DE102008021097A1

DE102008021097A1 - Schmierstoffe mit funktionalisierten Nanokugeln bzw. -sphären

Info

Publication number: DE102008021097A1
Application number: DE102008021097A
Authority: DE
Inventors: Atanu Peoria Adhvaryu
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2009-02-12
Also published as: JP2008274283A; US20080269086A1

Abstract

wird offengelegt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer harten Nanokugel, welche eine Größe von unter ungefähr 500 nm aufweist. Das Verfahren umfasst auch, die Nanokugel einer Strahlungsenergie auszusetzen, um einen funktionalen Wirkstoff zumindest teilweise an einer Oberfläche der Nanokugel zu binden.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung bezieht sind im Allgemeinen auf Schmierstoffe, und genauer auf Schmierstoffe mit funktionalisierten Nanokugeln bzw. -sphären.
Stand der Technik
Ein Schmierstoff ist eine Substanz, oft eine Flüssigkeit, die zwischen zwei sich bewegende Oberflächen gebracht wird, um Reibung und Abnutzung zwischen den beiden Oberflächen zu verringern. Flüssige Schmierstoffe wirken, indem sie Kräfte zwischen sich gegenüberliegenden Flächen mittels Strömungsmitteldruck übertragen, während feste Schmierstoffe wirken, indem sie den Kontakt oder die Reibung zwischen sich gegenüberliegenden Flächen reduzieren. Schmierstoff werden in großem Maße verwendet, um die Betriebsdauer sich in verschiedenen dynamischen Systemen bewegender Teile zu verlängern, wie beispielsweise in Motoren, Getrieben, und hydraulischen Vorrichtungen.
Verschiedene Arten von Schmierungen können weitgehend basierend auf dem Mechanismus des Schmiervorgangs definiert werden. Diese Arten umfassen hydrodynamische Schmierung Mischschmierung, Grenzflächenschmierung, und Schmierung unter gesteigertem Druck bzw. Hochdruckschmierung. Hydrodynamische Schmierung und Mischschmierung erhalten die Trennung der sich bewegenden Oberflächen jeweils durch einen dünnen bzw. dicken Film des Schmiermittels aufrecht. Grenzflächenschmierung und Arten der Hochdruckschmierung verwenden eine dünne, feste Schicht des Schmierstoffes, die auf den Oberflächen der sich bewegenden Teile ausgebildet ist. In ei nigen Fällen kann diese dünne Schicht festen Schmierstoffs aus Material gebildet bestehen, das von größeren Schmierstoffpartikeln abgeschert wurde, oder aus Produkten von aus Reaktionen hervorgegangenen Zusatzstoffen, die in einem Strömungsmittelschmierstoff enthaften sind.
Nanosphärische Schmierstoffe sind Kugeln in der Größenordnung von Nanometern, die ausgeformt sind, um eine chemisch oder physikalisch stabile Schmierung zwischen sich bewegenden Oberflächen bereitzustellen. Nanosphären können die Reibung zwischen den Oberflächen verringern, indem sie zwischen den sich bewegenden Oberflächen wie winzige Kugeln in einem „Lager" wirken. Die Schmierfähigkeit von Nanosphären beruht zum Teil auf der Krümmung und der geringen Größe der Nanosphären. Im Gegensatz zu kugelförmigen Partikeln größerer Abmessungen beeinflusst die geringe Größe der Nanosphären im Allgemeinen nicht die Trennung zwischen den sich bewegenden Oberflächen.
Eine Anwendung eines auf Nanopartikeln basierenden Schmierstoffs wird in der US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2007/0004602 (im folgenden als '602er Veröffentlichung bezeichnet) an Waynick, veröffentlicht am 04.01.2007, beschrieben. Die '602er Veröffentlichung beschreibt im Allgemeinen Zusatzstoffe in Form von Nanopartikeln als Zusatzstoffe für die Verwendung in Ölen und Schmierfetten. Die Zusatzstoffe können ein Carbonat wie beispielsweise Kalziumcarbonat umfassen, ein Carboxylat, ein Phosphat, ein Sulfat, oder eine Kombination dieser verschiedenen Materialien umfassen, um bessere Ergebnisse als bei alleiniger Verwendung dieser Materialien zu erzielen.
Obwohl die '602er Veröffentlichung eine Spanne von Zusatzstoffen in Form von Nanopartikeln beschreibt, bleiben dennoch Beschränkungen. So kann beispielsweise die chemische Oberflächenreaktivität der Nanopartikel hoch sein, was zu ungewollter Partikelanhäufung führen könnte, was wiederum die effektive Partikelgröße steigern könnte und die Vorteile der geringen Abmasse der Nanopartikel verringern könnte. Zusätzlich kann die chemische Zusam mensetzung der Nanopartikel möglicherweise keine Bildung eines Schmierstoffs erlauben, der die chemischen Eigenschaften aufweist, die geeignet sind, um Korrosion oder Abnutzung zu widerstehen.
Die vorliegende Veröffentlichung zielt darauf ab, einen oder mehrere der Nachteile der bisherigen Nanopartikelschmierstoffe zu überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
In einer Hinsicht bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schmierstoffs. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer harten Nanosphäre bzw. -kugel, die eine Größe von weniger als ungefähr 500 nm aufweist. Das Verfahren umfasst auch, dass die Nanokugel einer Strahlungsenergie ausgesetzt wird, um zumindest teilweise einen funktionellen Wirkstoff an die Oberfläche der Nanokugel zu binden.
In einer anderen Hinsicht bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen Schmierstoff, der eine harte Nanokugel aufweist, die eine Größe von weniger als ungefähr 500 nm besitzt. Der Schmierstoff weist auch einen funktionalen Wirkstoff auf, der mittels Strahlungsenergie zumindest teilweise an eine Oberfläche der Nanokugel gebunden ist.
In noch einer weiteren Hinsicht bezieht sich die vorliegende Veröffentlichung auf einen Schmierstoff. Der Schmierstoff weist ein Basisöl und einen Schmierstoffzusatz auf. Der Schmierstoff weist auch eine keramische Nanokugel auf, die eine Größe von weniger als ungefähr 500 nm aufweist, und einen funktionalen Wirkstoff, der durch Mikrowellenenergie zumindest teilweise an eine Oberfläche der Nanokugel gebunden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen, die in dieser Beschreibung enthalten sind und einen Teil davon bilden, verdeutlichen beispielhafte Ausführungsbeispiele der Veröffentlichung und dienen zusammen mit der geschriebenen Beschreibung zur Erklärung der Prinzipien des veröffentlichten Systems.
1 zeigt zwei sich relativ zueinander bewegende Oberflächen, die einen Schmierstoff gemäß eines beispielhaften vorliegenden Ausführungsbeispiels aufweisen.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der beiden Oberflächen der 1.
3 zeigt einen Prozess zur Herstellung von Nanokugeln gemäß einem beispielhaften veröffentlichten Ausführungsbeispiel.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt zwei beispielhafte Oberflächen 10, die sich relativ zueinander bewegen, und einen Schmierstoff 20, wobei ein gewisser reibungsbehafteter Kontakt zwischen den Oberflächen 10 auftritt. Die Oberflächen 10 können Teil eines Bauteils oder einer Maschine sein, die gestaltet ist, um eine mechanische Tätigkeit auszuführen. Nicht einschränkende Beispiele der Oberflächen können Kontaktflächen eines Kolbens bzw. Kolbenbodens und einer Zylinderwand im Brennraum eines Motors umfassen, miteinander in Eingriff tretende Oberflächen einer Getriebeanordnung, hydraulische Bauteile, oder andere sich gegenüberliegende Oberflächen, die einer Relativbewegung unterliegen.
Der Schmierstoff 20 kann zumindest teilweise auf oder zwischen den Oberflächen 10 vorgesehen sein. In einigen Fällen kann der Schmierstoff 20 die Reibung verringern, indem er einen schützenden Film auf den Oberflächen 10 bildet. In einigen Ausführungsbeispielen könnte der Schmierstoff 20 Kraftstoffen oder anderen Arten von Strömungsmitteln zugesetzt werden. Beispielsweise könnte der Schmierstoff 20 Benzin, Dieselkraftstoff, Kraftstoff für Zweitaktmotoren, Biokraftstoffen, oder jedem anderen brennbaren Strömungsmittel zugesetzt werden.
Der Schmierstoff 20 könnte jede flüssige Substanz sein, die zwischen die Oberflächen 10 eingebracht wird, um die Reibung oder Abnutzung dazwischen herabzusetzen. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Schmierstoff 20 aus mehreren verschiedenen Substanzen zusammengesetzt sein. Der Schmierstoff 20 kann eine Flüssigkeit aufweisen, wie beispielsweise ein orga nisches Öl (z. B. pflanzliche Öle, Keim- bzw. Kernöle, und Mineralöle), auf Kohlenwasserstoffen basierende Öle (z. B. auf fossilen Kraftstoffen basierende Öle), synthetische Flüssigkeiten (z. B. hydrierte Polyolefine, Ester, Silikone, und fluorierte Kohlenwasserstoffe), oder andere geeignete Arten von Flüssigkeiten. Die Zusammensetzung des Schmierstoffs 20 kann abhängig sein von der Art der zu schmierenden Oberflächen 10, den Betriebsbedingungen, der erwarteten Betriebslebensdauer der mechanischen Bauteile, und anderen Parametern.
Der Schmierstoff 20 kann auch eine Mischung von flüssigen und festen Schmierstoffen aufweisen. In einigen Fällen kann der Schmierstoff 20 vollkommen aus einem festen Schmierstoff zusammengesetzt sein. In anderen Ausführungsbeispielen könnte der Schmierstoff 20 eine Suspension eines festen Schmierstoffs in einem flüssigen Medium darstellen. Solche festen Schmierstoffe können im Wesentlichen kugelförmige Feststoffpartikel mit einer Größe unterhalb eines Mikrometers aufweisen, wie unten detailliert beschrieben. Insbesondere können feste Schmierstoffe harte, im Wesentlichen kugelförmige, keramische Partikel mit einer Größe im Nanometerbereich aufweisen. In einigen Ausführungsbeispielen können diese festen Schmierstoffe mit Mikrowellenenergie behandelt werden, um physikalische oder chemische Eigenschaften, die mit dem Schmierstoff 20 assoziiert sind, zu funktionalisieren und zu verbessern.
Zusätzlich können verschiedene Zusatzstoffe mit dem Schmierstoff 20 gemischt werden. Einer oder mehrere verschiedene Zusatzstoffe können darauf abgestimmt sein, eine gewünschte chemische oder physikalische Eigenschaft des Schmierstoffs 20 zu verbessern. Beispielsweise können einige Zusatzstoffe darauf abgestimmt sein, um die Viskosität, die Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion oder Oxidation, die Verschleißtoleranz, die Wärmeübertragung, oder andere geeignete Eigenschaften zu verbessern.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Oberflächen 10 der 1. Der Schmierstoff 20 ist zwischen den Oberflächen 10 vorgesehen gezeigt, und weist eine Vielzahl von Nanokugeln 30 innerhalb eines flüssigen Mediums 40 auf. Die Nanokugeln 30 bzw. Nanosphären können jeden festen Schmierstoff umfassen, wie zuvor beschrieben wurde, und unten detaillierter beschrieben werden wird. Das flüssige Medium 40 kann jede flüssige, als Schmierstoff dienende Substanz umfassen, wie zuvor beschrieben, wie beispielsweise organische Öle, auf Kohlenwasserstoff basierende Öle, synthetische Flüssigkeiten, und Zusatzstoffe umfassen. Das flüssige Medium 40 kann dazu dienen, die Nanokugeln 30 in Suspension zu halten, um zumindest teilweise die Zusammenballung der Nanokugeln 30 zu verhindern. Das flüssige Medium 40 kann auch als Schmiermedium in Arten der hydrodynamischen oder Mischschmierung dienen. In einigen Fällen kann das flüssige Medium 40 dazu dienen, um Wärme von den Oberflächen 10 abzuführen. Das flüssige Medium 40 kann ebenso eine flüchtige Flüssigkeit aufweisen, die gestaltet wurde, um zumindest teilweise zu verdampfen, um die Nanokugeln 30 zwischen den Oberflächen 10 zu konzentrieren. In noch weiteren Ausführungsbeispielen kann das flüssige Medium 40 aus dem Schmierstoff 20 weggelassen werden.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das flüssige Medium 40 eine chemische Verbindung (nicht gezeigt) enthalten. Die chemische Verbindung kann ausgewählt werden, um gewünschte chemische oder physikalische Eigenschaften des Schmierstoffs 20 bereitzustellen oder zu verbessern, wie beispielsweise die Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung oder Korrosion. Beispielsweise könnte die chemische Verbindung als Oberflächenstabilisator dienen, um die Oberflächenenergie der Nanokugeln 30 zu verringern, und ihre Neigung zu verringern, sich zusammen zu ballen. Geeignete chemische Verbindungen können phosphatbasierte, aminbasierte, sulfatbasierte, oder borbasierte Wirkstoffe umfassen. Nicht einschränkende Beispiele von Materialien, die als chemische Verbindungen verwendet werden können, können Zinkdialkylzinkdithiophosphat (ZDDP), Natriumtripolyphosphat, Kaliumdiphosphat, und 2-Ethylhexylmolybdändithiophosphat umfassen. Wie gemäß Stand der Technik bekannt, kann mehr als eine chemische Verbindung verwendet werden.
Der Schmierstoff 20 kann eine Vielzahl von Nanokugeln 30 jeder im Allgemeinen kugelförmigen Form aufweisen. Wie hier definiert, kann eine Nanokugel jeden im Allgemeinen kugelförmigen Partikel mit einer Größe unter 500 nm umfassen. Da Nanokugeln im Allgemeinen eine kugelförmige Gestalt aufweisen, kann sich die Größe auf einen ungefähren äußeren Durchmesser oder auf eine ungefähre Breite einer Nanokugel beziehen. In einigen Ausführungsbeispielen können die Nanokugeln 30 einen Bestand umfassen, der eine Spanne von Größen unter ungefähr 500 nm aufweist. In anderen Ausführungsbeispielen kann eine Mehrzahl der Nanokugeln 30 eine Größe aufweisen, die geringer ist als ungefähr 500 nm. In noch weiteren Ausführungsbeispielen können die Nanokugeln 30 einen Bestand umfassen, der eine durchschnittliche Größe unter ungefähr 200 nm aufweist.
Die Nanokugeln 30 können hart sein, wobei die Nanokugel 30 im Wesentlichen widerstandsfähig gegen eine andauernde Verformung ist. Harte Partikel sind im Allgemeinen widerstandsfähiger gegen Verformung als weiche Partikel, wie beispielsweise Gele oder andere Materialien mit elastischen oder plastischen Verformungseigenschaften.
In einigen Ausführungsbeispielen können die Nanokugeln 30 in Partikel geformt werden, die im Wesentlichen gleichförmig sind und aus dicht gepackter Materie bestehen. In anderen Ausführungsbeispielen können die Nanokugeln 30 porös sein, wobei innere Leer- oder Hohlräume in der im Wesentlichen gleichförmigen Struktur der Nanokugeln 30 existieren. Weiterhin können die Hohlräume (nicht gezeigt) der Nanokugeln 30 zumindest teilweise mit anderen Materialien gefüllt sein, wie beispielsweise den zuvor beschriebenen chemischen Verbindungen. In anderen Ausführungsbeispielen können die Oberflächen der Hohlräume der Nanokugeln 30 funktionalisiert sein, wie unten genauer beschrieben.
Die Nanokugeln 30 können aus jedem geeigneten Material geformt sein, das in der Lage ist, ein hartes Partikel zu bilden, wie beispielsweise einem keramischen Material. Solche Materialien können gemäß Stand der Technik be kannte Materialien beinhalten, gewöhnlicherweise als feste Schmiermittel verwendete Materialien, oder Materialien, die in der Lage sind, harte, im Wesentlichen kugelförmige Partikel mit einer Größe im Nanometerbereich zu bilden. Ein keramisches Material kann beispielsweise einzelne Oxide, Karbide, Nitride, oder intermetallische Materialien beinhalten. Einzelne Oxidmaterialien können Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkondioxid (ZrO₂), Titandioxid (TiO₂), Magnesiumoxid (MgO), Siliziumdioxid (SiO₂), Mullit (3Al₂O₃·2 SiO₂), Spinell (MgO·Al₂O₃), oder ähnliche Materialien umfassen. Karbidmaterialien können Siliziumkarbid (SiC), Borkarbid (B₄C), Titankarbid (TiC), oder ähnliches Material umfassen. Nitridmaterialien können Bornitrid (BN), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder ähnliches Material umfassen. Intermetallische Materialien können Nickel-Aluminide (NiAl, Ni₃Al), Titan-Aluminide (TiAl, Ti₃Al), Molybdändisilizide (Mo-Si₂), oder ähnliches Material umfassen.
In einigen Ausführungsbeispielen können die Nanokugeln 30 eine oder mehrere gesinterte Oberflächen 35 aufweisen. Die gesinterte Oberfläche 35 kann jeden Bereich der Nanokugel 30 umfassen. Beispielsweise könnte die gesinterte Oberfläche 35 einen Bereich der Nanokugel 30 umfassen, der sich zumindest teilweise über die Begrenzungsfläche der Nanokugel 30 erstreckt, wie in 2 gezeigt. Da die Nanokugeln 30 innere Hohlräume aufweisen können, kann die gesinterte Oberfläche 35 eine oder mehrere innere Oberflächen 35 (nicht gezeigt) der Nanokugel 30 aufweisen.
Die gesinterte Oberfläche 35 kann unter Verwendung geeigneter Herstellungsmethoden auf einer oder mehreren Nanokugeln 30 gebildet werden, wie unten genauer beschrieben. Die gesinterten Oberflächen 35 können eine geeignete Funktionalisierung der Nanokugeln 30 bereitstellen. Funktionalisierung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Prozess, durch den chemisch funktionale Gruppen an eine Oberfläche der Nanokugeln 30 gebunden werden. Die Funktionalisierung der Nanokugeln 30 an sich kann das Hinzufügen von chemisch funktionalen Gruppen zu zumindest einem Teil der inneren und/oder äußeren Oberflächen der Nanokugeln 30 umfassen.
Die Funktionalisierung der Nanokugeln 30 kann verschiedene chemische oder physikalische Eigenschaften des Schmierstoffs 20 bereitstellen oder verbessern. Beispielsweise können die Nanokugeln mit bestimmten funktionale Gruppen versehen werden, um die Stabilisierung zu verbessern, wobei die Neigung der Nanokugeln 30, sich zusammenzuballen, teilweise verringert werden kann. Zudem können den Nanokugeln funktionale Gruppen hinzugefügt werden, um die Wärmeübertragung, die Geräuschdämpfung, die Korrosionsbeständigkeit, oder andere gewünschte Eigenschaften zu verbessern.
In einigen Ausführungsbeispielen können den Nanokugeln 30 eine oder mehrere funktionale Gruppen hinzugefügt werden. Zusätzlich können Nanokugeln 30 verschiedener Größe oder Porosität gestaltet sein, um verschiedene Mengen funktionaler Gruppen zurückzuhalten, und somit verschiedene Stufen der Funktionalisierung darstellen. Beispielsweise kann eine hoch poröse Nanokugel 30 mit mehr funktionalen Gruppen funktionalisiert werden als eine weniger poröse Nanokugel 30 ähnlicher Größe. Solche variablen Eigenschaften können es zulassen, dass Nanokugeln 30 präzise auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten werden, wie unten beschrieben.
3 zeigt ein Verfahren 45 zur Herstellung von Nanokugeln 30. Unbehandelte Nanokugeln 50 können in eine Verarbeitungskammer 60 gebracht werden. Die Kammer 60 kann jede Vorrichtung sein, die gestaltet ist, um unbehandelte Nanokugeln 50 mit Strahlungsenergie zu behandeln. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Strahlungsenergie Mikrowellenenergie beinhalten. Beispielsweise kann die Kammer 60 eine von Milestone (Monroe, CT) hergestellte Ethos1600-Vorrichtung beinhalten. Insbesondere kann die Strahlungsenergie primär Mikrowellenenergie umfassen, wobei der Großteil der Strahlung im Mikrowellenbereich liegt. Mikrowellenenergie kann jede Form von Energie beinhalten, die eine Wellenlänge im Bereich von 30 cm bis 1 mm aufweist.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 45 Mikrowellenenergie verwenden, um eine Oberfläche der unbehandelten Nanokugeln 50 zumindest teilweise zu sintern. Das Sintern kann zu Bindungen zwischen einer Oberfläche der Nanokugeln und einem oder mehreren ausgewählten funktionalen Wirkstoffen 70 führen. Die Anwendung von Mikrowellenenergie, die Zeit, während der unbehandelte Nanokugeln 50 der Mikrowellenenergie ausgesetzt sind, und andere mit dem Prozess des Oberflächensinterns assoziierte Parameter können innerhalb der Kammer 60 optimiert werden. Ein solcher Prozess kann gestaltet werden, um der Oberfläche der Nanokugeln ausreichend Wärme zuzuführen. Wärme kann benötigt werden, um Aktivierungsenergien der Reaktionspartner zu überwinden und eine Bindungsreaktion auf der Oberfläche der Nanokugeln anzustoßen. Beispielsweise kann die Kammer 60 die Reaktionspartner für 10 Minuten auf 150°C erwärmen, oder für 20 bis 60 Minuten auf 200°C, oder für 30 bis 60 Minuten auf 250°C, in Abhängigkeit vom Ausmaß der benötigten Oberflächenreaktion. Die funktionale Gruppe des funktionalen Wirkstoffs 70 kann somit an die Oberfläche der Nanokugel gebunden werden, was zu einer Funktionalisierung der entstehenden Nanokugeln 30 führt. Weiterhin kann sich auch einer oder mehrere der in der Kammer 60 gebildeten Reaktionspartner an die Nanokugeln 30 binden, um eine gewisse Funktionalisierung bereitzustellen. Die Nanokugeln 30 können steuerbar für bestimmte Anwendungen in verschiedenen tribologischen und schmiermitteltechnischen Anwendungen hergestellt werden.
Die Kammer 60 kann ebenfalls eingerichtet sein, um unbehandelte Nanokugeln 50 mit einem oder mehreren funktionalen Wirkstoffen 70 zu kombinieren. Die funktionalen Wirkstoffe 70 können eine Verbindung aufweisen, die eine oder mehrere funktionale Gruppen umfasst, die mit unbehandelten Nanokugeln 50 zur Reaktion gebracht werden können, um funktionalisierte Nanokugeln 30 zu bilden, wie oben beschrieben. Die funktionalen Wirkstoffe 70 können verwendet werden, um unbehandelte Nanokugeln 50 zu funktionalisieren, um eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften zu verbessern, wie Korrosionsschutz, Rostschutz, Druck, Verschleiß, oder andere Eigenschaften der Nanokugeln 30. Beispielsweise können die funktionalen Wirkstoffe 70 eines oder mehrere der Folgenden umfassen: Metalldithiophosphate, Metalldithiocarbamate, Metallsulfonate, Thiadiazole, geschwefelte Terpene, Metallsulfo nate, Alkylamine, Alkylaminphosphate, Alkenylbernsteinsäuren, Fettsäuren, saure Phosphatester, Alkylsulfide, Polysulfide, geschwefelte Fettsäuren, chlorierte Fettsäuren, chlorierte Paraffinwachse, Alkylphosphite, Alkylphosphate, aschefreie Dithiophosphate, Karboxylate, Metalltriborate, chlorierte Wachse, Bleinaphtenate, oder Kombinationen davon. Der funktionale Wirkstoff 70 kann fest, flüssig, gasförmig, oder eine gelförmige Art von Material sein.
In einigen Ausführungsbeispielen können im Handel erhältliche, unbehandelte Nanokugeln 50 innerhalb der Kammer 60 mit einem oder mehreren funktionalen Wirkstoffen 70 kombiniert werden. Diese Mischung kann vor, nach oder während der Mischung mit Strahlungsenergie einem oder mehreren Heiz- und/oder Kühlschritten unterzogen werden. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die Verarbeitung unter kontinuierlichem oder unterbrochenem Rühren der unbehandelten Nanokugeln 50 und der funktionalen Wirkstoffe 70 durchgeführt werden kann.
In anderen Ausführungsbeispielen kann die Kammer 60 mehrere Abteilungen aufweisen, die gestaltet sind, um die Nanokugeln derart zu behandeln, dass die Herstellung der Nanokugeln in mehreren Schritten erfolgen kann. Eine erste Kammer (nicht gezeigt) könnte beispielsweise eingerichtet sein, um unbehandelte Nanokugeln 50 unter ausgewählten Bedingungen Strahlungsenergie auszusetzen. Die Nanokugeln können dann einem oder mehreren funktionalen Wirkstoffen ausgesetzt werden und wahlweise für bestimmte Zeiten erhitzt werden. Überwachung, Probenentnahme, und andere Kontrolltechniken können angewendet werden, um eine geeignete Herstellung der Nanokugeln 30 sicherzustellen. Beispielsweise können verschiedene Filter (nicht gezeigt) verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Nanokugeln 30 eine im Wesentlichen gleichmäßige Größe aufweisen.
In einigen Ausführungsbeispielen kann der ganze oder im Wesentlichen der ganze Schmierstoff 20 aus Nanokugeln 30 bestehen. Wenn beispielsweise ein im Allgemeinen fester Schmierstoff gewünscht wird, können die aus der Kammer 60 stammenden Nanokugeln 30 als Schmierstoff 20 verwendet wer den. In anderen Ausführungsbeispielen, in denen ein flüssiger Schmierstoff gewünscht ist, kann der Schmierstoff 20 durch Nanokugeln 30 und ein flüssiges Medium 40 gebildet werden.
Das Verfahren 45 kann optional das Mischen der in der Kammer 60 hergestellten Nanokugeln 30 mit dem flüssigen Medium 40 in einer Mischmaschine 80 zur Herstellung des Schmierstoffs 20 umfassen. Die Mischmaschine 80 kann jede geeignete Vorrichtung umfassen, die eingerichtet ist, um die Nanokugeln 30 und das flüssige Medium 40 zu kombinieren. Beispielsweise kann die Mischmaschine 80 einen mechanischen Mischer, einen Ultraschallmischer, oder jeden anderen, gemäß Stand der Technik bekannten Mischer umfassen.
Das flüssige Medium 40 kann jegliches organische Öl, ein auf Kohlenwasserstoffen basierendes Öl, oder eine synthetische Flüssigkeit umfassen, wie zuvor beschrieben. Verschiedene Zusatzstoffe (nicht gezeigt) können ebenfalls mit dem flüssigen Medium 40 gemischt werden. Diese Zusatzstoffe können eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften des Schmierstoffs 20 verbessern. Die Zusatzstoffe können beispielsweise dazu dienen, die Oberflächen 10 vor Rost und/oder Abnutzung zu schützen, die Eigenschaften des Schmierstoffs 20 für bestimmte Anwendungen zu verbessern, und den Schmierstoff 20 vor Oxidation zu schützen. Diese Zusatzstoffe können Säureneutralisatoren, Antischaummittel, Antioxidationsmittel, Rostschutzmittel, Korrosionsschutzmittel, Reinigungsmittel, Lösungsmittel, Emulgatoren, Hochdruckzusatzstoffe, Viskositätsverstärker, Stockpunktsenker (Pourpointsenker), Benetzungsmittel, Mittel zur Steigerung des Viskositätsindex, und/oder jegliche andere, gemäß Stand der Technik bekannte Zusatzstoffe für Schmiermittel umfassen.
In einigen Ausführungsbeispielen kann der Schmierstoff 20 weiteren, verschiedenen Herstellungsprozessen (nicht gezeigt) unterzogen werden. Beispielsweise kann ein Überwachungsprozess angewendet werden, um verschiedene physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Schmier stoffs zu messen, wie beispielsweise Viskosität, Anteil an Nanokugeln, Schmierfähigkeit, etc. In einigen Ausführungsbeispielen kann etwas des Schmierstoffs 20 in die Kammer 60 zurück oder in einen anderen Verarbeitungsschritt geleitet werden, um, basierend auf Ausgabewerten eines Überwachungsprozesses, weiter verarbeitet zu werden. Ein weiterer Prozess könnte einen Reinigungsprozess beinhalten, in dem Verunreinigungen und anderes unerwünschte Material aus dem Schmierstoff 20 entfernt werden könnte. Ein solcher Prozess könnte das Herausfiltern verschieden großer Nanopartikel unerwünschter Größe oder Eigenschaft umfassen.
Industrielle Anwendbarkeit
Nanokugeln 30 können Schmierstoffen, Kraftstoffen, anderen Strömungsmitteln oder Kombinationen davon zugesetzt werden. Wie zuvor beschrieben, kann der Schmierstoff 20 verwendet werden, um die Reibung oder den Verschleiss zwischen jeglichen beweglichen Teilen zu verringern. Der Schmierstoff 20 kann harte Nanokugeln 30 aufweisen, die dazu dienen können, die Trennung der Oberflächen 10 verschiedener sich bewegender Teile zumindest teilweise aufrecht zu erhalten. Die Nanokugeln 30 können auch die Reibung zwischen Oberflächen 10 verringern, indem sie wie „Kugeln" in einem „Kugellager" als Schnittstelle zwischen den Oberflächen 10 wirken. Die tribologischen Eigenschaften des Schmierstoffs 20 können durch neuartige Eigenschaften der Nanokugeln 30, die aufgrund ihrer Abmaße und/oder ihrer funktionalisierten Oberflächen hervortreten, ebenfalls gesteigert werden.
Verschiedene Strömungsmittel können Nanokugeln 30 aufweisen, wie hier beschrieben, wobei die Nanokugeln 30 eine oder mehrere funktionale Gruppen umfassen können. Funktionale Gruppen können Verbindungen umfassen, die gestaltet sind, um verschiedene gewünschte Eigenschaften solcher Strömungsmittel hervorzurufen oder zu steigern. Beispielsweise können funktionale Gruppen die Verschleiss- oder Reibungseigenschaften, die Wärmeübertragung, die Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion steigern, die Emissionen verringern, die Lärmdämpfung, oder andere Eigenschaften des Schmierstoffs 20 steigern. Insbesondere können diese funktionalen Gruppen als Oberflächenstabilisatoren dienen, um die Neigung der Nanokugeln, sich zusammenzuballen, zu verringern.
Die Nanokugeln 30 können gesinterte Oberflächen 35 aufweisen, die eine oder mehrere der verschiedenen funktionalen Gruppen aufweisen. Das Sintern kann die Behandlung der Nanokugeln mit Strahlungsenergie und insbesondere mit Mikrowellenenergie umfassen. Mikrowellenenergie, die auf eine Mischung funktionaler Mittel 70 und unbehandelter Nanokugeln 50 aufgebracht wird, kann zu einer gesinterten Oberfläche führen, wobei die funktionalen Gruppen an innere oder äußere Oberflächen der Nanokugeln 30 gebunden sind. Der Herstellungsprozess kann gesteuert und modifiziert werden, um Nanokugeln 30 mit einer oder mehreren Arten verschiedener Ebenen bzw. Levels von funktionalen Gruppen zu bilden. Die Gegenwart bzw. das Vorhandensein unterschiedlicher Mengen geeignet geformter Nanokugeln 30 kann verschiedene physikalische oder chemische Eigenschaften des Schmierstoffs 20 hervorrufen oder steigern.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an den offen gelegten Nanokugeln 30, oder dem Schmierstoff 20 vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann aus der Betrachtung der Beschreibung und der Ausführung der hierin offen gelegten Nanokugeln 30 oder des Schmierstoffs 20 offensichtlich sein. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibungen und Beispiele nur beispielhaft betrachtet werden sollen, wobei ihr wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre Entsprechungen angezeigt wird.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung eines Schmierstoffs (20), welches umfasst: das Bereitstellen einer harten Nanokugel (30), welche eine Größe von weniger als 500 Nanometer aufweist; und die Nanokugel einer Strahlungsenergie aussetzen, um einen funktionalen Wirkstoff zumindest teilweise an eine Oberfläche der Nanokugel zu binden.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strahlungsenergie Mikrowellenenergie umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nanokugel ein keramisches Material aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei das keramische Material mindestens eines der folgenden umfasst: ein einzelnes Oxid, Karbid, Nitrid, und einen intermetallischen Werkstoff.
Das Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin das Mischen der Nanokugel mit einem Strömungsmittel umfasst, wobei das Strömungsmittel mindestens ein Grundöl und/oder einen Kraftstoff umfasst.
Ein Schmierstoff (20), welcher aufweist: eine harte Nanokugel (30), welche eine Größe von weniger als 500 Nanometer aufweist; und einen funktionalen Wirkstoff, der durch Strahlungsenergie zumindest teilweise an eine Oberfläche der Nanokugel gebunden ist.
Der Schmierstoff nach Anspruch 6, wobei die Strahlungsenergie Mikrowellenenergie umfasst.
Der Schmierstoff nach Anspruch 6, wobei die Nanokugel ein keramisches Material aufweist.
Der Schmierstoff nach Anspruch 8, wobei das keramische Material mindestens eines der folgenden umfasst: ein einzelnes Oxid, Karbid, Nitrid, und einen intermetallischen Werkstoff.
Der Schmierstoff nach Anspruch 6, welcher weiterhin ein Strömungsmittel umfasst, wobei das Strömungsmittel mindestens ein Grundöl und/oder einen Kraftstoff umfasst.