Hoe Nanomaterialen Bio-Smeermiddelen Verbeteren in Duurzame Bewerkingstechnologieën

De bewerking van titaniumlegeringen leidt vaak tot chemische reacties tussen de titaniumelementen en de gereedschappen, wat resulteert in hogere snijdtemperaturen en verhoogde wrijvingskrachten. Xu et al. [43] gebruikten een speciaal gebouwd koud plasmaparaat om de anti-slijtage-effecten van koude plasmajets op Ti6Al4V/WC-Co-wrijvingsparen te onderzoeken, waardoor de snijdtemperaturen effectief werden verlaagd. Het gebruik van nanomaterialen in koel- en smeermiddelen heeft de afgelopen jaren geleid tot aanzienlijke vooruitgangen in het verminderen van deze problemen. Een van de veelbelovende benaderingen is het gebruik van bio-smeermiddelen in Minimum Quantity Lubrication (MQL)-processen, wat de basis vormt voor meer duurzame productietechnieken.

In de vroege fasen van MQL-ontwikkeling maakten onderzoekers voornamelijk gebruik van minerale oliën, zoals vloeibare paraffine. Tegenwoordig worden synthetische minerale oliën, bijvoorbeeld van het merk Castrol, vaker gebruikt. Terwijl minerale oliën koelings- en smeermiddelbehoeften vervullen, zijn ze gebaseerd op niet-hernieuwbare bronnen en brengen ze risico’s met zich mee voor het milieu en de gezondheid. Al in 2002 gebruikten Kelly en Cotterell [44] plantaardige olie als smeermiddel in boorexperimenten, en hun resultaten toonden aan dat bij een specifieke boorsnelheid de verwerkingstemperatuur, oppervlakteafwerking en koppel beter waren dan bij traditionele koeling, wat de weg vrijmaakte voor verder onderzoek naar bio-smeermiddelen in MQL.

Ondanks de milieuvriendelijke en biogebruikbare eigenschappen van bio-smeermiddelen blijft een belangrijk probleem de thermische stabiliteit van deze oliën bij hoge temperaturen. Bij verhoogde temperaturen moeten bio-smeermiddelen bestand zijn tegen thermische afbraak. De stabiliteit van deze oliën wordt meestal beoordeeld aan de hand van hun vlampunten, die meestal rond de 280 °C liggen voor verschillende plantaardige oliën zoals sojaolie, rapeseedolie en pindaolie. De effectiviteit van deze oliën neemt af wanneer hun vlampunt onder de snijstemperatuur komt. Bij hogere temperaturen worden plantaardige oliën, vooral die met dubbele bindingen (zoals linolzuur), vatbaar voor afbraak. Dit wordt deels verholpen door chemische modificaties zoals epoxidatie of waterstofverharding, die de stabiliteit verhogen.

Verder kan de toevoeging van nanomaterialen de efficiëntie van smeermiddelen verhogen door diepere infiltratie en betere atoomisatiecapaciteiten, wat resulteert in een meer gelijkmatige verdeling van het smeermiddel over het werkstuk. De toename in de thermische geleiding en de verbeterde smeerfilms zorgen voor een efficiënter verwerkingsproces met minder slijtage en lagere snijdtemperaturen. De ontwikkeling van deze technologie biedt nieuwe perspectieven voor de duurzame bewerking van materialen zoals titanium en andere moeilijk te bewerken legeringen.

Het begrijpen van de werking van deze nanomaterialen, evenals het verder optimaliseren van hun interactie met bio-smeermiddelen, zal cruciaal zijn voor de toekomst van de duurzame machinale bewerking.

Wat zijn de voordelen van cryogene minimum hoeveelheid smering (MQL) bij het bewerken van titaniumlegeringen en andere moeilijk te bewerken materialen?

Cryogene minimum hoeveelheid smering (MQL) wordt steeds belangrijker in de verspanende industrie, vooral wanneer het gaat om het bewerken van moeilijk te bewerken materialen zoals titaniumlegeringen. Dit proces biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele koelsystemen, vooral in termen van duurzaamheid en gereedschapslevensduur. Cryogene koeling, waarbij vloeibare gassen zoals stikstof (LN2) of kooldioxide (CO2) worden gebruikt, maakt het mogelijk om de snijtemperaturen drastisch te verlagen en de wrijving tussen het gereedschap en het werkstuk te minimaliseren. Hierdoor wordt niet alleen de levensduur van de gereedschappen verlengd, maar ook de kwaliteit van het eindproduct verbeterd.

Bij het bewerken van titaniumlegeringen, zoals Ti-6Al-4V, biedt de combinatie van cryogene koeling met minimum hoeveelheid smering voordelen die verder gaan dan de traditionele benaderingen van koelvloeistoffen. De techniek maakt gebruik van een minimaal volume van cryogeen koelmiddel, wat resulteert in minder verspilling van koelvloeistof en een schoner werkmilieu. Dit draagt niet alleen bij aan een verbeterde werkomgeving, maar het vermindert ook de kosten van koelvloeistoffen en de noodzaak voor uitgebreide reinigingsprocessen na de bewerking.

De effecten van cryogene koeling op de machinabiliteit van titanium worden ondersteund door diverse wetenschappelijke onderzoeken. In studies is gebleken dat cryogene koeling in combinatie met minimum hoeveelheid smering (MQL) de vorming van slijtage op gereedschappen drastisch vermindert, vooral bij bewerkingen die hoge snijsnelheden vereisen. Deze benadering voorkomt ook dat de warmte zich ophoopt in het gereedschap en het werkstuk, wat vaak leidt tot gereedschapsfalen of ongewenste vervorming van het materiaal.

Er zijn ook experimenten uitgevoerd waarin de voordelen van cryogene koeling zijn vergeleken met andere koelsystemen, zoals het gebruik van emulgerende koeling of convectieve luchtkoeling. Cryogene koeling heeft in veel gevallen bewezen effectiever te zijn, vooral bij het bewerken van materialen zoals titaniumlegeringen, waar de warmteafvoer cruciaal is voor het behoud van de kwaliteit van zowel het gereedschap als het werkstuk. De koeling met cryogenen voorkomt dat de gereedschappen oververhit raken, wat leidt tot minder slijtage en een langere levensduur van het gereedschap.

Wat verder opvalt in de literatuur is de toepassing van cryogene koeling bij het bewerken van legeringen zoals Inconel 718, een superlegering die bekend staat om zijn hoge weerstand tegen hoge temperaturen en corrosie. Studies hebben aangetoond dat cryogene koeling in combinatie met MQL ook hier positieve resultaten oplevert door de wrijving te verminderen en de hitte-afvoer te verbeteren, waardoor de levensduur van de gereedschappen wordt verlengd.

Bovendien kan cryogene MQL worden gecombineerd met andere technologieën, zoals hybride koelsystemen, die de voordelen van verschillende koelsystemen combineren om de prestaties te verbeteren. Dit kan bijvoorbeeld worden bereikt door cryogene gassen te mengen met minimaal hoeveelheid smering (MQL), wat resulteert in een synergetisch effect dat de prestaties verder optimaliseert.

Het is belangrijk op te merken dat hoewel cryogene MQL veel voordelen biedt, de techniek niet zonder uitdagingen is. Er zijn technische en operationele moeilijkheden bij de implementatie van cryogene koelsystemen, zoals de noodzaak voor aangepaste machines en gereedschappen, evenals de kosten van cryogene gassen. Desondanks blijven de voordelen voor de duurzaamheid en de prestaties van het verspaningsproces de kosten rechtvaardigen, vooral in industriële omgevingen waar precisie en gereedschapslevensduur van cruciaal belang zijn.

Bij de toepassing van cryogene MQL is het belangrijk dat de instellingen van de machines goed worden geoptimaliseerd, zoals de keuze van het juiste koelsysteem en de controle van de vloeistofstroom. Dit kan door de afstand van de spuitmond en de druk van de cryogene vloeistof aan te passen, wat de efficiëntie van de koeling kan verbeteren en de gereedschapslevensduur verder kan verlengen. Het verbeteren van de spuitmondontwerpen en de plaatsing van de spuitmonden is ook van groot belang, aangezien dit de effectiviteit van de koeling direct beïnvloedt.

Hoe beïnvloedt de concentratie van hydroperoxide de eigenschappen van plantaardige oliën als smeermiddelen?

De concentratie van hydroperoxide in plantaardige oliën speelt een cruciale rol in hun prestaties als smeermiddel, vooral onder specifieke omstandigheden van belasting en temperatuur. Verhoogde concentraties van hydroperoxide kunnen de viskeuze en oppervlakte-eigenschappen van de olie veranderen, wat leidt tot verslechterde smeringscapaciteit. Dit komt doordat een verhoogde viscositeit en oppervlaktespanning de vloei-eigenschappen van de olie negatief beïnvloeden, waardoor de effectiviteit van de smering afneemt. Onder belastingstoestanden van 15 tot 45 kg werd vastgesteld dat een stijging van de hydroperoxide-concentratie correleert met een verhoogde slijtage van de metalen oppervlakken. Dit komt doordat de chemische veranderingen in de olie de interactie tussen de olie en het metalen oppervlak verergeren, wat leidt tot verhoogde slijtage. Interessant is echter dat bij hogere belastingstoestanden (75–95 kg) de aanwezigheid van hydroperoxide de slijtage juist kan verminderen, wat duidt op een potentieel voordeel in extreme drukomstandigheden. Dit suggereert dat hydroperoxide onder bepaalde omstandigheden eigenschappen vertoont die lijken op die van extreme drukadditieven.

Desondanks kan de toevoeging van bepaalde anti-slijtage-additieven de drempel van hydroperoxide-concentratie verhogen, wat leidt tot een verslechtering van de slijtage-eigenschappen. Bijvoorbeeld, de toevoeging van een zink dialkyl dithiophosphate additief aan de olie verhoogt de hydroperoxide-concentratie, wat op zijn beurt de slijtage verhoogt. Dit toont aan dat het complexe samenspel tussen de samenstelling van de olie, de concentratie van hydroperoxide en de additieven een directe invloed heeft op de slijtageprestaties van de olie.

Onder grenssmeringsomstandigheden verstoort een hogere concentratie van hydroperoxide de anti-slijtage-eigenschappen van zonnebloemzaadolie. Dit wordt verder bevestigd door onderzoeken die aantoonden dat de slijtage van de nokkenas in motoren toeneemt door de interactie van hydroperoxide met het metalen oppervlak. De slijtas is direct evenredig met de concentratie van hydroperoxide in de olie, wat aangeeft dat het geen gevolg is van oxidatie van de olie zelf, maar van de directe corrosie van het metalen oppervlak door de hydroperoxide.

Bij temperaturen boven de 150 °C begint de peroxidatie van de olie af te nemen, maar de thermische afbraak van de vetzuren gaat door in drie fasen. De eerste fase betreft de afbraak van poly-onverzadigde vetzuren zoals linolzuur, die bij verhitting verschillende vluchtige verbindingen vormen, waaronder dimeren en polymeren. De tweede fase betreft de afbraak van monoverzadigde vetzuren, terwijl de derde fase de afbraak van verzadigde vetzuren omvat. Dit proces leidt tot een verandering in de chemische samenstelling van de olie, waardoor de smeereigenschappen verder kunnen verslechteren. De afname van de onverzadigde vetzuren, zoals linolzuur en linoleenzuur, is significant bij temperaturen boven 160 °C, wat blijkt uit verschillende experimenten die een afname van deze zuren bij hogere temperaturen aantoonden.

Plantaardige oliën hebben duidelijk voordelen als smeermiddelen, maar hun prestaties zijn sterk afhankelijk van de concentratie van hydroperoxide, de temperatuur, de samenstelling van vetzuren en de aanwezigheid van additieven. Het begrijpen van deze interacties is essentieel voor het optimaliseren van de prestaties van plantaardige oliën in verschillende industriële toepassingen. De mate van oxidatie, de aard van de vetzuren en de effecten van additieven moeten zorgvuldig worden afgewogen bij het kiezen van plantaardige oliën voor smering bij hoge temperaturen en belastingen.

Hoe verbeteren modificaties van plantaardige oliën de thermische stabiliteit en smerende eigenschappen?

De selectieve hydrogenering van plantaardige oliën leidt tot een verbeterde vloeibaarheid bij lage temperaturen vergeleken met volledige hydrogenering. Dit komt doordat gedeeltelijke verzadiging van dubbele bindingen in triglyceriden de flexibiliteit van moleculen behoudt zonder de olie volledig te verharden. Tegelijkertijd verhoogt het verminderen van het aantal dubbele bindingen de thermische stabiliteit, wat cruciaal is voor toepassingen waarbij hittebestendigheid vereist is. Vanuit economisch oogpunt is hydrobehandeling bovendien een kosteneffectieve en schaalbare methode voor industriële toepassingen.

Een andere belangrijke modificatietechniek is esterificatie, waarbij de reactieve hydroxylgroep op de β-positie van glycerolmoleculen in triglyceriden wordt benut. Door de instabiliteit van de C–H binding op deze plek bij verhoogde temperaturen kunnen ongunstige afbraakproducten ontstaan, die via polymerisatie de viscositeit doen toenemen en neerslag veroorzaken. Om deze problemen te vermijden, is er veel aandacht voor de synthese van polyolesters, waarbij glycerol deels wordt vervangen door polyolen zoals neopentyleenglycol (NPG), trimethylolpropaan (TMP) en pentaerythritol (PE).

De variatie in de samenstelling van vetzuren en het type polyol leidt tot polyolesters met unieke moleculaire structuren en daarmee uiteenlopende fysisch-chemische eigenschappen. Met name de oxidatiestabiliteit verbetert naarmate het aantal hydroxylgroepen in de polyolen toeneemt, terwijl een hoger gehalte aan onverzadigde bindingen in triglyceriden deze stabiliteit juist verlaagt. De aanwezigheid van vrije vetzuren beïnvloedt tevens de efficiëntie van de conversie tijdens transesterificatieprocessen.

Onderzoek toont aan dat transesterificatie de oxidatiestabiliteit van plantaardige oliën aanzienlijk verbetert. Zo behaalde een TMP-ester van Lunaria-olie een uitzonderlijk lage oxidatiesnelheid en een oxidatie-inductietijd die ver boven de normen van gangbare plantaardige olie-esters uitstijgt. Dit illustreert dat zorgvuldig gekozen combinaties van vetzuren en polyolen superieure prestaties kunnen leveren. Esters op basis van olijfolie vertonen doorgaans een hogere oxidatiestabiliteit dan die op basis van koolzaadolie, vanwege het relatief hoge aandeel enkelvoudig onverzadigde vetzuren en lagere poly-onverzadigde vetzuren.

Vergelijkingen van polyolesters laten zien dat TMP-esters vaak thermisch stabieler zijn dan NPG-esters, terwijl PE-esters uit koolzaadolie thermische stabiliteit vertonen die vergelijkbaar is met synthetische compressoroliën zoals SAE30. De thermische ontleding van PE-esters verloopt in twee fasen, wat wijst op een complexer, maar stabieler oxidatiegedrag dan de eenfasige ontleding van synthetische oliën. Daarnaast bleek uit tests dat pentaerythritolesters van onverzadigde vetzuren zoals 10-undecenoïc zuur uitzonderlijk hoge begin-ontledings-temperaturen hebben, wat hun geschiktheid voor hoogtemperatuursmering onderstreept.

Naast thermische stabiliteit vertonen deze modificeerde plantaardige oliën ook verbeterde tribologische eigenschappen. Zo reduceert Lunaria TMP-ester de wrijvingscoëfficiënt aanzienlijk ten opzichte van conventionele basisoliën. Pentaerythritolesters op basis van koolzaadolie verminderen de wrijvingsmomenten in compressorsystemen, wat wijst op een betere slijtagebescherming en lagere energieverliezen. Deze effecten worden toegeschreven aan de aanwezigheid van polaire vetzuren die zich kunnen adsorberen op de wrijvingsoppervlakken en daar een beschermende koolstoflaag vormen, waardoor direct metaal-op-metaal contact wordt voorkomen.

Een bijkomend voordeel van transesterificatie is de verbeterde laagtemperatuurprestaties van plantaardige oliën. Door het verhogen van de vertakkingsgraad en antioxidatieve eigenschappen blijven deze oliën vloeibaar bij temperaturen onder het vriespunt van onveranderde plantaardige oliën, wat cruciaal is voor toepassingen zoals snijolie waar lage temperatuur en vloeibaarheid essentieel zijn.

Het is van belang te beseffen dat de chemische samenstelling van de plantaardige olie, het gekozen polyol, en het modificatieproces elkaar sterk beïnvloeden en dat een optimale combinatie van deze factoren noodzakelijk is om een smeermiddel te verkrijgen dat voldoet aan de specifieke thermische, oxidatieve en tribologische eisen van moderne industriële toepassingen. Het begrip van deze samenhang is cruciaal om de prestaties van bio-gebaseerde smeermiddelen ten volle te benutten en te verbeteren.