Nanomaziva, izboljšana z ultrazvočnim dispergiranjem

Vključevanje nanododatkov v formulacije maziv predstavlja enega najpomembnejših napredkov v tribologiji v zadnjih letih. Vendar se raziskovalci in procesni inženirji soočajo z vztrajnim izzivom: doseči homogeno disperzijo nanodelcev v viskoznih baznih oljih, ne da bi pri tem porušili njihovo strukturno celovitost. Tradicionalne metode mešanja pogosto ne uspejo učinkovito razbiti aglomeratov, kar povzroča neenotne lastnosti izdelkov in omejeno stabilnost med skladiščenjem.

Rešitev: ultrazvočno dispergiranje nanododatkov pri formuliranju maziv

Ultrazvok visoke moči je najboljša rešitev za te izzive pri dispergiranju. Ultrazvočna oprema z uporabo načel akustične kavitacije v tekočih medijih ustvarja izmenjujoče se cikle visokega in nizkega tlaka. Med ciklom nizkega tlaka v tekočini nastanejo majhni vakuumski mehurčki. Ko ti mehurčki dosežejo največjo prostornino in ne morejo več absorbirati energije, med ciklom visokega tlaka silovito implodirajo. Ta implozija ustvari lokalne ekstremne razmere – temperature, ki dosežejo približno 5000 kelvinov, in tlake, ki presegajo 1000 atmosfer – ki učinkovito deaglomerirajo skupke nanodelcev in zagotavljajo enakomerno porazdelitev po celotni matrici maziva.
Za procesne inženirje to pomeni razliko med mazivom, pri katerem v nekaj tednih pride do usedanja in ločevanja, ter mazivom, ki ohranja svoje lastnosti skozi celotno življenjsko dobo komponente.

Študija primera: z dušikom dopirane ogljikove nanocevke s strukturo, podobno bambusu, v prevodnih mazalnih masteh

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 dopirane ogljikove nanocevke s strukturo, podobno bambusu, za razvoj električno prevodnih maziv« prikazuje, kako je homogenizator s sondo Hielscher UIP1000hdT (340 W, čas obdelave 2 min) omogočil proizvodnjo homogenih, stabilnih in električno prevodnih mazalnih masti za ležaje.
Raziskovalci so kot prevodne dodatke za mazalne masti uporabili ogljikove nanocevke s strukturo, podobno bambusu (BCNT). Zaradi vključitve dušika v grafitno strukturo stranskih sten nanocevk so se razvile izjemne elektronske in strukturne lastnosti, ki so privedle do odličnih adsorpcijskih lastnosti in električne prevodnosti. Ogljikove nanocevke so izjemni električno prevodni nanostrukturirani materiali, njihove elektronske lastnosti pa je mogoče namensko prilagajati z vključevanjem dušikovih atomov s tehnikami dopiranja.
Rezultati poudarjajo moč ultrazvočnega dispergiranja:

Ta študija primera služi kot tehnični dokaz izvedljivosti: ko ustrezen nanomaterial združimo z ustrezno ultrazvočno energijo, nastalo mazivo doseže kazalnike zmogljivosti, ki so prej veljali za nedosegljive s konvencionalnimi metodami mešanja.

Ključna značilnost ultrazvočnega nanodispergiranja v mazivih

Pristop z ultrazvočnim dispergiranjem daje izjemne rezultate, ki potrjujejo njegov industrijski potencial:

• Minimalne potrebne količine dodatkov: Relativno majhne količine BCNT, natančneje 1,5 wt%, zadostujejo za doseganje dobre električne prevodnosti mazalnih masti, ki presega 14 mS. Vzorci, ki vsebujejo nanocevke, pri meritvah v mirovanju izkazujejo dobro električno prevodnost v razponu od 7 do 18,5 mS.
• Izboljšane lastnosti med delovanjem: Meritve električne prevodnosti med dejanskim delovanjem krogličnih ležajev razkrivajo še višje vrednosti, pri čemer je bila pri formulaciji s 3% BCNT izmerjena največja vrednost 31,5 mS. Prevodnost se v vsakem primeru poveča v primerjavi z meritvami v mirovanju, kar kaže, da mehanske obremenitve med delovanjem dodatno izboljšajo prevodne poti.
• Vrhunske torne lastnosti: Učinkovite torne lastnosti so dosežene pri vzorcih z vsebnostjo 1,5 wt% BCNT, ki izkazujejo vrednosti tornega momenta 6,1 in 5,1 Nmm. To dokazuje, da optimalna koncentracija dodatka uravnoteži prevodnost in mehanske lastnosti.
• Izboljšana toplotna stabilnost: Dodatek silikonskega olja z visoko viskoznostjo (5000 mm²/s) in pirogenega silicijevega dioksida kot zgoščeval poveča kapljišče nad 150°C, s čimer odpravlja ključno omejitev pri visokotemperaturnih uporabah.
• Optimizirane formulacije: Bazno olje PDMS z viskoznostjo 50 mm/s, ki vsebuje 3% BCNT in 1,0% koloidnega SiO₂, se je izkazalo za primerno za obremenitve krogličnih ležajev, saj združuje prevodnost in mehansko robustnost.

Ultrazvok: prednost pri povečanju obsega na industrijsko raven

Medtem ko razvoj v laboratorijskem merilu z uporabo Hielscher UIP1000hdT dokazuje izvedljivost, je prava vrednost za industrijsko uporabo v možnosti linearnega povečanja obsega. Sonikatorji Hielscher ponujajo edinstveno prednost z možnostjo linearnega povečanja obsega, kar omogoča nemoten prehod od obdelave z namiznimi napravami v raziskavah in razvoju do pretočne proizvodnje velikih količin.
Za industrijsko izvedbo lahko procesni inženirji uporabijo model UIP4000hdT z močjo 4kW, sonikator UIP6000hdT z močjo 6kW ali zmogljivi UIP16000hdT z močjo 16kW, opremljene s specializiranimi pretočnimi celicami. Ta pristop linearnega povečanja obsega zagotavlja, da formulacije, razvite v laboratorijskem merilu, pri proizvodnji v proizvodnem merilu ohranijo enako kakovost disperzije in enake značilnosti porazdelitve delcev. Enotnost, dosežena z ultrazvočno obdelavo, odpravlja razlike med serijami, ki pestijo konvencionalne metode mešanja, kar je še posebej ključno pri uporabi visoko zmogljivih maziv v letalski in vesoljski industriji, avtomobilski industriji ter sektorju preciznih strojev.

Zakaj je ultrazvočna obdelava pomembna za inovacije na področju maziv

Prednosti ultrazvočnega dispergiranja nanododatkov presegajo zgolj učinkovitost mešanja. Tehnologija omogoča:

1. Večjo vsebnost dodatkov: Vključiti je mogoče višje koncentracije nanododatkov brez aglomeracije, s čimer se koristi za zmogljivost povečajo na največjo možno raven.
2. Izboljšano stabilnost med skladiščenjem: Homogene disperzije preprečujejo sedimentacijo in ločevanje faz med daljšimi obdobji skladiščenja.
3. Enotno kakovost izdelkov: Vsaka proizvodna serija doseže enake značilnosti disperzije, kar je ključno za uporabe, ki zahtevajo strog nadzor kakovosti.
4. Krajši čas obdelave: Ultrazvočna kavitacija doseže disperzijo v minutah namesto v urah, ki jih zahtevajo tradicionalne metode.
5. Vsestranskost pri različnih formulacijah: Tehnologija deluje z različnimi baznimi olji, zgoščevali in vrstami dodatkov ter zagotavlja prilagodljivost pri razvoju formulacij.

Ultrazvočni dispergatorji s sondo ustvarjajo visoko zmogljiva biomaziva.
(Študija in slika: Liu et al., 2020)

Izboljšajte proizvodnjo nanomaziv z ultrazvočnim dispergiranjem

Vključevanje ultrazvočne tehnologije v proizvodne procese maziv predstavlja spremembo paradigme pri vključevanju nanododatkov v formulacije maziv. Kot dokazuje uspešen razvoj električno prevodnih mazalnih masti z uporabo z dušikom dopiranih ogljikovih nanocevk s strukturo, podobno bambusu, ultrazvočna obdelava z visoko energijo zagotavlja homogene, stabilne disperzije z izjemnimi lastnostmi. Z možnostjo linearnega povečanja obsega, ki jo ponuja Hielscher, od namiznega sonikatorja UIP1000hdT do industrijskih pretočnih sonikatorjev, kot so modeli UIP4000hdT, UIP6000hdT in UIP16000hdT s pretočnimi celicami, lahko raziskovalci in procesni inženirji zanesljivo preidejo od odkritij v raziskavah in razvoju do komercialne proizvodnje ter zagotovijo, da inovacija, dosežena v laboratoriju, v tovarni deluje enako.
Prihodnost tehnologije maziv ni le v razvoju novih nanododatkov, temveč tudi v obvladovanju tehnik dispergiranja, ki omogočajo izkoristek njihovega celotnega potenciala. Ultrazvočna obdelava predstavlja most med znanstvenimi odkritji in industrijsko uporabo ter omogoča naslednjo generacijo visoko zmogljivih maziv za zahtevne industrijske uporabe.

 
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost, izdelana v Nemčiji

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so ultrazvočne naprave Hielscher skladne z zahtevami CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / Viri

• 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.