Наносмазочные материалы, улучшенные с помощью ультразвуковой дисперсии

Внедрение нанодобавок в рецептуры смазочных материалов является одним из наиболее значительных достижений в области трибологии за последние годы. Однако исследователи и инженеры-технологи сталкиваются с постоянной проблемой: обеспечение однородной дисперсии наночастиц в вязких базовых маслах без нарушения их структурной целостности. Традиционные методы перемешивания зачастую не позволяют эффективно разрушить агломераты, что приводит к нестабильным эксплуатационным характеристикам продукта и ограниченной сроку хранения.

Решение: диспергирование нанодобавок с помощью ультразвука в составе смазочных материалов

Мощный ультразвук — это оптимальное решение для преодоления этих проблем с диспергированием. Используя принципы акустической кавитации, ультразвуковое оборудование создает в жидкой среде чередующиеся циклы высокого и низкого давления. Во время цикла низкого давления в жидкости образуются мелкие вакуумные пузырьки. Когда эти пузырьки достигают максимального объёма и не могут поглотить больше энергии, они бурно разрушаются во время цикла высокого давления. Это разрушение создаёт локальные экстремальные условия – температуры, достигающие примерно 5000 кельвинов, и давление, превышающее 1000 атмосфер – которые эффективно разбивают скопления наночастиц и обеспечивают их равномерное распределение по всей матрице смазочного материала.
Для инженеров-технологов это означает разницу между смазочным материалом, который оседает и расслаивается в течение нескольких недель, и тем, который сохраняет свои эксплуатационные характеристики на протяжении всего срока службы детали.

Пример из практики: азот-легированные углеродные нанотрубки, имеющие структуру, сходную с бамбуком, в проводящих смазках

Ярким примером эффективности ультразвуковой технологии в производстве смазочных материалов служит исследование, опубликованное в журнале «Journal of Materials Research and Technology» (2019). Исследование под названием “Применение азодолегированных углеродных нанотрубок с бамбукоподобной структурой для разработки электропроводящих смазочных материалов,” показывает, как гомогенизатор зондового типа Hielscher UIP1000hdT (340 Вт, время обработки — 2 мин) позволил получить однородные, стабильные и электропроводящие подшипниковые смазки.
Исследователи использовали углеродные нанотрубки в форме бамбука (BCNT) в качестве проводящих добавок для смазочных материалов. Благодаря включению атомов азота в графитовую структуру боковых стенок нанотрубок сформировались исключительные электронные и структурные свойства, что обеспечило превосходные адсорбционные характеристики и электропроводность. Углеродные нанотрубки представляют собой замечательные электропроводящие наноструктурированные материалы, и их электронные свойства можно целенаправленно регулировать путем внедрения атомов азота с помощью методов легирования.
Полученные результаты подчеркивают эффективность ультразвуковой дисперсии:

Данное практическое исследование служит техническим подтверждением концепции: когда подходящий наноматериал сочетается с подходящей ультразвуковой энергией, получаемая смазка демонстрирует эксплуатационные показатели, которые ранее считались недостижимыми с помощью традиционных методов смешивания.

Основная особенность ультразвуковой нанодисперсии в смазочных материалах

Метод ультразвуковой дисперсии позволяет добиться исключительных результатов, что подтверждает его промышленный потенциал:

• Минимальные требования к добавкам: Для обеспечения хорошей электропроводности смазок, превышающей 14 мС, достаточно относительно небольших количеств BCNT, а именно 1,5 % по массе. Образцы, содержащие нанотрубки, демонстрируют хорошую электропроводность в диапазоне от 7 до 18,5 мС при стационарных измерениях.
• Повышенная производительность во время работы: Измерения электропроводности в процессе реальной работы шарикоподшипников показывают ещё более высокие значения: максимальное значение в 31,5 мС было зафиксировано для состава с 3 % BCNT. В каждом случае электропроводность увеличивается по сравнению с показателями, полученными в стационарном состоянии, что свидетельствует о том, что механические нагрузки во время работы ещё больше улучшают проводимость.
• Превосходные фрикционные характеристики: Эффективные фрикционные характеристики достигаются в образцах с добавкой 1,5 % по массе BCNT, которые демонстрируют значения фрикционного момента 6,1 и 5,1 Нмм. Это свидетельствует о том, что оптимальная концентрация добавки обеспечивает баланс между электропроводностью и механическими характеристиками.
• Повышенная термическая стабильность: Добавление силиконового масла с высокой вязкостью (5000 мм²/с) и пирогенного кремнезема в качестве загустителей повышает температуру капельного течения до значения выше 150 °C, что позволяет устранить одно из основных ограничений при применении в условиях высоких температур.
• Оптимизированные рецептуры: Базовая смазка на основе PDMS, содержащая 3 % BCNT и 1,0 % коллоидного SiO₂ и обладающая вязкостью 50 мм/с, оказалась хорошо подходящей для смазки шарикоподшипников, сочетая в себе электропроводность и механическую прочность.

Ультразвук: преимущества масштабирования в промышленности

Хотя разработка в лабораторных условиях с использованием устройства Hielscher UIP1000hdT подтверждает работоспособность концепции, истинная ценность для промышленного применения заключается в линейной масштабируемости. Ультразвуковые аппараты Hielscher обладают уникальным преимуществом благодаря своей способности к линейному масштабированию, что обеспечивает плавный переход от R&От настольной обработки до поточной производства больших объемов.
Для промышленного внедрения инженеры-технологи могут использовать модель UIP4000hdT мощностью 4 кВт, ультразвуковой аппарат UIP6000hdT мощностью 6 кВт или мощный аппарат UIP16000hdT мощностью 16 кВт, оснащенный специализированными проточными камерами. Такой линейный подход к масштабированию гарантирует, что рецептуры, разработанные в лабораторных условиях, сохраняют идентичное качество дисперсии и характеристики распределения частиц при производстве в промышленных масштабах. Стабильность, достигаемая благодаря ультразвуковой обработке, устраняет колебания качества от партии к партии, характерные для традиционных методов смешивания, что особенно важно для применения высокоэффективных смазочных материалов в аэрокосмической, автомобильной и машиностроительной отраслях.

Почему ультразвуковая обработка играет важную роль в инновациях в области смазочных материалов

Преимущества ультразвуковой дисперсии нанодобавок выходят за рамки простой эффективности перемешивания. Эта технология позволяет:

1. Увеличение доли добавок: Можно добавлять более высокие концентрации нанодобавок без образования агломератов, что позволяет максимально повысить эксплуатационные характеристики.
2. Улучшенная стойкость при хранении: Однородные дисперсии предотвращают осаждение и фазовое разделение в течение длительного срока хранения.
3. Стабильное качество продукции: Каждая производственная партия обладает одинаковыми характеристиками дисперсии, что имеет решающее значение для областей применения, требующих строгого контроля качества.
4. Сокращение времени обработки: Благодаря ультразвуковой кавитации диспергирование осуществляется за считанные минуты, а не за часы, как при использовании традиционных методов.
5. Универсальность при использовании различных составов: Данная технология применима к различным базовым маслам, загустителям и типам присадок, что обеспечивает гибкость при разработке рецептур.

Ультразвуковые диспергаторы зондового типа позволяют создавать высокоэффективные биосмазочные материалы.
(Исследование и иллюстрация: Лю и др., 2020)

Повысьте эффективность производства наносмазок с помощью ультразвуковой дисперсии

Внедрение ультразвуковых технологий в процессы производства смазочных материалов знаменует собой кардинальное изменение подхода к включению нанодобавок в рецептуры смазочных материалов. Как показывает успешная разработка электропроводящих смазок с использованием азот-легированных углеродных нанотрубок бамбукоподобной структуры, высокоэнергетическая ультразвуковая обработка позволяет получать однородные, стабильные дисперсии с исключительными эксплуатационными характеристиками. Благодаря линейной масштабируемости оборудования Hielscher — от настольного ультразвукового аппарата UIP1000hdT до промышленных моделей для установки в технологическую линию, таких как UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP16000hdT с проточными камерами, исследователи и инженеры-технологи могут уверенно переходить от этапа исследований&От этапа открытия до запуска в промышленное производство, обеспечивая, чтобы инновации, разработанные в лаборатории, демонстрировали такие же результаты на производстве.
Будущее технологии смазочных материалов заключается не только в разработке новых нанодобавок, но и в освоении методов диспергирования, позволяющих раскрыть их полный потенциал. Ультразвуковая обработка служит связующим звеном между научными открытиями и промышленным применением, открывая путь к созданию нового поколения высокоэффективных смазочных материалов для сложных промышленных условий эксплуатации.

 
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / Литература