Chất bôi trơn với các tính năng được cải thiện nhờ hạt nano
Dầu bôi trơn có thể hưởng lợi đáng kể từ các phụ gia nano, giúp giảm ma sát và mài mòn. Tuy nhiên, điều cốt yếu là các phụ gia nano như hạt nano, các lớp graphene đơn hoặc các hạt cầu nano cấu trúc lõi–vỏ phải được phân tán đồng đều và thành từng hạt riêng lẻ trong chất bôi trơn. Phân tán bằng siêu âm đã được chứng minh là phương pháp trộn đáng tin cậy và hiệu quả, giúp phân bố hạt nano đồng nhất và ngăn ngừa sự kết tụ.
Làm thế nào để phân tán phụ gia nano trong chất lỏng bôi trơn? – Bằng siêu âm!
Sử dụng phụ gia nano trong chất bôi trơn được xem là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để cải thiện các đặc tính ma sát học, giúp giảm ma sát và mài mòn. Sự cải thiện về ma sát học này giúp tăng đáng kể khả năng tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, qua đó giảm tác động đến môi trường.
Thách thức của chất bôi trơn được cải tiến bằng nano nằm ở khâu trộn: Các vật liệu nano như hạt nano hoặc cellulose nano tinh thể đòi hỏi máy trộn có lực cắt cao tập trung để phân tán và gỡ rối vật liệu nano một cách đồng đều thành các hạt riêng lẻ. Bằng cách tạo ra các vùng có mật độ năng lượng cao độc đáo, quá trình xử lý siêu âm sử dụng đầu dò siêu âm công suất cao đã được chứng minh có tính ưu việt trong xử lý vật liệu nano và do đó trở thành phương pháp được sử dụng rộng rãi để tạo hệ phân tán nano.
Molseh và cộng sự (2009) cho thấy độ ổn định phân tán của ba loại hạt nano khác nhau (molybden disulfide (MoS2), tungsten disulfide (WS2) và boron nitride dạng lục giác (hBN)) trong CIMFLO 20 khi xử lý bằng siêu âm tốt hơn so với khi lắc và khuấy cơ học. Do hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra các điều kiện có mật độ năng lượng cao độc đáo, xử lý siêu âm bằng đầu dò vượt trội hơn các kỹ thuật phân tán thông thường về hiệu lực và hiệu suất.
Các đặc điểm của hạt nano như kích thước, hình dạng và nồng độ ảnh hưởng đến tính chất ma sát học của chúng. Mặc dù kích thước nano lý tưởng thay đổi tùy theo vật liệu, hầu hết các hạt nano thể hiện tính năng cao nhất trong khoảng từ mười đến một trăm nanômét. Nồng độ lý tưởng của phụ gia nano trong dầu bôi trơn thường nằm trong khoảng 0,1–5,0% .
Các hạt nano oxit như Al2O3, CuO hoặc ZnO được sử dụng rộng rãi để cải thiện hiệu năng ma sát học của chất bôi trơn. Các phụ gia khác bao gồm phụ gia không tro, chất lỏng ion, este borat, vật liệu nano vô cơ, các cấu trúc nano có nguồn gốc từ carbon như ống nano carbon (CNTs), than chì và graphene. Các phụ gia chuyên biệt được sử dụng để cải thiện những tính chất cụ thể của dầu bôi trơn. Ví dụ, chất bôi trơn ngăn ngừa mài mòn chứa các phụ gia cực áp như molybden disulfide, than chì, olefin lưu huỳnh hóa và các phức dialkyldithiocarbamate hoặc các phụ gia chống mài mòn như triarylphosphate và kẽm dialkyldithiophosphate.
Máy đồng nhất siêu âm dạng đầu dò là thiết bị trộn đáng tin cậy và được sử dụng để bào chế chất bôi trơn hiệu năng cao. Được biết đến với tính ưu việt trong việc tạo huyền phù có kích thước nano, xử lý siêu âm có hiệu quả cao trong sản xuất dầu bôi trơn ở quy mô công nghiệp.
Đọc thêm về thiết bị phân tán siêu âm dùng trong sản xuất chất bôi trơn nano!
Hệ thống trộn siêu âm công nghiệp để phân tán hạt nano vào dầu bôi trơn với năng suất xử lý cao.
- cải thiện hiệu năng ma sát học
- kết hợp đồng đều phụ gia nano
- chất bôi trơn gốc dầu thực vật
- tạo màng ma sát
- chất lỏng dùng trong tạo hình kim loại tấm
- chất lỏng nano giúp cải thiện hiệu quả làm mát
- chất lỏng ion trong chất bôi trơn gốc nước hoặc gốc dầu
- chất lỏng dùng trong gia công chuốt
Phân tán nhôm oxit (Al2O3) bằng siêu âm giúp giảm đáng kể kích thước hạt và tạo sự phân tán đồng đều.
Sản xuất chất bôi trơn có phụ gia nano
Để sản xuất dầu bôi trơn được tăng cường bằng vật liệu nano, vật liệu nano phù hợp và kỹ thuật phân tán mạnh mẽ, hiệu quả là những yếu tố then chốt. Không thể sản xuất chất bôi trơn hiệu năng cao nếu không có hệ phân tán nano đáng tin cậy và ổn định lâu dài.
Trộn và phân tán bằng siêu âm là phương pháp đã được ứng dụng rộng rãi để sản xuất chất bôi trơn hiệu năng cao. Dầu gốc của chất bôi trơn được tăng cường bằng các phụ gia như vật liệu nano, polyme, chất ức chế ăn mòn, chất chống oxy hóa và các hạt kết tụ mịn khác. Lực cắt siêu âm có hiệu quả cao trong việc tạo ra phân bố kích thước hạt rất mịn. Lực siêu âm (lực cơ học do siêu âm) có khả năng nghiền ngay cả các hạt sơ cấp và được ứng dụng để chức năng hóa hạt, nhờ đó các hạt nano thu được có những đặc tính vượt trội (ví dụ: biến tính bề mặt, hạt nano lõi–vỏ, hạt nano pha tạp).
Máy trộn siêu âm có lực cắt cao có thể hỗ trợ đáng kể việc sản xuất chất bôi trơn hiệu năng cao một cách hiệu quả!
Hỗn hợp dầu chứa kẽm dialkyldithiophosphat (ZDDP) và các hạt nano PTFE được biến tính bề mặt (PHGM) sau khi phân tán bằng siêu âm.
(Nghiên cứu và hình ảnh: Sharma và cộng sự, 2017)
Các phụ gia nano mới trong dầu bôi trơn
Các phụ gia mới có kích thước nano được phát triển để cải thiện hơn nữa các chức năng và hiệu năng của dầu và mỡ bôi trơn. Ví dụ, các tinh thể nano xenluloza (CNCs) đang được nghiên cứu và thử nghiệm để bào chế chất bôi trơn xanh. Zakani và cộng sự (2022) đã chứng minh rằng – so với các huyền phù bôi trơn không được xử lý siêu âm – chất bôi trơn CNC được xử lý siêu âm có thể giảm COF (hệ số ma sát) và độ mài mòn lần lượt gần 25 và 30%. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy xử lý siêu âm có thể cải thiện đáng kể hiệu năng bôi trơn của các huyền phù CNC trong nước.
Thiết bị phân tán siêu âm hiệu năng cao để sản xuất chất bôi trơn
Khi các phụ gia nano được sử dụng trong các quy trình sản xuất công nghiệp như sản xuất dầu bôi trơn, điều then chốt là bột khô (tức là vật liệu nano) phải được trộn đồng nhất vào pha lỏng (dầu bôi trơn). Việc phân tán hạt nano đòi hỏi một kỹ thuật trộn đáng tin cậy và hiệu quả, cung cấp đủ năng lượng để phá vỡ các khối kết tụ nhằm phát huy các đặc tính của hạt có kích thước nano. Thiết bị siêu âm được biết đến rộng rãi là thiết bị phân tán mạnh mẽ và đáng tin cậy, do đó được sử dụng để phá kết tụ và phân bố đồng nhất nhiều loại vật liệu như nhôm oxit, ống nano, graphen, khoáng chất và nhiều vật liệu khác vào pha lỏng như dầu khoáng, dầu tổng hợp hoặc dầu thực vật. Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối các thiết bị phân tán siêu âm hiệu năng cao cho mọi loại ứng dụng đồng nhất hóa và phá kết tụ.
Liên hệ với chúng tôi ngay để tìm hiểu thêm về phân tán phụ gia nano trong chất bôi trơn bằng siêu âm!
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200mL/min | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 đến 150L | 3 đến 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!
Hielscher Ultrasonics sản xuất các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu năng cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ hóa và chiết xuất ở quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và công nghiệp.
Chất bôi trơn nano PTFE sau 7 ngày kể từ khi điều chế (A: dầu gốc, B: chất bôi trơn nano PTFE được xử lý siêu âm trong 1 hr, C: chất bôi trơn nano PTFE được xử lý siêu âm trong 30 min.).
(Nghiên cứu và hình ảnh: © Kumar và cộng sự, 2013)
Ảnh hưởng của xử lý siêu âm đến độ ổn định phân tán của Al2O3 trong chất bôi trơn.
(Nghiên cứu và đồ họa: © Sharif và cộng sự, 2017)
Những điều cần biết
Chất bôi trơn là gì?
Công dụng chính của chất bôi trơn hoặc dầu bôi trơn là giảm ma sát và mài mòn do tiếp xúc cơ học cũng như giảm nhiệt. Tùy theo mục đích sử dụng và thành phần, chất bôi trơn được chia thành dầu động cơ, chất lỏng truyền động, chất lỏng thủy lực, dầu bánh răng và chất bôi trơn công nghiệp.
Vì vậy, chất bôi trơn được sử dụng rộng rãi trong các phương tiện cơ giới cũng như máy móc công nghiệp. Để bôi trơn tốt, dầu bôi trơn thường chứa 90% dầu gốc (chủ yếu là các phân đoạn dầu mỏ, tức là dầu khoáng) và dưới 10% phụ gia. Khi tránh sử dụng dầu khoáng, dầu thực vật hoặc các chất lỏng tổng hợp như polyolefin hydro hóa, este, silicone, fluorocarbon và nhiều chất khác có thể được sử dụng làm dầu gốc thay thế. Công dụng chính của chất bôi trơn là giảm ma sát và mài mòn do tiếp xúc cơ học, đồng thời giảm nhiệt do ma sát và tổn thất năng lượng. Vì vậy, chất bôi trơn được sử dụng rộng rãi trong các phương tiện cơ giới cũng như máy móc công nghiệp.
Các chất chống oxy hóa như chất chống oxy hóa sơ cấp nhóm amin và phenol, axit tự nhiên, chất phân hủy peroxide và pyrazine kéo dài vòng đời của chất bôi trơn bằng cách tăng khả năng chống oxy hóa. Nhờ đó, dầu gốc được bảo vệ khỏi sự phân hủy do nhiệt vì quá trình phân hủy do oxy hóa nhiệt diễn ra ở mức độ thấp hơn và chậm hơn.
Các loại chất bôi trơn
Chất bôi trơn dạng lỏng: Chất bôi trơn dạng lỏng thường sử dụng một loại dầu gốc làm nền. Các chất khác thường được thêm vào dầu gốc này để cải thiện tính năng và hiệu suất. Các phụ gia điển hình bao gồm, ví dụ, nước, dầu khoáng, lanolin, dầu thực vật hoặc dầu tự nhiên, phụ gia nano, v.v.
Phần lớn chất bôi trơn ở dạng lỏng và có thể được phân loại theo nguồn gốc thành hai nhóm:
- Dầu khoáng: Dầu khoáng là dầu bôi trơn được tinh chế từ dầu thô.
- Dầu tổng hợp: Dầu tổng hợp là dầu bôi trơn được sản xuất bằng các hợp chất được biến đổi nhân tạo hoặc được tổng hợp từ dầu mỏ đã biến đổi.
Mỡ bôi trơn là chất bôi trơn dạng rắn hoặc bán rắn, gồm một chất bôi trơn dạng lỏng được làm đặc bằng cách phân tán các chất làm đặc vào trong đó. Để sản xuất mỡ bôi trơn, dầu bôi trơn được sử dụng làm dầu gốc và là thành phần chính. Mỡ bôi trơn chứa khoảng 70% đến 80% dầu bôi trơn.
Chất bôi trơn thẩm thấu và chất bôi trơn khô là các loại khác, chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng chuyên biệt.
Chất bôi trơn sinh học chủ yếu đề cập đến chất lỏng nền hoặc đặc tính môi trường tổng thể, chứ không nhất thiết có nghĩa là từng phụ gia đều có nguồn gốc sinh học. Chất bôi trơn sinh học thường sử dụng dầu thực vật, este tổng hợp, dầu có nguồn gốc thực vật hoặc các vật liệu nền tái tạo/có khả năng phân hủy sinh học khác. Tuy nhiên, giống như chất bôi trơn thông thường, chúng thường vẫn cần các phụ gia chức năng để cải thiện khả năng chống mài mòn, độ ổn định oxy hóa, khả năng chống ăn mòn, đặc tính độ nhớt và khả năng chịu tải. Điều này có nghĩa là chất bôi trơn sinh học được định nghĩa rộng dựa trên nguồn gốc tái tạo, khả năng phân hủy sinh học, độc tính thấp và hiệu quả về môi trường, thay vì yêu cầu mọi phụ gia đều có nguồn gốc sinh học.
Đọc thêm về xử lý bằng siêu âm để pha chế chất bôi trơn sinh học!
Các phụ gia nano được liệt kê làm ví dụ ở trên có thể được trộn thành công vào chất bôi trơn bằng thiết bị phân tán siêu âm.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- 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.
- Reddy, Chenga; Arumugam, S.; Venkatakrishnan, Santhanam (2019): RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant. Arabian Journal for Science and Engineering 44, 2019.
- Zakani, Behzad; Entezami, Sohrab; Grecov, Dana; Salem, Hayder; Sedaghat, Ahmad (2022): Effect of ultrasonication on lubrication performance of cellulose nano-crystalline (CNC) suspensions as green lubricants. Carbohydrate Polymers 282(5), 2022.
- 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.
- Sharma, Vinay, Johansson, Jens; Timmons, Richard; Prakash, Braham; Aswath, Pranesh (2018): Tribological Interaction of Plasma-Functionalized Polytetrafluoroethylene Nanoparticles with ZDDP and Ionic Liquids. Tribology Letters 66, 2018.
- Haijun Liu, Xianjun Hou, Xiaoxue Li, Hua Jiang, Zekun Tian, Mohamed Kamal Ahmed Ali (2020): Effect of Mixing Temperature, Ultrasonication Duration and Nanoparticles/Surfactant Concentration on the Dispersion Performance of Al2O3 Nanolubricants. Research Square 2020.
- Kumar D.M., Bijwe J., Ramakumar S.S. (2013): PTFE based nano-lubricants. Wear 306 (1–2), 2013. 80–88.
- Sharif M.Z., Azmi W.H., Redhwan A.A. M, Mamat R., Yusof T.M. (2017): Performance analysis of SiO2 /PAG nanolubricant in automotive air conditioning system. International Journal of Refrigeration 75, 2017. 204–216.
Hielscher Ultrasonics sản xuất các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.