită încorporării azotului în structura grafitică a pereților laterali ai nanotuburilor, s-au dezvoltat proprietăți electronice și structurale extraordinare, ceea ce a condus la un comportament de adsorbție și o conductivitate electrică excelente. Nanotuburile de carbon sunt materiale nanostructurate remarcabile din punct de vedere al conductivității electrice, iar proprietățile lor electronice pot fi ajustate în mod specific prin încorporarea atomilor de azot cu ajutorul tehnicilor de dopare.
Rezultatele evidențiază puterea dispersiei cu ultrasunete:

Acest studiu de caz servește drept dovadă tehnică a conceptului: atunci când nanomaterialul potrivit este combinat cu energia ultrasonică adecvată, lubrifiantul rezultat atinge indicatori de performanță care erau considerați anterior imposibil de atins prin metodele convenționale de amestecare.

Caracteristica principală a nano-dispersiei cu ultrasunete în lubrifianți

Metoda de dispersie cu ultrasunete oferă rezultate excepționale, care îi confirmă potențialul industrial:

• Cerințe minime privind aditivii: Cantități relativ mici de BCNT, mai precis 1,5 % în greutate, sunt suficiente pentru a obține o conductivitate electrică bună a unsorilor, care depășește 14 mS. Probele care conțin nanotuburi prezintă o conductivitate electrică bună, cu valori cuprinse între 7 și 18,5 mS în cadrul măsurătorilor staționare.
• Performanță îmbunătățită în timpul funcționării: Măsurătorile conductivității electrice efectuate în timpul funcționării efective a rulmentului cu bile relevă valori chiar mai ridicate, maximul de 31,5 mS fiind înregistrat în cazul formulării cu 3% BCNT. Conductivitatea crește în fiecare caz în comparație cu măsurătorile efectuate în stare staționară, ceea ce indică faptul că solicitarea mecanică din timpul funcționării îmbunătățește și mai mult căile de conducție.
• Performanță superioară în ceea ce privește frecarea: Proba cu un conținut de 1,5 % în greutate de BCNT prezintă caracteristici eficiente de frecare, înregistrând valori ale cuplului de frecare de 6,1 și 5,1 Nmm. Acest lucru demonstrează că o concentrație optimă a aditivului asigură un echilibru între conductivitate și performanța mecanică.
• Stabilitate termică îmbunătățită: Adăugarea de ulei de silicon cu vâscozitate ridicată (5000 mm²/s) și de silice pirogenică ca agenți de îngroșare crește punctul de picurare la peste 150 °C, remediind astfel o limitare critică în aplicațiile la temperaturi ridicate.
• Formule optimizate: Uleiul de bază PDMS, conținând 3% BCNT și 1,0% SiO₂ coloidal, cu o vâscozitate de 50 mm/s, s-a dovedit a fi foarte potrivit pentru lubrifierea rulmenților cu bile, combinând conductivitatea cu rezistența mecanică.

Ultrasunetele: Avantajul extinderii la scară industrială

Deși dezvoltarea la scară de laborator cu ajutorul aparatului Hielscher UIP1000hdT demonstrează validitatea conceptului, adevărata valoare pentru aplicațiile industriale rezidă în scalabilitatea liniară. Sonicatoarele Hielscher oferă un avantaj unic prin capacitatea lor de scalare liniară, permițând o tranziție fără probleme de la R&De la prelucrarea pe banc de lucru la producția în linie a unor volume mari.
Pentru implementarea industrială, inginerii de proces pot utiliza modelul UIP4000hdT de 4 kW, sonicatorul UIP6000hdT de 6 kW sau puternicul UIP16000hdT de 16 kW, echipat cu celule de curgere specializate. Această abordare liniară de scalare asigură că formulele dezvoltate la scară de laborator își mențin calitatea identică a dispersiei și caracteristicile de distribuție a particulelor atunci când sunt fabricate la scară de producție. Consistența obținută prin procesarea cu ultrasunete elimină variabilitatea de la un lot la altul care afectează metodele convenționale de amestecare, aspect deosebit de important pentru aplicațiile cu lubrifianți de înaltă performanță din sectoarele aerospațial, auto și al mașinilor de precizie.

De ce ultrasonicarea este importantă pentru inovarea în domeniul lubrifianților

Avantajele dispersiei nano-aditivilor prin ultrasunete depășesc simpla eficiență a amestecării. Această tehnologie permite:

1. Încărcare îmbunătățită cu aditivi: Se pot incorpora concentrații mai mari de nano-aditivi fără a se produce aglomerare, maximizând astfel beneficiile în ceea ce privește performanța.
2. Stabilitate îmbunătățită la depozitare: Dispersii omogene împiedică sedimentarea și separarea fazelor pe parcursul unor perioade îndelungate de depozitare.
3. Calitatea constantă a produselor: Fiecare lot de producție prezintă caracteristici de dispersie identice, ceea ce este esențial pentru aplicațiile care necesită un control strict al calității.
4. Timp redus de procesare: Cavitația ultrasonică realizează dispersia în câteva minute, în loc de orele necesare în cazul metodelor tradiționale.
5. Versatilitate în ceea ce privește formulele: Tehnologia este compatibilă cu diverse uleiuri de bază, agenți de îngroșare și tipuri de aditivi, oferind flexibilitate în dezvoltarea formulelor.

Dispersorul cu sondă ultrasonică permite obținerea unor biolubrifianți de înaltă performanță.
(Studiu și imagine: Liu et al., 2020)

Îmbunătățiți-vă producția de nanolubrifianți cu ajutorul dispersiei cu ultrasunete

Integrarea tehnologiei cu ultrasunete în procesele de producție a lubrifianților reprezintă o schimbare de paradigmă în modul în care nano-aditivii sunt încorporați în formulele lubrifianților. Așa cum a demonstrat dezvoltarea cu succes a unor unsoare conductoare electric folosind nanotuburi de carbon de tip bambus dopate cu azot, tratamentul cu ultrasunete de înaltă energie asigură dispersii omogene și stabile, cu caracteristici de performanță excepționale. Datorită capacității liniare de scalare a Hielscher, de la sonicatorul de laborator UIP1000hdT până la modelele industriale de sonicare în linie, precum UIP4000hdT, UIP6000hdT și UIP16000hdT cu celule de curgere, cercetătorii și inginerii de proces pot trece cu încredere de la R&De la etapa de cercetare și dezvoltare până la producția comercială, asigurându-ne că inovația realizată în laborator funcționează exact la fel și în fabrică.
Viitorul tehnologiei lubrifianților nu constă doar în dezvoltarea de noi nano-aditivi, ci și în stăpânirea tehnicilor de dispersie care le permit să-și valorifice întregul potențial. Prelucrarea cu ultrasunete face legătura între descoperirile științifice și aplicațiile industriale, făcând posibilă apariția unei noi generații de lubrifianți de înaltă performanță pentru aplicații industriale exigente.

 
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Literatură / Referințe