Mazivá s funkčnými vlastnosťami zlepšenými nanočasticami
Mazacie oleje môžu výrazne profitovať z nanoprísad, ktoré pomáhajú znižovať trenie a opotrebovanie. Je však zásadné, aby nanoprísady, ako sú nanočastice, grafénové monovrstvy alebo nanosféry typu jadro–obal, boli v mazive dispergované rovnomerne a jednotlivo. Ultrazvuková dispergácia sa osvedčila ako spoľahlivá a účinná metóda miešania, ktorá zabezpečuje homogénne rozloženie nanočastíc a zabraňuje agregácii.
Ako dispergovať nanoprísady v mazacích kvapalinách? – Pomocou ultrazvuku!
Používanie nanoprísad v mazivách sa považuje za jednu z najúčinnejších metód zlepšovania tribologických vlastností, ktorá znižuje trenie a opotrebovanie. Takéto zlepšenie tribologických vlastností výrazne zvyšuje úsporu energie a znižuje emisie, čím sa znižuje vplyv na životné prostredie.
Výzva pri mazivách zlepšených nanoprísadami spočíva v miešaní: nanomateriály, ako sú nanočastice alebo kryštalická nanocelulóza, vyžadujú miešadlá so sústredeným pôsobením vysokých šmykových síl, ktoré nanomateriály rovnomerne dispergujú a rozpletajú na jednotlivé častice. Ultrazvukové spracovanie pomocou vysokovýkonných ultrazvukových sond vytvára jedinečné polia s vysokou hustotou energie a pri spracovaní nanomateriálov preukázalo svoju prevahu, vďaka čomu je zavedenou metódou prípravy nanodisperzií.
Molseh et al. (2009) preukázali, že stabilita disperzie troch rôznych nanočastíc (disulfidu molybdénu (MoS2), disulfidu volfrámu (WS2) a hexagonálneho nitridu bóru (hBN)) v CIMFLO 20 bola pri ultrazvukovom spracovaní lepšia než pri mechanickom pretrepávaní a miešaní. Keďže ultrazvuková kavitácia vytvára jedinečné podmienky s vysokou hustotou energie, ultrazvukové spracovanie pomocou sondy prekonáva bežné dispergačné techniky z hľadiska účinnosti aj efektívnosti.
Vlastnosti nanočastíc, ako sú veľkosť, tvar a koncentrácia, ovplyvňujú ich tribologické vlastnosti. Hoci sa ideálna nanometrická veľkosť líši v závislosti od materiálu, väčšina nanočastíc vykazuje najlepšie funkčné vlastnosti v rozsahu od desiatich do sto nanometrov. Ideálna koncentrácia nanoprísad v mazacom oleji je väčšinou v rozsahu 0,1–5,0% .
Oxidové nanočastice, ako sú Al2O3, CuO alebo ZnO, sa vo veľkej miere používajú na zlepšenie tribologických vlastností mazív. Medzi ďalšie prísady patria bezpopolové prísady, iónové kvapaliny, estery kyseliny boritej, anorganické nanomateriály a nanostruktúry odvodené od uhlíka, ako sú uhlíkové nanorúrky (CNTs), grafit a grafén. Špecifické prísady sa používajú na zlepšenie konkrétnych vlastností mazacích olejov. Napríklad mazivá zabraňujúce opotrebovaniu obsahujú vysokotlakové prísady, ako sú disulfid molybdénu, grafit, sírené olefíny a dialkylditiokarbamátové komplexy, alebo protioderové prísady, ako sú triarylfosforečnany a dialkylditiofosforečnan zinočnatý.
Ultrazvukové sondové homogenizátory sú spoľahlivé miešadlá a používajú sa pri formulovaní vysokovýkonných mazív. Sonikácia je známa svojou prevahou pri príprave suspenzií s časticami nanometrických rozmerov a je vysoko účinná pri priemyselnej výrobe mazacích olejov.
Prečítajte si viac o ultrazvukových dispergátoroch na výrobu nanomazív!
Priemyselný ultrazvukový miešací systém na dispergáciu nanočastíc do mazacích olejov s vysokou kapacitou spracovania.
- zlepšené tribologické vlastnosti
- rovnomerné zapracovanie nanoprísad
- mazivá na báze rastlinných olejov
- príprava tribofilmu
- kvapaliny na tvárnenie plechov
- nanokvapaliny na zvýšenie účinnosti chladenia
- iónové kvapaliny v mazivách na vodnej alebo olejovej báze
- kvapaliny na preťahovanie
Ultrazvuková dispergácia oxidu hlinitého (Al2O3) vedie k výraznému zmenšeniu veľkosti častíc a rovnomernej disperzii.
Výroba mazív s nanoprísadami
Pri výrobe mazacích olejov so zlepšenými vlastnosťami vďaka nanomateriálom sú rozhodujúce vhodný nanomateriál a výkonná, účinná dispergačná technika. Bez spoľahlivej a dlhodobo stabilnej nanodisperzie nemožno vyrobiť vysokovýkonné mazivo.
Ultrazvukové miešanie a dispergovanie je osvedčenou metódou výroby vysokovýkonných mazív. Vlastnosti základového oleja mazív sa zlepšujú prísadami, ako sú nanomateriály, polyméry, inhibítory korózie, antioxidanty a ďalšie jemné agregáty. Ultrazvukové šmykové sily sú vysoko účinné pri dosahovaní distribúcie veľmi jemných častíc. Ultrazvukové (sonomechanické) sily dokážu rozomlieť dokonca aj primárne častice a používajú sa na funkcionalizáciu častíc, aby výsledné nanočastice poskytovali vynikajúce vlastnosti (napr. úprava povrchu, nanočastice typu jadro–obal, dopované nanočastice).
Ultrazvukové miešače s vysokým šmykom môžu výrazne pomôcť pri efektívnej výrobe vysokovýkonných mazív!
Olejová zmes s dialkylditiofosfátom zinočnatým (ZDDP) a povrchovo modifikovanými nanočasticami PTFE (PHGM) po ultrazvukovom dispergovaní.
(Štúdia a obrázok: Sharma et al., 2017)
Nové nanoprísady v mazacích olejoch
Vyvíjajú sa nové prísady s nanometrovými rozmermi na ďalšie zlepšenie funkčných a úžitkových vlastností mazacích olejov a plastických mazív. Napríklad nanokryštály celulózy (CNC) sa skúmajú a testujú pri formulovaní ekologických mazív. Zakani et al. (2022) preukázali, že – v porovnaní s mazacími suspenziami neošetrenými ultrazvukom – mazivá s CNC ošetrené ultrazvukom dokázali znížiť COF (koeficient trenia) takmer o 25% a opotrebenie takmer o 30%. Výsledky tejto štúdie naznačujú, že ultrazvukové spracovanie môže významne zlepšiť mazacie vlastnosti vodných suspenzií CNC.
Vysokovýkonné ultrazvukové dispergátory na výrobu mazív
Keď sa nanoprísady používajú v priemyselných výrobných procesoch, napríklad pri výrobe mazacích olejov, je rozhodujúce homogénne vmiešanie suchých práškov (t. j. nanomateriálov) do kvapalnej fázy (mazacieho oleja). Dispergovanie nanočastíc vyžaduje spoľahlivú a účinnú techniku miešania, ktorá dodá dostatok energie na rozrušenie aglomerátov, aby sa mohli naplno prejaviť vlastnosti častíc s nanometrovými rozmermi. Ultrazvukové prístroje sú dobre známe ako výkonné a spoľahlivé dispergátory, preto sa používajú na deaglomeráciu a homogénne rozptýlenie rôznych materiálov, ako sú oxid hlinitý, nanorúrky, grafén, minerály a mnohé ďalšie materiály, v kvapalnej fáze, napríklad v minerálnych, syntetických alebo rastlinných olejoch. Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové dispergátory pre všetky druhy homogenizačných a deaglomeračných aplikácií.
Kontaktujte nás ešte dnes a dozviete sa viac o ultrazvukovom dispergovaní nanoprísad v mazivách!
Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané prístroje |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zoskupenie prístrojov UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergovanie, emulgovanie a extrakciu v laboratórnom, poloprevádzkovom a priemyselnom meradle.
Nanomazivá s PTFE 7 dní po príprave (A: základový olej, B: nanomazivo s PTFE po 1 hodine ultrazvukového ošetrenia, C: nanomazivo s PTFE po 30 min. ultrazvukového ošetrenia).
(Štúdia a obrázok: © Kumar et al., 2013)
Vplyv ultrazvukového ošetrenia na disperznú stabilitu Al2O3 v mazivách.
(Štúdia a graf: © Sharif et al., 2017)
Užitočné informácie
Čo sú mazivá?
Hlavným účelom mazív alebo mazacích olejov je znižovať trenie a opotrebovanie spôsobené mechanickým kontaktom, ako aj teplo. V závislosti od použitia a zloženia sa mazivá delia na motorové oleje, prevodové kvapaliny, hydraulické kvapaliny, prevodové oleje a priemyselné mazivá.
Mazivá sa preto široko používajú v motorových vozidlách aj v priemyselných strojoch. Na zabezpečenie dobrého mazania obsahujú mazacie oleje zvyčajne 90% základového oleja (väčšinou ropné frakcie, t. j. minerálne oleje) a menej ako 10% prísad. Ak sa minerálne oleje nepoužívajú, ako alternatívne základové oleje možno použiť rastlinné oleje alebo syntetické kvapaliny, ako sú hydrogenované polyolefíny, estery, silikóny, fluórované uhľovodíky a mnohé ďalšie. Hlavným účelom mazív je znižovať trenie a opotrebovanie spôsobené mechanickým kontaktom, ako aj znižovať trecie teplo a energetické straty. Mazivá sa preto široko používajú v motorových vozidlách aj v priemyselných strojoch.
Antioxidačné látky, ako sú amínové a fenolové primárne antioxidanty, prírodné kyseliny, látky rozkladajúce peroxidy a pyrazíny, predlžujú životnosť mazív zvyšovaním ich odolnosti proti oxidácii. Základový olej je tak chránený pred tepelnou degradáciou, pretože termooxidačný rozklad prebieha v menšej miere a s oneskorením.
Druhy mazív
Kvapalné mazivá: Kvapalné mazivá sú vo všeobecnosti založené na jednom druhu základového oleja. Do tohto základového oleja sa často pridávajú ďalšie látky na zlepšenie funkčných vlastností a výkonnosti. Medzi typické prísady patria napríklad voda, minerálny olej, lanolín, rastlinný alebo prírodný olej, nanoprísady atď.
Väčšina mazív sú kvapaliny a podľa pôvodu ich možno rozdeliť do dvoch skupín:
- Minerálne oleje: Minerálne oleje sú mazacie oleje získavané rafináciou ropy.
- Syntetické oleje: Syntetické oleje sú mazacie oleje vyrábané pomocou zlúčenín, ktoré sú umelo upravené alebo syntetizované z upravenej ropy.
Mazací tuk je tuhé alebo polotuhé mazivo pozostávajúce z kvapalného maziva, ktoré je zahustené dispergovaním zahusťovadiel. Pri výrobe mazacieho tuku sa mazacie oleje používajú ako základové oleje a sú hlavnou zložkou. Mazací tuk obsahuje približne 70% až 80% mazacieho oleja.
Penetračné mazivá a suché mazivá sú ďalšie druhy, ktoré sa používajú najmä na úzko špecializované aplikácie.
Biomazivá sa vzťahujú najmä na základovú kvapalinu alebo celkový environmentálny profil, nie nevyhnutne na biologický pôvod každej jednotlivej prísady. Biomazivá sú bežne založené na rastlinných olejoch, syntetických esteroch, olejoch rastlinného pôvodu alebo iných obnoviteľných/biologicky odbúrateľných základových materiáloch. Podobne ako konvenčné mazivá však často stále vyžadujú funkčné prísady na zlepšenie ochrany proti opotrebovaniu, oxidačnej stability, ochrany proti korózii, viskozitného správania a únosnosti. To znamená, že biomazivá sa definujú v širšom zmysle na základe obnoviteľného pôvodu, biologickej odbúrateľnosti, nízkej toxicity a environmentálnych vlastností, namiesto požiadavky, aby každá prísada mala biologický pôvod.
Prečítajte si viac o sonikácii pri príprave formulácií biomazív!
Nanoprísady, ktorých príklady sú uvedené vyššie, možno úspešne vmiešavať do mazív pomocou ultrazvukových dispergátorov.
Literatúra / Referencie
- 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.
- Reddy, Chenga; Arumugam, S.; Venkatakrishnan, Santhanam (2019): RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant. Arabian Journal for Science and Engineering 44, 2019.
- Zakani, Behzad; Entezami, Sohrab; Grecov, Dana; Salem, Hayder; Sedaghat, Ahmad (2022): Effect of ultrasonication on lubrication performance of cellulose nano-crystalline (CNC) suspensions as green lubricants. Carbohydrate Polymers 282(5), 2022.
- 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.
- Sharma, Vinay, Johansson, Jens; Timmons, Richard; Prakash, Braham; Aswath, Pranesh (2018): Tribological Interaction of Plasma-Functionalized Polytetrafluoroethylene Nanoparticles with ZDDP and Ionic Liquids. Tribology Letters 66, 2018.
- Haijun Liu, Xianjun Hou, Xiaoxue Li, Hua Jiang, Zekun Tian, Mohamed Kamal Ahmed Ali (2020): Effect of Mixing Temperature, Ultrasonication Duration and Nanoparticles/Surfactant Concentration on the Dispersion Performance of Al2O3 Nanolubricants. Research Square 2020.
- Kumar D.M., Bijwe J., Ramakumar S.S. (2013): PTFE based nano-lubricants. Wear 306 (1–2), 2013. 80–88.
- Sharif M.Z., Azmi W.H., Redhwan A.A. M, Mamat R., Yusof T.M. (2017): Performance analysis of SiO2 /PAG nanolubricant in automotive air conditioning system. International Journal of Refrigeration 75, 2017. 204–216.
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory vo veľkostiach od laboratórnych až po priemyselné.