Nanosmörjmedel förbättrade genom ultraljudsdispersion

Införandet av nanoadditiv i smörjmedelsformuleringar utgör ett av de mest betydande framstegen inom tribologin under de senaste åren. Forskare och processingenjörer står dock inför en ständigt återkommande utmaning: att uppnå en homogen dispersion av partiklar i nanoskala i viskösa basoljor utan att försämra deras strukturella integritet. Traditionella blandningsmetoder lyckas ofta inte bryta ned agglomerat på ett effektivt sätt, vilket leder till ojämn produktprestanda och begränsad lagringsstabilitet.

Lösningen: Dispersering av nanoadditiv med hjälp av ultraljud i smörjmedelsformuleringar

Högfrekvent ultraljud är den bästa lösningen på dessa utmaningar när det gäller dispersion. Genom att utnyttja principerna för akustisk kavitation skapar ultraljudsutrustningen växlande cykler av högt och lågt tryck i flytande medier. Under lågtryckscykeln bildas små vakuumbubblor i vätskan. När dessa bubblor når sin maximala volym och inte kan ta upp mer energi kollapsar de våldsamt under högtryckscykeln. Denna kollaps skapar lokala extrema förhållanden – temperaturer på upp till cirka 5 000 Kelvin och tryck över 1 000 atmosfärer – vilket effektivt bryter upp nanopartikelkluster och säkerställer en jämn fördelning i hela smörjmedelsmatrisen.
För processingenjörer innebär detta skillnaden mellan ett smörjmedel som sedimenterar och separerar inom några veckor och ett som bibehåller sin prestandaprofil under komponentens hela livslängd.

Fallstudie: Kvävedopade bambu-liknande kolnanorör i ledande smörjfetter

Ett övertygande exempel på ultraljudsteknikens effektivitet vid tillverkning av smörjmedel kommer från en studie som publicerades i tidskriften *Journal of Materials Research and Technology* (2019). Studien, med titeln “Användning av kvävedopade bambu-liknande kolnanorör för utveckling av elektriskt ledande smörjmedel,” visar hur Hielschers sondbaserade homogeniserare av typen UIP1000hdT (340 W, 2 minuters bearbetningstid) möjliggjorde framställningen av homogena, stabila och elektriskt ledande lagervaselin.
Forskarna använde bambuformade kolnanorör (BCNT) som ledande tillsatser i smörjfetter. Genom att kväve införlivades i den grafitiska strukturen i nanorörens sidoväggar uppstod extraordinära elektroniska och strukturella egenskaper, vilket ledde till utmärkt adsorptionsbeteende och elektrisk ledningsförmåga. Kolnanorör är anmärkningsvärda elektriskt ledande nanostrukturerade material, och deras elektroniska egenskaper kan finjusteras specifikt genom att kväveatomer införlivas med hjälp av dopningstekniker.
Resultaten understryker kraften i ultraljudsdispersion:

Denna fallstudie fungerar som ett tekniskt bevis på konceptet: när rätt nanomaterial kombineras med rätt ultraljudsenergi uppnår det resulterande smörjmedlet prestandavärden som tidigare ansågs omöjliga att uppnå med konventionella blandningsmetoder.

Viktiga egenskaper hos ultraljudsbaserad nanodispersion i smörjmedel

Ultraljudsdispersionsmetoden ger enastående resultat som bekräftar dess industriella potential:

• Minimikrav på tillsatser: Relativt små mängder BCNT, närmare bestämt 1,5 viktprocent, räcker för att uppnå god elektrisk ledningsförmåga hos smörjfetter på över 14 mS. Proverna som innehåller nanorör uppvisar god elektrisk ledningsförmåga på mellan 7 och 18,5 mS vid stationära mätningar.
• Förbättrad prestanda under drift: Mätningar av elektrisk ledningsförmåga under faktisk drift av kullager visar på ännu högre värden, med ett maximivärde på 31,5 mS som uppmättes för formuleringen med 3 % BCNT. Ledningsförmågan ökar i samtliga fall jämfört med mätningar i vilotillstånd, vilket tyder på att den mekaniska belastningen under drift ytterligare förbättrar ledningsvägarna.
• Överlägsen friktionsförmåga: Proverna med 1,5 viktprocent BCNT uppvisar effektiva friktionsegenskaper, med friktionsmoment på 6,1 respektive 5,1 Nmm. Detta visar att en optimal tillsatskoncentration skapar en balans mellan konduktivitet och mekaniska egenskaper.
• Förbättrad termisk stabilitet: Tillsatsen av silikonolja med hög viskositet (5000 mm²/s) och pyrogen kiseldioxid som förtjockningsmedel höjer dropppunkten till över 150 °C, vilket löser en avgörande begränsning vid användning vid höga temperaturer.
• Optimerade sammansättningar: PDMS-basoljan, som innehöll 3 % BCNT och 1,0 % kolloidalt SiO₂ och hade en viskositet på 50 mm/s, visade sig vara väl lämpad för användning i kullager, eftersom den kombinerade elektrisk ledningsförmåga med mekanisk hållfasthet.

Ultraljud: Fördelarna med uppskalning i industriell skala

Även om utvecklingen i laboratorieskala med hjälp av Hielscher UIP1000hdT visar att konceptet fungerar, ligger det verkliga värdet för industriella tillämpningar i den linjära skalbarheten. Hielschers ultraljudsenheter erbjuder en unik fördel genom sin förmåga till linjär uppskalning, vilket möjliggör en smidig övergång från F&Från bänkskivbearbetning till kontinuerlig produktion av stora volymer.
För industriell tillämpning kan processingenjörer använda 4 kW-modellen UIP4000hdT, 6 kW-ultraljudsapparaten UIP6000hdT eller den kraftfulla 16 kW-modellen UIP16000hdT, som är utrustad med specialanpassade flödesceller. Denna linjära uppskalningsmetod säkerställer att formuleringar som utvecklats i laboratorieskala behåller identisk dispersionskvalitet och partikelfördelningskaraktäristika när de tillverkas i produktionsskala. Den konsistens som uppnås genom ultraljudsbehandling eliminerar de variationer mellan olika satser som präglar konventionella blandningsmetoder, vilket är särskilt viktigt för högpresterande smörjmedelstillämpningar inom flyg-, fordons- och precisionsmaskinsektorerna.

Varför ultraljud är viktigt för innovation inom smörjmedel

Fördelarna med dispersion av nanoadditiv med ultraljud sträcker sig bortom enbart effektiv blandning. Tekniken möjliggör:

1. Förbättrad tillsatsdosering: Högre koncentrationer av nano-tillsatser kan tillsättas utan att det uppstår agglomerering, vilket maximerar prestandafördelarna.
2. Förbättrad hållbarhet: Homogena dispersioner förhindrar sedimentering och fasseparation under längre lagringstider.
3. Jämn produktkvalitet: Varje produktionssats uppnår identiska dispersionsegenskaper, vilket är avgörande för tillämpningar som kräver strikt kvalitetskontroll.
4. Minskad handläggningstid: Med ultraljudskavitation uppnås dispersion på några minuter, istället för de timmar som krävs med traditionella metoder.
5. Mångsidighet i olika beredningsformer: Tekniken fungerar med olika basoljor, förtjockningsmedel och typer av tillsatser, vilket ger flexibilitet vid utvecklingen av formuleringar.

Ultraljudsdispersorer av sondtyp används för att framställa högpresterande biosmörjmedel.
(Studie och bild: Liu m.fl., 2020)

Förbättra din produktion av nanosmörjmedel med ultraljudsdispersion

Integreringen av ultraljudsteknik i produktionsprocesserna för smörjmedel innebär ett paradigmskifte i hur nanoadditiv införlivas i smörjmedelsformuleringar. Som den framgångsrika utvecklingen av elektriskt ledande smörjfetter med kvävedopade bambu-liknande kolnanorör visar, ger högenergiultraljudsbehandling homogena, stabila dispersioner med exceptionella prestandaegenskaper. Med Hielschers linjära skalbarhet från bänkskalssonikatorn UIP1000hdT till industriella inline-sonikatormodeller som UIP4000hdT, UIP6000hdT och UIP16000hdT med flödesceller, kan forskare och processingenjörer med tillförsikt övergå från R&Från forskning till kommersiell produktion, för att säkerställa att den innovation som tagits fram i laboratoriet fungerar på exakt samma sätt i fabriken.
Framtiden för smörjmedelstekniken ligger inte bara i att utveckla nya nanoadditiv, utan också i att bemästra de dispersionstekniker som gör det möjligt att utnyttja deras fulla potential. Ultraljudsbehandling utgör en bro mellan vetenskapliga upptäckter och industriell tillämpning, vilket banar väg för nästa generation av högpresterande smörjmedel för krävande industriella tillämpningar.

 
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

Litteratur / Referenser