Наносмазочные материалы, улучшенные ультразвуковым диспергированием

Введение нанодобавок в составы смазочных материалов представляет собой одно из наиболее значительных достижений трибологии за последние годы. Однако исследователи и инженеры-технологи постоянно сталкиваются с проблемой: необходимо обеспечить однородное диспергирование наноразмерных частиц в вязких базовых маслах без нарушения их структурной целостности. Традиционные методы смешивания часто не позволяют эффективно разрушать агломераты, что приводит к нестабильным эксплуатационным характеристикам продукта и ограниченной стабильности при хранении.

Решение: ультразвуковое диспергирование нанодобавок при разработке составов смазочных материалов

Ультразвук высокой мощности является превосходным решением этих задач диспергирования. Используя принципы акустической кавитации, ультразвуковое оборудование создаёт в жидких средах чередующиеся циклы высокого и низкого давления. Во время цикла низкого давления в жидкости образуются небольшие вакуумные пузырьки. Когда эти пузырьки достигают максимального объёма и больше не могут поглощать энергию, они резко схлопываются во время цикла высокого давления. Это схлопывание создаёт локальные экстремальные условия – температуры, достигающие приблизительно 5000 Кельвинов, и давления, превышающие 1000 атмосфер, – которые эффективно обеспечивают деагломерацию скоплений наночастиц и их равномерное распределение по всей матрице смазочного материала.
Для инженеров-технологов это означает разницу между смазочным материалом, который образует осадок и расслаивается в течение нескольких недель, и материалом, сохраняющим свои эксплуатационные характеристики на протяжении всего срока службы компонента.

Пример исследования: легированные азотом бамбукоподобные углеродные нанотрубки в электропроводящих пластичных смазках

Убедительным примером эффективности ультразвуковой технологии в производстве смазочных материалов служит исследование, опубликованное в Journal of Materials Research and Technology (2019). Исследование под названием «Применение легированных азотом бамбукоподобных углеродных нанотрубок для разработки электропроводящих смазочных материалов» показывает, как ультразвуковой гомогенизатор зондового типа Hielscher UIP1000hdT (340 W, время обработки 2 min) позволил получить однородные, стабильные и электропроводящие пластичные смазки для подшипников.
Исследователи использовали углеродные нанотрубки бамбукообразной формы (BCNTs) в качестве электропроводящих добавок для пластичных смазок. Благодаря включению азота в графитовую структуру боковых стенок нанотрубок сформировались необыкновенные электронные и структурные свойства, обеспечивающие превосходные адсорбционные характеристики и электропроводность. Углеродные нанотрубки являются выдающимися электропроводящими наноструктурированными материалами, а их электронные свойства можно целенаправленно регулировать путём включения атомов азота с помощью методов легирования.
Результаты подчёркивают эффективность ультразвукового диспергирования:

Этот пример исследования служит техническим подтверждением концепции: когда подходящий наноматериал сочетается с подходящей ультразвуковой энергией, полученный смазочный материал достигает эксплуатационных показателей, которые ранее считались недостижимыми при использовании традиционных методов смешивания.

Ключевая особенность ультразвукового нанодиспергирования в смазочных материалах

Ультразвуковое диспергирование даёт исключительные результаты, подтверждающие его промышленный потенциал:

• Минимальная потребность в добавках: Относительно небольшого количества BCNTs, а именно 1,5 wt%, достаточно для достижения хорошей электропроводности пластичных смазок, превышающей 14 mS. Образцы, содержащие нанотрубки, демонстрируют хорошую электропроводность в диапазоне от 7 до 18,5 mS при измерениях в неподвижном состоянии.
• Улучшенные характеристики во время эксплуатации: Измерения электропроводности во время фактической работы шарикового подшипника показывают ещё более высокие значения: для состава с 3% BCNT зарегистрировано максимальное значение 31,5 mS. В каждом случае электропроводность возрастает по сравнению с измерениями в неподвижном состоянии, что указывает на дополнительное улучшение проводящих путей под действием механических напряжений во время эксплуатации.
• Превосходные фрикционные характеристики: Эффективные фрикционные характеристики достигаются у образцов с содержанием BCNT 1,5 wt%, демонстрирующих значения момента трения 6,1 и 5,1 Nmm. Это показывает, что оптимальная концентрация добавки обеспечивает баланс между электропроводностью и механическими характеристиками.
• Повышенная термическая стабильность: Добавление высоковязкого силиконового масла (5000 mm²/s) и пирогенного диоксида кремния в качестве загустителей повышает температуру каплепадения до значения выше 150°C, устраняя критическое ограничение при высокотемпературном применении.
• Оптимизированные составы: Базовое масло PDMS с вязкостью 50 mm/s, содержащее 3% BCNT и 1,0% коллоидного SiO₂, оказалось хорошо подходящим для нагружения шариковых подшипников, сочетая электропроводность с механической прочностью.

Ультразвук: преимущество при масштабировании до промышленного уровня

Хотя разработка в лабораторном масштабе с использованием Hielscher UIP1000hdT подтверждает концепцию, истинная ценность для промышленного применения заключается в возможности линейного масштабирования. Ультразвуковые аппараты Hielscher обладают уникальным преимуществом благодаря возможности линейного масштабирования, обеспечивающей плавный переход от настольной обработки в рамках исследований и разработок к производству больших объёмов в поточном режиме.
Для промышленного внедрения инженеры-технологи могут использовать модель UIP4000hdT мощностью 4kW, ультразвуковой аппарат UIP6000hdT мощностью 6kW или мощный UIP16000hdT на 16kW, оснащённые специализированными проточными ячейками. Такой подход к линейному масштабированию гарантирует, что составы, разработанные в лабораторном масштабе, сохраняют идентичное качество диспергирования и характеристики распределения частиц при изготовлении в производственном масштабе. Стабильность результатов, достигаемая благодаря ультразвуковой обработке, устраняет различия между партиями, характерные для традиционных методов смешивания, что особенно важно при использовании высокоэффективных смазочных материалов в аэрокосмической и автомобильной промышленности, а также в точном машиностроении.

Почему обработка ультразвуком важна для инноваций в области смазочных материалов

Преимущества ультразвукового диспергирования нанодобавок выходят за рамки простой эффективности смешивания. Эта технология обеспечивает:

1. Повышенное содержание добавок: Можно вводить нанодобавки в более высоких концентрациях без агломерации, максимально повышая эксплуатационные характеристики.
2. Повышенная стабильность при хранении: Однородные дисперсии предотвращают образование осадка и разделение фаз при длительном хранении.
3. Стабильное качество продукта: Каждая производственная партия имеет идентичные характеристики дисперсии, что крайне важно для применений, требующих строгого контроля качества.
4. Сокращённое время обработки: Ультразвуковая кавитация обеспечивает диспергирование за минуты вместо часов, необходимых при использовании традиционных методов.
5. Универсальность для различных составов: Технология подходит для различных базовых масел, загустителей и типов добавок, обеспечивая гибкость при разработке составов.

Ультразвуковые диспергаторы зондового типа позволяют получать высокоэффективные биосмазочные материалы.
(Исследование и изображение: Liu et al., 2020)

Усовершенствуйте производство наносмазочных материалов с помощью ультразвукового диспергирования

Внедрение ультразвуковой технологии в процессы производства смазочных материалов представляет собой смену парадигмы введения нанодобавок в их составы. Как показала успешная разработка электропроводящих пластичных смазок с использованием легированных азотом бамбукоподобных углеродных нанотрубок, высокоэнергетическая обработка ультразвуком обеспечивает получение однородных, стабильных дисперсий с исключительными эксплуатационными характеристиками. Благодаря возможности линейного масштабирования Hielscher от настольного ультразвукового аппарата UIP1000hdT до промышленных поточных ультразвуковых моделей, таких как UIP4000hdT, UIP6000hdT и UIP16000hdT с проточными ячейками, исследователи и инженеры-технологи могут уверенно переходить от открытий в ходе исследований и разработок к коммерческому производству, обеспечивая идентичные результаты применения инноваций в лаборатории и на заводе.
Будущее технологий смазочных материалов заключается не только в разработке новых нанодобавок, но и в освоении методов диспергирования, раскрывающих их полный потенциал. Ультразвуковая обработка связывает научные открытия с промышленным применением, обеспечивая создание нового поколения высокоэффективных смазочных материалов для сложных промышленных задач.

 
Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:

Проектирование, производство и консультирование – качество, сделанное в Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны благодаря высочайшим стандартам качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют легко интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные предприятия. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями и сложными рабочими средами.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, сочетающим передовые технологии с удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE, а также требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / ссылки

• 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.