Nanosmörjmedel förbättrade genom ultraljudsdispergering

Integreringen av nanotillsatser i smörjmedelsformuleringar utgör ett av de mest betydande framstegen inom tribologin under de senaste åren. Forskare och processingenjörer står dock inför en ihållande utmaning: att uppnå homogen dispergering av partiklar i nanoskala i viskösa basoljor utan att försämra partiklarnas strukturella integritet. Traditionella blandningsmetoder lyckas ofta inte bryta upp agglomerat effektivt, vilket leder till ojämn produktprestanda och begränsad lagringsstabilitet.

Lösningen: dispergering av nanotillsatser med ultraljud vid formulering av smörjmedel

Ultraljud med hög effekt är den överlägsna lösningen på dessa dispergeringsutmaningar. Genom att utnyttja principerna för akustisk kavitation skapar ultraljudsutrustning omväxlande högtrycks- och lågtryckscykler i flytande medier. Under lågtryckscykeln bildas små vakuumbubblor i vätskan. När dessa bubblor når sin maximala volym och inte kan absorbera mer energi kollapsar de våldsamt under högtryckscykeln. Denna kollaps skapar lokala extrema förhållanden – temperaturer som når cirka 5000 kelvin och tryck som överstiger 1000 atmosfärer – som effektivt bryter upp agglomerat av nanopartiklar 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 bambuliknande kolnanorör i elektriskt ledande smörjfetter

Ett övertygande exempel på ultraljudsteknikens effektivitet vid produktion av smörjmedel kommer från forskning publicerad i Journal of Materials Research and Technology (2019). Studien, med titeln ”Användning av kvävedopade bambuliknande kolnanorör för utveckling av elektriskt ledande smörjmedel”, visar hur den sondbaserade homogenisatorn Hielscher UIP1000hdT (340 W, 2 min bearbetningstid) möjliggjorde produktion av homogena, stabila och elektriskt ledande lagersmörjfetter.
Forskarna använde bambuformade kolnanorör (BCNT) som ledande tillsatser för smörjfetter. Genom att kväve införlivades i den grafitiska strukturen i nanorörens sidoväggar utvecklades enastående elektroniska och strukturella egenskaper, vilket ledde till utmärkt adsorptionsförmåga och elektrisk ledningsförmåga. Kolnanorör är anmärkningsvärda elektriskt ledande nanostrukturerade material, och deras elektroniska egenskaper kan anpassas specifikt genom att kväveatomer införlivas med hjälp av dopningstekniker.
Resultaten understryker ultraljudsdispergeringens effektivitet:

Denna fallstudie fungerar som ett tekniskt konceptbevis: när rätt nanomaterial möter rätt ultraljudsenergi uppnår det resulterande smörjmedlet prestandavärden som tidigare ansågs ouppnåeliga med konventionella blandningsmetoder.

Viktig egenskap hos nanodispergering med ultraljud i smörjmedel

Dispergeringsmetoden med ultraljud ger exceptionella resultat som bekräftar dess industriella potential:

• Minimalt tillsatsbehov: Relativt små mängder BCNT, närmare bestämt 1,5 wt%, är tillräckliga för att uppnå god elektrisk ledningsförmåga hos smörjfetter som överstiger 14 mS. Proverna som innehåller nanorör uppvisar god elektrisk ledningsförmåga från 7 till 18,5 mS vid stationära mätningar.
• Förbättrad prestanda under drift: Mätningar av elektrisk ledningsförmåga under faktisk kullagerdrift visar ännu högre värden, med ett högsta uppmätt värde på 31,5 mS för formuleringen med 3% BCNT. Ledningsförmågan ökar i samtliga fall jämfört med mätningar i stationärt tillstånd, vilket tyder på att mekanisk belastning under drift ytterligare förbättrar de elektriskt ledande vägarna.
• Överlägsna friktionsegenskaper: Effektiva friktionsegenskaper uppnås med proverna som innehåller 1,5 wt% BCNT, vilka uppvisar friktionsmoment på 6,1 och 5,1 Nmm. Detta visar att en optimal tillsatskoncentration balanserar ledningsförmåga och mekanisk prestanda.
• Förbättrad termisk stabilitet: Tillsatsen av högviskös silikonolja (5000 mm²/s) och pyrogen kiseldioxid som förtjockningsmedel höjer droppunkten till över 150°C, vilket avhjälper en kritisk begränsning vid högtemperaturtillämpningar.
• Optimerade formuleringar: PDMS-basoljan med 3% BCNT och 1,0% kolloidal SiO₂ och en viskositet på 50 mm/s visade sig vara väl lämpad för belastning av kullager och kombinerar ledningsförmåga med mekanisk robusthet.

Ultraljud: Fördelen vid industriell uppskalning

Medan utveckling i laboratorieskala med Hielscher UIP1000hdT visar att konceptet fungerar, ligger det verkliga värdet för industriella tillämpningar i den linjära skalbarheten. Hielschers ultraljudsapparater erbjuder en unik fördel genom sin förmåga till linjär uppskalning, vilket möjliggör en smidig övergång från bänkbearbetning inom forskning och utveckling till inlineproduktion av stora volymer.
För industriell implementering kan processingenjörer använda modellen UIP4000hdT på 4kW, ultraljudsapparaten UIP6000hdT på 6kW eller UIP16000hdT med en effekt på 16kW, utrustade med specialiserade flödesceller. Denna metod för linjär uppskalning säkerställer att formuleringar som utvecklats i laboratorieskala bibehåller identisk dispersionskvalitet och identiska partikelfördelningsegenskaper när de tillverkas i produktionsskala. Den jämnhet som uppnås genom ultraljudsbearbetning eliminerar den variation mellan satser som konventionella blandningsmetoder lider av, vilket är särskilt avgörande för tillämpningar med högpresterande smörjmedel inom flyg- och rymdindustrin, fordonsindustrin och sektorn för precisionsmaskiner.

Varför ultraljudsbehandling är viktig för innovation inom smörjmedel

Fördelarna med ultraljudsdispergering av nanotillsatser sträcker sig längre än enbart effektiv blandning. Tekniken möjliggör:

1. Högre tillsatshalt: Högre koncentrationer av nanotillsatser kan införlivas utan agglomerering, vilket maximerar prestandafördelarna.
2. Förbättrad lagringsstabilitet: Homogena dispersioner förhindrar sedimentering och fasseparation under längre lagringsperioder.
3. Jämn produktkvalitet: Varje produktionssats uppnår identiska dispersionsegenskaper, vilket är avgörande för tillämpningar som kräver strikt kvalitetskontroll.
4. Kortare bearbetningstid: Ultraljudskavitation åstadkommer dispergering på minuter i stället för de timmar som traditionella metoder kräver.
5. Mångsidighet för olika formuleringar: Tekniken fungerar med olika basoljor, förtjockningsmedel och tillsatstyper, vilket ger flexibilitet vid utveckling av formuleringar.

Ultraljudsdispergerare av sondtyp framställer högpresterande biosmörjmedel.
(Studie och bild: Liu et al., 2020)

Förbättra din produktion av nanosmörjmedel med ultraljudsdispergering

Integreringen av ultraljudsteknik i produktionsprocesser för smörjmedel innebär ett paradigmskifte i hur nanotillsatser införlivas i smörjmedelsformuleringar. Som den framgångsrika utvecklingen av elektriskt ledande smörjfetter med kvävedopade bambuliknande kolnanorör visar ger energirik ultraljudsbehandling homogena, stabila dispersioner med enastående prestandaegenskaper. Med Hielschers möjlighet till linjär uppskalning från ultraljudsapparaten UIP1000hdT för bänkbruk till industriella modeller av ultraljudsapparater för inlinebearbetning, såsom UIP4000hdT, UIP6000hdT och UIP16000hdT med flödesceller, kan forskare och processingenjörer tryggt gå från upptäckter inom forskning och utveckling till kommersiell produktion och säkerställa att den innovation som uppnåtts i laboratoriet ger identisk prestanda i fabriken.
Framtiden för smörjmedelsteknik ligger inte bara i att utveckla nya nanotillsatser, utan också i att bemästra de dispergeringstekniker som frigör deras fulla potential. Ultraljudsbearbetning bygger en bro mellan vetenskapliga upptäckter och industriell tillämpning och möjliggör nästa generation av högpresterande smörjmedel för krävande industriella tillämpningar.

 
Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sin högsta kvalitet och sina högsta konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning möjliggör smidig integrering av våra ultraljudsapparater i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar utan problem tuffa förhållanden och krävande miljöer.

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

Litteratur / Referenser

• 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.