Maziva s funkcionalnimi lastnostmi, izboljšanimi z nanodelci
Mazalnim oljem lahko nanododatki, ki pomagajo zmanjšati trenje in obrabo, zelo koristijo. Vendar je ključno, da so nanododatki, kot so nanodelci, enoslojne plasti grafena ali nanokrogle z jedrom in ovojem, v mazivu enakomerno dispergirani kot posamezni delci. Ultrazvočno dispergiranje se je izkazalo za zanesljivo in učinkovito metodo mešanja, ki zagotavlja homogeno porazdelitev nanodelcev in preprečuje agregacijo.
Kako dispergirati nanododatke v mazalnih tekočinah? – Z ultrazvokom!
Uporaba nanododatkov v mazivih velja za eno najučinkovitejših metod za izboljšanje triboloških lastnosti z zmanjšanjem trenja in obrabe. Takšno tribološko izboljšanje močno poveča prihranke energije in zmanjšanje emisij ter s tem zmanjša vpliv na okolje.
Izziv pri mazivih, izboljšanih z nanomateriali, je mešanje: nanomateriali, kot so nanodelci ali kristalinična nanoceluloza, zahtevajo mešalnike z usmerjenim delovanjem in visokim strigom, ki nanomateriale enakomerno dispergirajo in razpletajo v posamezne delce. Sonikacija z ultrazvočnimi sondami visoke moči ustvarja edinstvena polja z visoko gostoto energije in se je izkazala za boljšo pri obdelavi nanomaterialov, zato je uveljavljena metoda za pripravo nanodisperzij.
Molseh et al. (2009) so pokazali, da je bila stabilnost disperzij treh različnih nanodelcev (molibdenovega disulfida (MoS2), volframovega disulfida (WS2) in heksagonalnega borovega nitrida (hBN)) v CIMFLO 20 pri ultrazvočni obdelavi boljša kot pri mehanskem stresanju in mešanju. Ker ultrazvočna kavitacija ustvarja edinstvene razmere z visoko gostoto energije, sonikacija s sondo po uspešnosti in učinkovitosti presega običajne tehnike dispergiranja.
Lastnosti nanodelcev, kot so velikost, oblika in koncentracija, vplivajo na njihove tribološke lastnosti. Čeprav se idealna velikost nanodelcev razlikuje glede na material, večina nanodelcev izkazuje najboljše funkcionalne lastnosti v območju od deset do sto nanometrov. Idealna koncentracija nanododatkov v mazalnem olju je večinoma med 0,1–5,0% .
Oksidni nanodelci, kot so Al2O3, CuO ali ZnO, se pogosto uporabljajo za izboljšanje tribološke učinkovitosti maziv. Drugi dodatki vključujejo dodatke brez pepela, ionske tekočine, boratne estre, anorganske nanomateriale in nanostrukture na osnovi ogljika, kot so ogljikove nanocevke (CNTs), grafit in grafen. Posebni dodatki se uporabljajo za izboljšanje določenih lastnosti mazalnih olj. Maziva za preprečevanje obrabe na primer vsebujejo dodatke za ekstremne tlake, kot so molibdenov disulfid, grafit, žveplani olefini in dialkilditiokarbamatni kompleksi, ali dodatke proti obrabi, kot so triarilfosfati in cinkov dialkilditiofosfat.
Ultrazvočni homogenizatorji s sondo so zanesljivi mešalniki in se uporabljajo za formuliranje visokozmogljivih maziv. Sonikacija, ki slovi kot boljša metoda za pripravo suspenzij z delci nanometrskih velikosti, je zelo učinkovita pri industrijski proizvodnji mazalnih olj.
Preberite več o ultrazvočnih dispergatorjih za proizvodnjo nanomaziv!
Industrijski ultrazvočni mešalni sistem za dispergiranje nanodelcev v mazalna olja z veliko zmogljivostjo obdelave.
- izboljšana tribološka učinkovitost
- enakomerno vključevanje nanododatkov
- maziva na osnovi rastlinskih olj
- priprava tribofilma
- tekočine za preoblikovanje pločevine
- nanotekočine za izboljšano učinkovitost hlajenja
- ionske tekočine v mazivih na vodni ali oljni osnovi
- tekočine za prevlačenje
Ultrazvočno dispergiranje aluminijevega oksida (Al2O3) povzroči znatno zmanjšanje velikosti delcev in enakomerno disperzijo.
Proizvodnja maziv z nanododatki
Za proizvodnjo mazalnih olj, izboljšanih z nanomateriali, sta ključna ustrezen nanomaterial in zmogljiva, učinkovita tehnika dispergiranja. Brez zanesljive in dolgoročno stabilne nanodisperzije ni mogoče izdelati visokozmogljivega maziva.
Ultrazvočno mešanje in dispergiranje sta uveljavljena metoda za proizvodnjo visokozmogljivih maziv. Bazno olje maziv se izboljša z dodatki, kot so nanomateriali, polimeri, zaviralci korozije, antioksidanti in drugi drobni agregati. Ultrazvočne strižne sile zelo učinkovito zagotavljajo porazdelitev zelo majhnih velikosti delcev. Ultrazvočne (sonomehanske) sile lahko zmeljejo celo primarne delce in se uporabljajo za funkcionalizacijo delcev, tako da nastali nanodelci zagotavljajo boljše lastnosti (npr. površinska modifikacija, nanodelci z jedrom in ovojem, dopirani nanodelci).
Ultrazvočni mešalniki z visokim strigom lahko močno pripomorejo k učinkoviti proizvodnji visokozmogljivih maziv!
Oljna mešanica s cinkovim dialkilditiofosfatom (ZDDP) in površinsko modificiranimi nanodelci PTFE (PHGM) po ultrazvočnem dispergiranju.
(Študija in slika: Sharma et al., 2017)
Novi nanododatki v mazalnih oljih
Novi dodatki nanometrskih velikosti se razvijajo za nadaljnje izboljšanje funkcionalnih lastnosti in učinkovitosti mazalnih olj in masti. Celulozni nanokristali (CNCs) se na primer raziskujejo in preizkušajo za formuliranje zelenih maziv. Zakani et al. (2022) so pokazali, da bi lahko sonikirana maziva s CNC – v primerjavi z nesonikiranim mazalnimi suspenzijami – zmanjšala COF (koeficient trenja) za skoraj 25 in obrabo za skoraj 30%. Rezultati te študije nakazujejo, da lahko ultrazvočna obdelava znatno izboljša mazalno učinkovitost vodnih suspenzij CNC.
Visokozmogljivi ultrazvočni dispergatorji za proizvodnjo maziv
Pri uporabi nanododatkov v industrijskih proizvodnih procesih, kot je proizvodnja mazalnih olj, je ključno, da se suhi praški (tj. nanomateriali) homogeno vmešajo v tekočo fazo (mazalno olje). Dispergiranje nanodelcev zahteva zanesljivo in učinkovito tehniko mešanja, ki dovaja dovolj energije za razbitje aglomeratov, da se lahko izrazijo lastnosti delcev nanometrskih velikosti. Ultrazvočne naprave so dobro znane kot zmogljivi in zanesljivi dispergatorji, zato se uporabljajo za deaglomeracijo in homogeno porazdelitev različnih materialov, kot so aluminijev oksid, nanocevke, grafen, minerali in številni drugi materiali, v tekočo fazo, kot so mineralna, sintetična ali rastlinska olja. Hielscher Ultrasonics načrtuje, proizvaja in distribuira visokozmogljive ultrazvočne dispergatorje za vse vrste uporab pri homogenizaciji in deaglomeraciji.
Obrnite se na nas zdaj in izvedite več o ultrazvočnem dispergiranju nanododatkov v mazivih!
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvaja visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem merilu.
Nanomaziva s PTFE 7 dni po pripravi (A: bazno olje, B: nanomazivo s PTFE z 1 uro sonikacije, C: nanomazivo s PTFE s 30 min. sonikacije).
(Študija in slika: © Kumar et al., 2013)
Vpliv sonikacije na stabilnost disperzije Al2O3 v mazivih.
(Študija in grafični prikaz: © Sharif et al., 2017)
Koristna dejstva
Kaj so maziva?
Glavna uporaba maziv oziroma mazalnih olj je zmanjšanje trenja in obrabe zaradi mehanskega stika ter toplote. Glede na uporabo in sestavo se maziva delijo na motorna olja, tekočine za menjalnike, hidravlične tekočine, olja za zobniške prenose in industrijska maziva.
Zato se maziva pogosto uporabljajo tako v motornih vozilih kot v industrijskih strojih. Za zagotavljanje dobrega mazanja mazalna olja običajno vsebujejo 90% baznega olja (večinoma naftnih frakcij, tj. mineralnih olj) in manj kot 10% dodatkov. Kadar se izogibamo mineralnim oljem, se lahko kot alternativna bazna olja uporabljajo rastlinska olja ali sintetične tekočine, kot so hidrogenirani poliolefini, estri, silikoni, fluoroogljikovodiki in številne druge. Glavna uporaba maziv je zmanjšanje trenja in obrabe zaradi mehanskega stika ter zmanjšanje toplote zaradi trenja in energijskih izgub. Zato se maziva pogosto uporabljajo tako v motornih vozilih kot v industrijskih strojih.
Antioksidativne snovi, kot so aminski in fenolni primarni antioksidanti, naravne kisline, razgrajevalci peroksidov in pirazini, podaljšajo življenjsko dobo maziv s povečanjem odpornosti proti oksidaciji. S tem je bazno olje zaščiteno pred toplotno razgradnjo, saj je termooksidativna razgradnja zmanjšana in zakasnjena.
Vrste maziv
Tekoča maziva: Tekoča maziva običajno temeljijo na eni vrsti baznega olja. Temu baznemu olju se pogosto dodajajo druge snovi za izboljšanje funkcionalnih lastnosti in učinkovitosti. Značilni dodatki vključujejo na primer vodo, mineralno olje, lanolin, rastlinsko ali naravno olje, nanododatke itd.
Večina maziv je tekočih in jih lahko glede na izvor razvrstimo v dve skupini:
- Mineralna olja: mineralna olja so mazalna olja, pridobljena z rafiniranjem surove nafte.
- Sintetična olja: sintetična olja so mazalna olja, izdelana z uporabo spojin, ki so umetno modificirane ali sintetizirane iz modificirane nafte.
Mazalna mast je trdno ali poltrdno mazivo, sestavljeno iz tekočega maziva, ki je zgoščeno z dispergiranjem zgoščeval v njem. Za proizvodnjo mazalne masti se mazalna olja uporabljajo kot bazna olja in so glavna sestavina. Mazalna mast vsebuje približno 70% do 80% mazalnega olja.
Prodorna maziva in suha maziva so dodatne vrste, ki se uporabljajo predvsem za nišne namene.
Biomaziva se nanašajo predvsem na bazno tekočino ali celoten okoljski profil, kar ne pomeni nujno, da je vsak posamezni dodatek biološkega izvora. Biomaziva običajno temeljijo na rastlinskih oljih, sintetičnih estrih, oljih rastlinskega izvora ali drugih obnovljivih oziroma biološko razgradljivih baznih materialih. Vendar podobno kot običajna maziva pogosto še vedno potrebujejo funkcionalne dodatke za izboljšanje zaščite pred obrabo, oksidacijske stabilnosti, zaščite pred korozijo, viskoznostnih lastnosti in nosilnosti. To pomeni, da so biomaziva opredeljena širše glede na obnovljiv izvor, biološko razgradljivost, nizko toksičnost in okoljsko učinkovitost, ne da bi bilo zahtevano, da je vsak dodatek biološkega izvora.
Preberite več o sonikaciji za formuliranje biomaziv!
Nanododatke, ki so kot primeri navedeni zgoraj, je mogoče z ultrazvočnimi dispergatorji uspešno vmešati v maziva.
Literatura / Reference
- 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 proizvaja visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijske do industrijske velikosti.