สารหล่อลื่นนาโนที่ปรับปรุงด้วยการกระจายตัวโดยใช้อัลตราโซนิก

การผสมสารเติมแต่งนาโนลงในสูตรสารหล่อลื่นถือเป็นหนึ่งในความก้าวหน้าที่สำคัญที่สุดของไตรโบโลยีในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อย่างไรก็ตาม นักวิจัยและวิศวกรกระบวนการยังคงเผชิญกับความท้าทายที่ต่อเนื่อง นั่นคือการทำให้อนุภาคระดับนาโนกระจายตัวอย่างเป็นเนื้อเดียวกันในน้ำมันพื้นฐานที่มีความหนืด โดยไม่ทำให้ความสมบูรณ์ของโครงสร้างอนุภาคเสื่อมลง วิธีการผสมแบบดั้งเดิมมักไม่สามารถสลายกลุ่มอนุภาคที่เกาะกลุ่มกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้สมรรถนะของผลิตภัณฑ์ไม่สม่ำเสมอและมีเสถียรภาพระหว่างการเก็บรักษาที่จำกัด

วิธีแก้ปัญหา: การกระจายสารเติมแต่งนาโนด้วยอัลตราโซนิกในการพัฒนาสูตรสารหล่อลื่น

อัลตราซาวนด์กำลังสูงเป็นวิธีแก้ปัญหาการกระจายตัวเหล่านี้ที่เหนือกว่า อุปกรณ์อัลตราโซนิกใช้หลักการคาวิเทชันจากคลื่นเสียงเพื่อสร้างวัฏจักรความดันสูงและความดันต่ำสลับกันภายในตัวกลางของเหลว ในช่วงวัฏจักรความดันต่ำ ฟองสุญญากาศขนาดเล็กจะก่อตัวขึ้นในของเหลว เมื่อฟองเหล่านี้มีปริมาตรสูงสุดและไม่สามารถดูดซับพลังงานเพิ่มเติมได้ ฟองจะยุบตัวอย่างรุนแรงในช่วงวัฏจักรความดันสูง การยุบตัวนี้ทำให้เกิดสภาวะรุนแรงเฉพาะจุด – อุณหภูมิสูงถึงประมาณ 5000 เคลวิน และความดันเกิน 1000 บรรยากาศ – ซึ่งสลายกลุ่มอนุภาคนาโนที่เกาะกลุ่มกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ และทำให้อนุภาคกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งเมทริกซ์ของสารหล่อลื่น
สำหรับวิศวกรกระบวนการ สิ่งนี้หมายถึงความแตกต่างระหว่างสารหล่อลื่นที่ตกตะกอนและแยกตัวภายในไม่กี่สัปดาห์ กับสารหล่อลื่นที่รักษาลักษณะสมรรถนะไว้ได้ตลอดอายุการใช้งานของชิ้นส่วน

กรณีศึกษา: ท่อนาโนคาร์บอนลักษณะคล้ายปล้องไม้ไผ่ที่เจือด้วยไนโตรเจนในจาระบีนำไฟฟ้า

ตัวอย่างที่แสดงอย่างชัดเจนถึงประสิทธิผลของเทคโนโลยีอัลตราโซนิกในการผลิตสารหล่อลื่นมาจากงานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน Journal of Materials Research and Technology (2019) งานศึกษาชื่อ “การประยุกต์ใช้ท่อนาโนคาร์บอนลักษณะคล้ายปล้องไม้ไผ่ที่เจือด้วยไนโตรเจนเพื่อพัฒนาสารหล่อลื่นนำไฟฟ้า” แสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์โฮโมจีไนเซอร์ชนิดโพรบ Hielscher UIP1000hdT (340 W, ระยะเวลาดำเนินกระบวนการ 2 min) ช่วยให้ผลิตจาระบีสำหรับตลับลูกปืนที่เป็นเนื้อเดียวกัน มีเสถียรภาพ และนำไฟฟ้าได้อย่างไร
นักวิจัยใช้ท่อนาโนคาร์บอนรูปทรงคล้ายปล้องไม้ไผ่ (BCNTs) เป็นสารเติมแต่งนำไฟฟ้าสำหรับจาระบี การแทรกไนโตรเจนเข้าไปในโครงสร้างแบบแกรไฟต์ของผนังด้านข้างท่อนาโนทำให้เกิดสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และทางโครงสร้างที่โดดเด่น ส่งผลให้มีพฤติกรรมการดูดซับและการนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม ท่อนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุโครงสร้างนาโนที่มีสมบัติการนำไฟฟ้าโดดเด่น และสามารถปรับสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างเฉพาะเจาะจงด้วยการแทรกอะตอมไนโตรเจนผ่านเทคนิคการเจือสาร
ผลลัพธ์เหล่านี้เน้นย้ำถึงพลังของการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิก:

กรณีศึกษานี้เป็นการพิสูจน์แนวคิดทางเทคนิค: เมื่อวัสดุนาโนที่เหมาะสมได้รับพลังงานอัลตราโซนิกที่เหมาะสม สารหล่อลื่นที่ได้จะบรรลุค่าชี้วัดสมรรถนะที่ก่อนหน้านี้เคยถือว่าไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีการผสมแบบทั่วไป

คุณลักษณะสำคัญของการกระจายตัวระดับนาโนด้วยอัลตราโซนิกในสารหล่อลื่น

แนวทางการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยม ซึ่งยืนยันศักยภาพในการใช้งานระดับอุตสาหกรรม:

• ต้องการสารเติมแต่งในปริมาณน้อย: BCNTs ในปริมาณค่อนข้างน้อย โดยเฉพาะที่ 1.5 wt% เพียงพอที่จะทำให้จาระบีมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีเกิน 14 mS ตัวอย่างที่มีท่อนาโนแสดงค่าการนำไฟฟ้าที่ดีในช่วง 7 ถึง 18.5 mS เมื่อวัดในสภาวะอยู่นิ่ง
• สมรรถนะที่เพิ่มขึ้นระหว่างการทำงาน: การวัดค่าการนำไฟฟ้าระหว่างการทำงานจริงของตลับลูกปืนเม็ดกลมแสดงค่าที่สูงยิ่งขึ้น โดยบันทึกค่าสูงสุดได้ 31.5 mS สำหรับสูตร BCNT 3% ค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นในทุกกรณีเมื่อเทียบกับการวัดในสภาวะอยู่นิ่ง ซึ่งบ่งชี้ว่าความเค้นเชิงกลระหว่างการทำงานช่วยปรับปรุงเส้นทางการนำไฟฟ้าให้ดียิ่งขึ้น
• สมรรถนะด้านแรงเสียดทานที่เหนือกว่า: ตัวอย่างที่เติม BCNT 1.5 wt% มีลักษณะด้านแรงเสียดทานที่มีประสิทธิภาพ โดยแสดงค่าแรงบิดจากแรงเสียดทานที่ 6.1 และ 5.1 Nmm สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าความเข้มข้นของสารเติมแต่งที่เหมาะสมสร้างสมดุลระหว่างการนำไฟฟ้ากับสมรรถนะเชิงกล
• เสถียรภาพทางความร้อนที่ดีขึ้น: การเติมน้ำมันซิลิโคนความหนืดสูง (5000 mm²/s) และฟูมด์ซิลิกาเป็นสารเพิ่มความข้น ทำให้จุดหยดสูงขึ้นเป็นมากกว่า 150°C ซึ่งช่วยแก้ข้อจำกัดสำคัญในการใช้งานที่อุณหภูมิสูง
• สูตรที่ปรับให้เหมาะสม: น้ำมันพื้นฐาน PDMS ที่มี BCNT 3% และ SiO₂ คอลลอยด์ 1.0% และมีความหนืด 50 mm/s ได้รับการพิสูจน์ว่าเหมาะสมสำหรับการรับภาระของตลับลูกปืนเม็ดกลม โดยผสานการนำไฟฟ้าเข้ากับความแข็งแกร่งเชิงกล

อัลตราโซนิก: ข้อได้เปรียบในการขยายกำลังการผลิตสู่ระดับอุตสาหกรรม

แม้ว่าการพัฒนาในระดับห้องปฏิบัติการด้วย Hielscher UIP1000hdT จะแสดงให้เห็นการพิสูจน์แนวคิด แต่คุณค่าที่แท้จริงสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมอยู่ที่ความสามารถในการขยายขนาดแบบเชิงเส้น เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher มีข้อได้เปรียบเฉพาะตัวจากความสามารถในการขยายขนาดแบบเชิงเส้น ทำให้เปลี่ยนผ่านจากกระบวนการวิจัยและพัฒนาบนโต๊ะปฏิบัติการไปสู่การผลิตปริมาณมากแบบอินไลน์ได้อย่างราบรื่น
สำหรับการนำไปใช้ในอุตสาหกรรม วิศวกรกระบวนการสามารถใช้รุ่น UIP4000hdT กำลัง 4kW เครื่องอัลตราโซนิก UIP6000hdT กำลัง 6kW หรือ UIP16000hdT กำลังสูง 16kW ที่ติดตั้งเซลล์การไหลเฉพาะทาง แนวทางการขยายขนาดแบบเชิงเส้นนี้ทำให้มั่นใจว่าสูตรที่พัฒนาขึ้นในระดับห้องปฏิบัติการจะคงคุณภาพการกระจายตัวและลักษณะการกระจายอนุภาคที่เหมือนกันเมื่อผลิตในระดับการผลิตจริง ความสม่ำเสมอที่ได้จากกระบวนการอัลตราโซนิกขจัดความแปรปรวนระหว่างรุ่นการผลิตที่เป็นปัญหาของวิธีการผสมแบบทั่วไป ซึ่งมีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานสารหล่อลื่นสมรรถนะสูงในภาคการบินและอวกาศ ยานยนต์ และเครื่องจักรความแม่นยำสูง

เหตุใดการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์จึงสำคัญต่อนวัตกรรมสารหล่อลื่น

ข้อดีของการกระจายสารเติมแต่งนาโนด้วยอัลตราโซนิกครอบคลุมมากกว่าประสิทธิภาพการผสมเพียงอย่างเดียว เทคโนโลยีนี้ช่วยให้:

1. เพิ่มปริมาณสารเติมแต่งได้: สามารถผสมสารเติมแต่งนาโนที่ความเข้มข้นสูงขึ้นได้โดยไม่เกิดการเกาะกลุ่ม ทำให้ได้รับประโยชน์ด้านสมรรถนะสูงสุด
2. เสถียรภาพระหว่างการเก็บรักษาที่ดีขึ้น: การกระจายตัวอย่างเป็นเนื้อเดียวกันป้องกันการตกตะกอนและการแยกเฟสตลอดระยะเวลาการเก็บรักษาที่ยาวนาน
3. คุณภาพผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ: แต่ละรุ่นการผลิตมีลักษณะการกระจายตัวที่เหมือนกัน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานที่ต้องการการควบคุมคุณภาพอย่างเข้มงวด
4. ระยะเวลาดำเนินกระบวนการที่ลดลง: คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ทำให้เกิดการกระจายตัวได้ภายในไม่กี่นาที แทนที่จะใช้เวลาหลายชั่วโมงตามที่วิธีการแบบดั้งเดิมต้องการ
5. ความอเนกประสงค์สำหรับสูตรต่าง ๆ: เทคโนโลยีนี้ใช้ได้กับน้ำมันพื้นฐาน สารเพิ่มความข้น และสารเติมแต่งหลากหลายชนิด จึงให้ความยืดหยุ่นในการพัฒนาสูตร

เครื่องกระจายสารด้วยอัลตราโซนิกชนิดโพรบผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพสมรรถนะสูง
(งานศึกษาและภาพ: Liu et al., 2020)

ยกระดับการผลิตสารหล่อลื่นนาโนของคุณด้วยการกระจายตัวโดยใช้อัลตราโซนิก

การนำเทคโนโลยีอัลตราโซนิกมาใช้ในกระบวนการผลิตสารหล่อลื่นถือเป็นการเปลี่ยนกระบวนทัศน์ของวิธีผสมสารเติมแต่งนาโนลงในสูตรสารหล่อลื่น ความสำเร็จในการพัฒนาจาระบีนำไฟฟ้าโดยใช้ท่อนาโนคาร์บอนลักษณะคล้ายปล้องไม้ไผ่ที่เจือด้วยไนโตรเจนแสดงให้เห็นว่า การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์พลังงานสูงให้การกระจายตัวที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีเสถียรภาพ พร้อมลักษณะสมรรถนะที่ยอดเยี่ยม ด้วยความสามารถในการขยายขนาดแบบเชิงเส้นของ Hielscher ตั้งแต่เครื่องอัลตราโซนิกบนโต๊ะปฏิบัติการ UIP1000hdT ไปจนถึงเครื่องอัลตราโซนิกแบบอินไลน์สำหรับอุตสาหกรรมรุ่นต่าง ๆ เช่น UIP4000hdT, UIP6000hdT และ UIP16000hdT ที่มีเซลล์การไหล นักวิจัยและวิศวกรกระบวนการสามารถเปลี่ยนผ่านจากการค้นพบในการวิจัยและพัฒนาไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์ได้อย่างมั่นใจ โดยมั่นใจได้ว่านวัตกรรมที่เกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการจะให้สมรรถนะเหมือนกันในโรงงาน
อนาคตของเทคโนโลยีสารหล่อลื่นอยู่ที่ทั้งการพัฒนาสารเติมแต่งนาโนชนิดใหม่และการเชี่ยวชาญเทคนิคการกระจายตัวที่ปลดปล่อยศักยภาพของสารเหล่านี้อย่างเต็มที่ กระบวนการอัลตราโซนิกเป็นสะพานเชื่อมระหว่างการค้นพบทางวิทยาศาสตร์กับการใช้งานในอุตสาหกรรม ทำให้เกิดสารหล่อลื่นสมรรถนะสูงรุ่นใหม่สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่มีข้อกำหนดสูง

 
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการดำเนินกระบวนการโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบที่สูงที่สุด ความแข็งแกร่งทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้ผสานเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับสถานประกอบการอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher รับมือกับสภาวะที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงที่มีเทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานง่าย แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher สอดคล้องกับ CE และเป็นไปตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.