In questo articolo discuteremo cosa significano il grafene e un lubrificante al grafene, nonché il modo per migliorare le proprietà operative dei lubrificanti al grafene utilizzando un dispositivo a strato di vortice.

Nel 2010, il Premio Nobel per la fisica è stato assegnato a A. Geim e K. Novoselov che hanno condotto esperimenti innovativi sul materiale bidimensionale del grafene. Sono passati poco più di dieci anni da allora e il grafene ha già trovato applicazioni in molti settori. Finora, l’uso su larga scala del grafene è stato limitato dal suo prezzo relativamente alto, ma insieme al miglioramento delle tecnologie per la produzione del materiale, anche il suo prezzo diminuirà, come già osservato anche adesso.

Cosa significa grafene?

La caratteristica principale del grafene come materiale è la bidimensionalità del suo cristallo atomico. Il cristallo è costituito da atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale. È possibile immaginare come appare il modello del reticolo del grafene se lo strato superiore dei favi vuoti viene tagliato con cura parallelamente alla loro base piatta. Di conseguenza, vedremo una griglia piana con celle esagonali identiche: ecco come appare una struttura cristallina di grafene a strato singolo.

Figura 1 – Fibre di grafene viste al microscopio elettronico a scansione

Produzione di grafene

Il grafene è prodotto dalla grafite, perché la grafite è essenzialmente una pila di singoli strati di grafene. Significa che il compito si limita a separare attentamente uno strato. Per rimuovere lo strato superiore, ad esempio, si può utilizzare un nastro adesivo (nastro adesivo) che viene trasferito sulla superficie del supporto insieme ai cristalli di grafite più fini. Se l’adesione dei cristalli di grafene ottenuti al substrato è maggiore della loro adesione reciproca, i cristalli di grafene rimangono sulla superficie del substrato.

Esistono altri metodi di produzione del grafene, ad esempio la stratificazione chimica. La grafite viene lavorata con acidi per formare ossidi di grafene idrofili (grafoni) che vengono poi ridotti a grafene di bassa qualità.

Applicazioni del grafene

Le applicazioni del grafene si espandono costantemente grazie alle sue proprietà: elevata conduttanza e conduttività termica, resistenza e natura idrofobica. Applicazioni note del grafene:

• produzione di substrati di grafene per l’esame dei campioni mediante spettroscopia;
• produzione di rivestimenti conduttivi trasparenti in grafene per celle solari e display a cristalli liquidi;
• produzione di microcircuiti integrati in grafene;
• produzione di transistor ad effetto di campo al grafene;
• utilizzo nella termoregolazione degli smartphone;
• utilizzo in batterie ricaricabili;
• produzione di materiali compositi;
• produzione di grasso lubrificante, ecc.

Parliamo più dettagliatamente dell’uso del grafene nella produzione di grasso lubrificante.

Grasso lubrificante — Perchéè contenuto il grafene?

Lo scopo principale dei lubrificanti è ridurre l’attrito e, successivamente, l’usura delle superfici a contatto reciproco. Ora immagina di avere un campione a forma di palla fatto di ossido di zirconio e un wafer di silicio. Se inizi a eseguire un movimento alternativo di questa sfera sul wafer, sulla superficie del wafer si formerà un “solco” in 10-15 minuti. Se lo strato più sottile di grafene (non più di 1 nm) viene applicato in qualche modo su un nuovo wafer di silicio e successivamente vengono eseguiti test con il movimento alternativo della sfera, il wafer rimarrà intatto. In questo caso, il coefficiente di attrito sarà basso e difficilmente cambierà per molto tempo. La proprietà del grafene di mantenere un basso coefficiente di attrito viene mantenuta sia nei mezzi umidi che in quelli asciutti.

Un’altra proprietà utile del grafene è che respinge l’acqua e non lascia passare l’aria; in altre parole rallenta i processi ossidativi sulla superficie dei metalli. Tutti questi sono buoni prerequisiti per l’utilizzo del grafene nella produzione di grasso lubrificante.

Lubrificante al grafene: aspetti speciali della produzione

In generale, un lubrificante è una sostanza costituita da una base liquida (mezzo di dispersione), un addensante solido (fase dispersa) e additivi (additivi). La caratteristica del grafene è che può essere utilizzato sia come addensante che come additivo fornendo buone caratteristiche tribologiche di lubrificante. Tuttavia, queste caratteristiche possono essere raggiunte solo se il grafene è distribuito uniformemente in tutto il volume del lubrificante, indipendentemente dal fatto che venga utilizzato in quantità relativamente grandi (come addensante) o in piccole quantità (come additivo). I tradizionali miscelatori meccanici non riescono a far fronte a questo compito che non consente di raggiungere le caratteristiche tribologiche ottimali di un lubrificante.

Un dispositivo a strato di vortice di particelle ferromagnetiche (AVS) aiuterà a una buona miscelazione e una distribuzione uniforme degli ingredienti.

Dispositivo a strato vortex per lubrificanti al grafene

Un dispositivo a strati di vortice è un dispositivo costituito da un induttore di campo elettromagnetico rotante, una camera operativa in materiale non magnetico e particelle ferromagnetiche in quantità da decine a centinaia di pezzi. Le particelle vengono collocate nella camera operativa che si trova nella zona di influenza di un campo elettromagnetico rotante indotto dopo l’applicazione della tensione all’avvolgimento dell’induttore. Spinte dal campo, le particelle iniziano a muoversi e poi entrano in collisione continua tra loro e con le pareti della camera operativa. Rende complessa la traiettoria del movimento delle particelle. In questo caso, nella camera operativa si verificano contemporaneamente i fenomeni che contribuiscono alla lavorazione efficiente di un lubrificante al grafene:

• vibrazioni acustiche;
• cavitazione;
• campo elettromagnetico rotante;
• effetto di miscelazione di ciascuna particella ferromagnetica, ecc.

Questi fattori garantiscono un’efficace miscelazione degli ingredienti e una distribuzione uniforme degli stessi in tutto il volume. È molto importante quando, ad esempio, il grafene viene utilizzato come additivo nella quantità dello 0,1%. A questo proposito, l’AVS è un’apparecchiatura unica, poiché distribuisce uniformemente anche una quantità così piccola di sostanza in tutto il volume del lubrificante.

Se, ad esempio, si utilizza il grafene come addensante in una quantità del 10-12%, la miscelazione preliminare degli ingredienti può essere effettuata mediante miscelatori convenzionali e la miscela ottenuta può essere ulteriormente lavorata in un dispositivo a strati a vortice.

L’uso di dispositivi a strato di vortice nella produzione di lubrificanti al grafene migliora le caratteristiche tribologiche (coefficienti di attrito e usura) rispetto alle stesse caratteristiche ottenute utilizzando altre apparecchiature (miscelatori, mulini, ecc.).

Prospettiva applicazione dell’AVS: attivazione meccanica del lubrificante a base di grafite

L’esperienza che abbiamo acquisito in termini di applicazione pratica dei dispositivi a strato di vortice indica che offrono prospettive per l’attivazione meccanica dei lubrificanti a base di grafite.

L’essenza dell’ipotesi è la seguente. Durante la lavorazione dei lubrificanti a base di grafite in un dispositivo a strati a vortice, la dimensione delle particelle e la stratificazione della grafite diminuiscono; in altre parole si potranno formare strutture di grafene che miglioreranno le caratteristiche tribologiche dei lubrificanti a base di grafite.

Vantaggi dei dispositivi a strato di vortice

L’applicazione di dispositivi a strato a vortice nella produzione di lubrificanti al grafene presenta i seguenti vantaggi:

• Il dispositivo distribuisce uniformemente il grafene in tutto il volume del lubrificante indipendentemente dalla quantità, fino a decimi e centesimi di percentuale.
• Il dispositivo non consuma molta energia. GlobeCore produce i modelli AVS-100 e AVS-150 di un dispositivo a strato di vortice che hanno un requisito di potenza rispettivamente di 4,5 e 9 kW.
• Il processo di miscelazione degli ingredienti nel dispositivo a strati a vortice avviene molto rapidamente (in pochi secondi e minuti) a causa dell’influenza di fattori intensificanti sotto forma di ultrasuoni, cavitazione, alte pressioni locali, campo elettromagnetico rotante, ecc.
• Il dispositivo funziona in modalità flusso e può essere facilmente integrato nelle linee tecnologiche esistenti per la produzione di lubrificanti al grafene sia al posto del miscelatore principale con serbatoio (risparmio di spazio sul pavimento) sia come installato dopo di esse per l’ulteriore lavorazione degli ingredienti.
• Il dispositivo è semplice e senza pretese nella manutenzione. Non ha componenti di attrito che richiedono una manutenzione costante.
• Durabilità. La durata dei dispositivi può raggiungere decenni a seconda delle condizioni operative.

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