Nano-maziva, izboljšana z ultrazvočno disperzijo

Vključevanje nano-aditivov v formulacije maziv predstavlja enega najpomembnejših napredkov na področju tribologije v zadnjih letih. Vendar se raziskovalci in procesni inženirji soočajo s stalnim izzivom: kako doseči homogeno disperzijo delcev v nanometrskem obsegu v viskoznih baznih oljih, ne da bi pri tem prišlo do poslabšanja njihove strukturne celovitosti. Tradicionalne metode mešanja pogosto ne uspejo učinkovito razgraditi aglomeratov, kar povzroča neenakomerno delovanje izdelka in omejeno stabilnost pri shranjevanju.

Rešitev: disperzija nano-aditivov z ultrazvokom v sestavi maziva

Visokozmogljivi ultrazvok je najboljša rešitev za te izzive pri dispergiranju. Z uporabo načel akustične kavitacije ultrazvočna oprema v tekočih medijih ustvarja izmenične cikle visokega in nizkega tlaka. Med ciklom nizkega tlaka se v tekočini tvorijo majhni vakuumski mehurčki. Ko ti mehurčki dosežejo največji volumen in ne morejo več absorbirati energije, se med ciklom visokega tlaka nasilno sesujejo. Ta sesutje ustvarja lokalizirane ekstremne pogoje – temperature, ki dosežejo približno 5000 kelvinov, in tlaki, ki presegajo 1000 atmosfer – ki učinkovito razbijajo skupke nanodelcev in zagotavljajo enakomerno porazdelitev po celotni matrici maziva.
Za procesne inženirje to pomeni razliko med mazivom, ki se v nekaj tednih usede in loči, ter mazivom, ki ohranja svoj profil zmogljivosti skozi celotno življenjsko dobo sestavnega dela.

Primer iz prakse: z dušikom dopirane ogljikove nanotube, podobne bambusu, v prevodnih mazivih

Prepričljiv primer učinkovitosti ultrazvočne tehnologije pri proizvodnji maziv izhaja iz raziskave, objavljene v reviji *Journal of Materials Research and Technology* (2019). Študija z naslovom “Uporaba z dušikom dopiranih ogljikovih nanotub, podobnih bambusu, za razvoj električno prevodnih maziv,” prikazuje, kako je homogenizator Hielscher UIP1000hdT s sondo (340 W, čas obdelave 2 min) omogočil proizvodnjo homogenih, stabilnih in električno prevodnih maziv za ležaje.
Raziskovalci so kot prevodne dodatke za maziva uporabili ogljikove nanotrubice v obliki bambusa (BCNT). Zaradi vključitve dušika v grafitno strukturo stranskih sten nanotrubic so se razvile izjemne elektronske in strukturne lastnosti, kar je privedlo do odličnega adsorpcijskega obnašanja in električne prevodnosti. Ogljikove nanotube so izjemni električno prevodni nanostrukturirani materiali, njihove elektronske lastnosti pa je mogoče specifično prilagoditi z vključevanjem dušikovih atomov s pomočjo tehnik dopiranja.
Rezultati poudarjajo učinkovitost ultrazvočne disperzije:

Ta študija primera služi kot tehnični dokaz izvedljivosti: ko se pravi nanomaterial združi s pravo ultrazvočno energijo, tako nastalo mazivo doseže zmogljivostne kazalnike, ki so se prej šteli za nedosegljive s konvencionalnimi metodami mešanja.

Ključna lastnost ultrazvočne nanodisperzije v mazivih

Metoda ultrazvočne disperzije prinaša izjemne rezultate, ki potrjujejo njen industrijski potencial:

• Minimalne zahteve glede dodatkov: Za doseganje dobre električne prevodnosti maziv, ki presega 14 mS, zadostujejo relativno majhne količine BCNT-jev, in sicer 1,5 mas. %. Vzorci, ki vsebujejo nanotube, pri stacionarnih meritvah kažejo dobro električno prevodnost v razponu od 7 do 18,5 mS.
• Izboljšana zmogljivost med delovanjem: Meritve električne prevodnosti med dejanskim delovanjem krogličnega ležaja kažejo še višje vrednosti, pri čemer je bila pri formulaciji z 3 % BCNT zabeležena najvišja vrednost 31,5 mS. Prevodnost se v vseh primerih poveča v primerjavi z meritvami v mirovanju, kar kaže, da mehanska obremenitev med delovanjem dodatno izboljša prevodne poti.
• Izjemne lastnosti pri trenju: Učinkovite torne lastnosti so bile dosežene pri vzorcih z 1,5 mas. % BCNT, ki so pokazali vrednosti tornega navora 6,1 in 5,1 Nmm. To dokazuje, da optimalna koncentracija dodatka zagotavlja ravnovesje med prevodnostjo in mehanskimi lastnostmi.
• Izboljšana toplotna stabilnost: Dodajanje silikonskega olja z visoko viskoznostjo (5000 mm²/s) in pirogenega silicijevega dioksida kot zgoščevalcev dvigne točko kapljanja nad 150 °C, s čimer se odpravlja ključna omejitev pri uporabi pri visokih temperaturah.
• Optimizirane formulacije: Osnovno olje PDMS, ki vsebuje 3 % BCNT in 1,0 % koloidnega SiO₂ ter ima viskoznost 50 mm/s, se je izkazalo za primerno za polnjenje krogličnih ležajev, saj združuje prevodnost in mehansko trdnost.

Ultrazvok: prednost pri povečanju proizvodnje v industrijskem obsegu

Čeprav razvoj v laboratorijskem obsegu z uporabo naprave Hielscher UIP1000hdT dokazuje izvedljivost koncepta, prava vrednost za industrijske aplikacije leži v linearni skalabilnosti. Ultrazvočne naprave Hielscher ponujajo edinstveno prednost zaradi svoje zmožnosti linearnega povečanja obsega, kar omogoča nemoten prehod iz R&Od namizne obdelave do serijske proizvodnje velikih količin.
Za industrijsko uporabo lahko procesni inženirji uporabijo 4-kW model UIP4000hdT, 6-kW sonikator UIP6000hdT ali zmogljiv 16-kW model UIP16000hdT, opremljen s specializiranimi pretočnimi celicami. Ta linearni pristop k povečanju obsega zagotavlja, da formulacije, razvite v laboratorijskem obsegu, ohranijo enako kakovost disperzije in značilnosti porazdelitve delcev tudi pri proizvodnji v serijskem obsegu. Doslednost, dosežena z ultrazvočno obdelavo, odpravlja odstopanja med serijami, ki so značilna za konvencionalne metode mešanja, kar je še posebej pomembno za visokozmogljiva maziva v letalski, avtomobilski industriji ter sektorju preciznih strojev.

Zakaj je ultrazvok pomemben za inovacije na področju maziv

Prednosti disperzije nano-aditivov z ultrazvokom segajo dlje od zgolj učinkovitosti mešanja. Ta tehnologija omogoča:

1. Večja vsebnost aditivov: V material je mogoče vključiti višje koncentracije nano-aditivov brez aglomeracije, s čimer se dosežejo največje možne prednosti v smislu zmogljivosti.
2. Izboljšana obstojnost na polici: Homogene disperzije preprečujejo usedanje in ločevanje faz med daljšim skladiščenjem.
3. Dosledna kakovost izdelkov: Vsaka proizvodna serija dosega enake disperzijske lastnosti, kar je ključnega pomena za uporabe, ki zahtevajo strog nadzor kakovosti.
4. Skrajšan čas obdelave: Ultrazvočna kavitacija omogoča disperzijo v nekaj minutah, namesto v urah, ki so potrebne pri tradicionalnih metodah.
5. Vsestranskost pri različnih formulacijah: Ta tehnologija je združljiva z različnimi baznimi olji, zgoščevalnimi sredstvi in vrstami aditivov, kar omogoča prožnost pri razvoju formulacij.

Ultrazvočni dispergator s sondo omogoča proizvodnjo visoko zmogljivih bioloških maziv.
(Študija in slika: Liu in sod., 2020)

Izboljšajte proizvodnjo nano-maziv z ultrazvočno disperzijo

Vključitev ultrazvočne tehnologije v proizvodne procese maziv predstavlja paradigmatski premik v načinu vključevanja nano-aditivov v formulacije maziv. Kot je pokazal uspešen razvoj električno prevodnih maziv z uporabo z dušikom dopiranih ogljikovih nanotub, podobnih bambusu, visokoenergetska ultrazvočna obdelava zagotavlja homogene, stabilne disperzije z izjemnimi zmogljivostnimi lastnostmi. Z Hielscherjevo linearno možnostjo povečanja zmogljivosti od namiznega ultrazvočnika UIP1000hdT do industrijskih vgrajenih modelov ultrazvočnikov, kot sta UIP4000hdT, UIP6000hdT in UIP16000hdT s pretočnimi celicami, lahko raziskovalci in procesni inženirji z zaupanjem preidejo iz raziskovalne&Od odkritja do komercialne proizvodnje, pri čemer zagotovimo, da inovacija, razvita v laboratoriju, v tovarni deluje enako.
Prihodnost tehnologije maziv ne leži le v razvoju novih nano-aditivov, temveč tudi v obvladovanju tehnik disperzije, ki omogočajo izkoriščanje njihovega polnega potenciala. Ultrazvočna obdelava predstavlja most med znanstvenimi odkritji in industrijsko uporabo ter omogoča razvoj naslednje generacije visokozmogljivih maziv za zahtevne industrijske aplikacije.

 
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / Reference