Cải thiện chất bôi trơn nano bằng phân tán siêu âm

Việc tích hợp các phụ gia nano vào công thức chất bôi trơn là một trong những tiến bộ quan trọng nhất trong lĩnh vực ma sát học những năm gần đây. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư công nghệ vẫn đối mặt với một thách thức dai dẳng: phân tán đồng nhất các hạt kích thước nano trong dầu gốc có độ nhớt cao mà không làm suy giảm tính toàn vẹn cấu trúc của chúng. Các phương pháp trộn truyền thống thường không phá vỡ hiệu quả các khối kết tụ, dẫn đến hiệu năng sản phẩm không nhất quán và độ ổn định khi bảo quản bị hạn chế.

Giải pháp: Phân tán phụ gia nano bằng siêu âm trong công thức chất bôi trơn

Siêu âm công suất cao là giải pháp ưu việt cho những thách thức phân tán này. Bằng cách vận dụng các nguyên lý xâm thực âm, thiết bị siêu âm tạo ra các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp luân phiên trong môi trường lỏng. Trong chu kỳ áp suất thấp, các bọt chân không nhỏ hình thành trong chất lỏng. Khi các bọt này đạt thể tích tối đa và không thể hấp thụ thêm năng lượng, chúng sụp đổ dữ dội trong chu kỳ áp suất cao. Sự sụp đổ này tạo ra các điều kiện cực hạn cục bộ – nhiệt độ đạt khoảng 5000 kelvin và áp suất vượt quá 1000 át-mốt-phe – giúp phá vỡ hiệu quả các cụm hạt nano kết tụ và bảo đảm sự phân bố đồng đều trong toàn bộ nền chất bôi trơn.
Đối với các kỹ sư công nghệ, điều này tạo nên sự khác biệt giữa một chất bôi trơn bị lắng và phân tách trong vòng vài tuần với một chất bôi trơn duy trì được các đặc tính hiệu năng trong suốt tuổi thọ sử dụng của chi tiết.

Nghiên cứu điển hình: Ống nano carbon dạng tre pha tạp nitơ trong mỡ bôi trơn dẫn điện

Một ví dụ thuyết phục về hiệu quả của công nghệ siêu âm trong sản xuất chất bôi trơn đến từ nghiên cứu được công bố trên Journal of Materials Research and Technology (2019). Nghiên cứu mang tên “Ứng dụng ống nano carbon dạng tre pha tạp nitơ để phát triển chất bôi trơn dẫn điện” cho thấy thiết bị đồng nhất hóa dạng đầu dò Hielscher UIP1000hdT (340 W, thời gian xử lý 2 min) đã cho phép sản xuất mỡ bôi trơn ổ lăn đồng nhất, ổn định và dẫn điện.
Các nhà nghiên cứu sử dụng ống nano carbon dạng tre (BCNTs) làm phụ gia dẫn điện cho mỡ bôi trơn. Nhờ sự đưa nitơ vào cấu trúc graphit của thành bên ống nano, các tính chất điện tử và cấu trúc đặc biệt đã hình thành, mang lại khả năng hấp phụ và độ dẫn điện tuyệt vời. Ống nano carbon là vật liệu có cấu trúc nano với khả năng dẫn điện nổi bật, và các tính chất điện tử của chúng có thể được điều chỉnh có chủ đích bằng cách đưa các nguyên tử nitơ vào thông qua kỹ thuật pha tạp.
Các kết quả nhấn mạnh sức mạnh của phương pháp phân tán siêu âm:

Nghiên cứu điển hình này đóng vai trò chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật: khi vật liệu nano phù hợp kết hợp với năng lượng siêu âm phù hợp, chất bôi trơn thu được đạt các chỉ tiêu hiệu năng mà trước đây được coi là không thể đạt được bằng các phương pháp trộn thông thường.

Đặc điểm chính của phương pháp phân tán nano bằng siêu âm trong chất bôi trơn

Phương pháp phân tán siêu âm mang lại những kết quả vượt trội, khẳng định tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp:

• Lượng phụ gia cần dùng tối thiểu: Lượng BCNT tương đối nhỏ, cụ thể là 1,5 wt%, đủ để đạt độ dẫn điện tốt của mỡ bôi trơn, vượt 14 mS. Các mẫu chứa ống nano thể hiện độ dẫn điện tốt, dao động từ 7 đến 18,5 mS trong các phép đo ở trạng thái tĩnh.
• Nâng cao hiệu suất trong quá trình vận hành: Các phép đo độ dẫn điện trong quá trình vận hành thực tế của ổ bi cho thấy các giá trị còn cao hơn, với giá trị tối đa 31,5 mS được ghi nhận ở công thức chứa 3% BCNT. Độ dẫn điện tăng trong mọi trường hợp so với các phép đo ở trạng thái tĩnh, cho thấy ứng suất cơ học trong quá trình vận hành tiếp tục cải thiện các đường dẫn điện.
• Đặc tính ma sát vượt trội: Các mẫu chứa 1,5 wt% BCNT đạt đặc tính ma sát hiệu quả, với các giá trị mô-men ma sát là 6,1 và 5,1 Nmm. Điều này chứng minh rằng nồng độ phụ gia tối ưu cân bằng độ dẫn điện với tính năng cơ học.
• Cải thiện độ ổn định nhiệt: Việc bổ sung dầu silicone có độ nhớt cao (5000 mm²/s) và silica khói làm chất làm đặc nâng điểm nhỏ giọt lên trên 150°C, khắc phục một hạn chế quan trọng trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao.
• Các công thức được tối ưu hóa: Dầu gốc PDMS chứa 3% BCNT và 1,0% SiO₂ dạng keo, có độ nhớt 50 mm/s, đã cho thấy tính phù hợp cao với việc chịu tải của ổ bi, kết hợp độ dẫn điện với độ bền cơ học.

Siêu âm: Lợi thế mở rộng quy mô công nghiệp

Trong khi quá trình phát triển ở quy mô phòng thí nghiệm sử dụng Hielscher UIP1000hdT chứng minh tính khả thi của ý tưởng, giá trị thực sự đối với các ứng dụng công nghiệp nằm ở khả năng mở rộng quy mô tuyến tính. Các thiết bị siêu âm Hielscher mang lại lợi thế độc đáo nhờ khả năng mở rộng quy mô tuyến tính, cho phép chuyển đổi liền mạch từ xử lý trên bàn thí nghiệm trong nghiên cứu và phát triển sang sản xuất trực tiếp trên dây chuyền với thể tích lớn.
Để triển khai trong công nghiệp, các kỹ sư quy trình có thể sử dụng mẫu UIP4000hdT 4kW, thiết bị siêu âm UIP6000hdT 6kW hoặc UIP16000hdT mạnh mẽ 16kW được trang bị các buồng dòng chảy chuyên dụng. Phương pháp mở rộng quy mô tuyến tính này bảo đảm rằng các công thức được phát triển ở quy mô phòng thí nghiệm duy trì chất lượng phân tán và các đặc tính phân bố hạt giống hệt khi được sản xuất ở quy mô sản xuất. Tính đồng nhất đạt được nhờ xử lý siêu âm loại bỏ sự biến thiên giữa các mẻ vốn gây khó khăn cho các phương pháp trộn thông thường; điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng chất bôi trơn hiệu suất cao trong các ngành hàng không vũ trụ, ô tô và máy móc chính xác.

Tại sao xử lý siêu âm có vai trò quan trọng đối với đổi mới chất bôi trơn

Những lợi ích của việc phân tán phụ gia nano bằng siêu âm không chỉ giới hạn ở hiệu quả trộn đơn thuần. Công nghệ này cho phép:

1. Tăng hàm lượng phụ gia: Có thể đưa phụ gia nano vào ở nồng độ cao hơn mà không xảy ra kết tụ, tối đa hóa lợi ích về hiệu suất.
2. Cải thiện độ ổn định khi bảo quản: Các hệ phân tán đồng nhất ngăn ngừa lắng và tách pha trong thời gian bảo quản kéo dài.
3. Chất lượng sản phẩm đồng nhất: Mỗi mẻ sản xuất đều đạt các đặc tính phân tán giống hệt nhau, điều thiết yếu đối với các ứng dụng đòi hỏi kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt.
4. Rút ngắn thời gian xử lý: Hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra sự phân tán trong vài phút thay vì hàng giờ như các phương pháp truyền thống yêu cầu.
5. Tính linh hoạt với nhiều công thức: Công nghệ này hoạt động với nhiều loại dầu gốc, chất làm đặc và phụ gia khác nhau, mang lại tính linh hoạt trong phát triển công thức.

Thiết bị phân tán siêu âm dạng đầu dò tạo ra chất bôi trơn sinh học hiệu suất cao.
(Nghiên cứu và hình ảnh: Liu và cộng sự, 2020)

Nâng cao hiệu quả sản xuất chất bôi trơn nano bằng phương pháp phân tán siêu âm

Việc tích hợp công nghệ siêu âm vào các quy trình sản xuất chất bôi trơn thể hiện một sự thay đổi căn bản trong cách đưa phụ gia nano vào công thức chất bôi trơn. Như đã được chứng minh qua việc phát triển thành công các loại mỡ bôi trơn dẫn điện sử dụng ống nano cacbon dạng tre pha tạp nitơ, xử lý siêu âm năng lượng cao tạo ra các hệ phân tán đồng nhất, ổn định với các đặc tính hiệu năng vượt trội. Với khả năng mở rộng quy mô tuyến tính của Hielscher, từ thiết bị siêu âm để bàn UIP1000hdT đến các mẫu thiết bị siêu âm công nghiệp xử lý trong dòng chảy như UIP4000hdT, UIP6000hdT và UIP16000hdT được trang bị buồng dòng chảy, các nhà nghiên cứu và kỹ sư quy trình có thể tự tin chuyển từ khám phá trong nghiên cứu và phát triển sang sản xuất thương mại, bảo đảm rằng thành quả đổi mới đạt được trong phòng thí nghiệm có hiệu năng y hệt tại nhà máy.
Tương lai của công nghệ chất bôi trơn không chỉ nằm ở việc phát triển các phụ gia nano mới mà còn ở việc làm chủ các kỹ thuật phân tán để khai thác toàn bộ tiềm năng của chúng. Xử lý siêu âm tạo cầu nối giữa khám phá khoa học và ứng dụng công nghiệp, tạo điều kiện phát triển thế hệ chất bôi trơn hiệu năng cao tiếp theo cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi khắt khe.

 
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi khắt khe.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu năng cao có công nghệ tiên tiến nhất và dễ sử dụng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

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.
• 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.