Производство на биосмазочни материали: интензификация на процесите чрез ултразвукова обработка

Индустрията на смазочните материали навлиза в решаващ етап на иновации в съставите. Тъй като промишлените потребители, секторите на мобилността, морските оператори и приложенията в екологично чувствителни среди преминават към биоразградими и възобновяеми алтернативи, производителите на смазочни материали са под нарастващ натиск да осигуряват високоефективни биосмазочни материали, без да правят компромис с контрола на вискозитета, окислителната стабилност, защитата от износване или дългосрочната стабилност при съхранение. Пазарните анализатори отчитат продължаващ растеж при биосмазочните материали, обусловен от търсенето на биоразградими, устойчиви смазочни решения с по-ниски емисии за транспортни и промишлени приложения.

Ултразвуково производство на биосмазочни материали: интензификация на процесите за устойчиви смазочни материали

На този фон ултразвуковата обработка придобива все по-голямо промишлено значение като универсална производствена технология за биосмазочни материали. Мощният ултразвук може да се използва за ултразвуково диспергиране, сонохимична трансестерификация, емулгиране и получаване на микрогелни частици, като предоставя на разработчиците на състави надежден инструмент за подобряване както на химичното превръщане, така и на физичното качество на състава. Това прави ултразвуковата обработка високоефективна технологична техника, използвана при биосмазочни масла, биосмазочни греси, биосмазочни материали на водна основа и смазочни материали, подходящи за хранителната промишленост.

Защо ултразвуковата обработка е важна за производителите на биосмазочни материали

Биосмазочните материали често се основават на сложни системи от суровини: растителни масла, синтетични естери, полимери на биологична основа, целулозни производни, функционални добавки, антиоксиданти, инхибитори на корозията, противоизносни агенти, модификатори на триенето и фази на водна основа или от емулсионен тип. Тези съставки могат да се различават значително по полярност, вискозитет, размер на частиците, разтворимост и поведение на междуфазната граница. Конвенционалните смесители, роторно-статорните системи или продължителното разбъркване на партиди невинаги могат да осигурят достатъчна енергийна плътност за получаване на фини, стабилни дисперсии или бързи междуфазни реакции.
Ултразвуковата обработка преодолява тези предизвикателства чрез акустична кавитация. Когато в течности се въвежда ултразвук с висока интензивност, се образуват микроскопични кавитационни мехурчета, които нарастват и се свиват колапсно. Това създава локално силно срязване, интензивно микросмесване, турбулентност, деагломерация на частиците и реакционни зони, които могат да ускорят масообмена и химичните реакции. В изследванията на трансестерификацията ултразвукът е широко проучван като начин за преодоляване на бавната кинетика на реакцията и неефективния контакт между маслената и алкохолната фаза.
За производителите на смазочни материали това означава, че ултразвукът не е само лабораторен метод за хомогенизиране. Той е технология за интензификация на процесите, която може да подпомогне производството на по-стабилни, по-еднородни и по-ефективни смазочни състави на биологична основа.
 

Ултразвуковият диспергатор със сонда създава високоефективни биосмазочни материали.
(Изследване и изображение: Liu et al., 2020)

Ултразвуково диспергиране на добавки на биологична основа за смазочни материали

Основно предизвикателство при разработването на биосмазочни състави е хомогенното въвеждане на добавки на биологична основа. Материали като карбоксиметилцелулоза, целулозни нановлакна, биополимери, естествени гуми, лигнинови производни, сгъстители на биологична основа и функционални наночастици могат силно да повлияят на вискозитета, смазочната способност, противоизносните характеристики, образуването на филм и стабилността на суспензията. Тези материали обаче често са склонни да се агломерират, да се хидратират бавно или да образуват нееднородни гелни структури.
Ултразвуковото диспергиране помага на производителите да намалят агломератите и да разпределят добавките по-равномерно в цялата матрица на смазочния материал. Това е особено ценно за смазочни материали на водна основа, наносмазочни материали, гресоподобни системи и биосмазочни материали на емулсионна основа. Последните изследвания на системи на целулозна основа показват, че ултразвуковата обработка може значително да повлияе на поведението при диспергиране, реологията и мрежовата структура, което я прави полезен технологичен инструмент за настройване на състави, съдържащи целулоза.

За производителите на смазочни материали по-доброто диспергиране може да доведе до:

• По-постоянен вискозитет и реологично поведение
• Подобрена ефективност на добавките при по-ниски дозировки
• Намалена седиментация, разделяне на фазите или наличие на плаващи твърди частици
• По-възпроизводими трибологични характеристики
• По-кратко време за обработка в сравнение с продължителното механично разбъркване

Карбоксиметилцелулозата е особено важна, защото се използва широко като целулозно производно с полезни вискозитетни, повърхностни и филмообразуващи свойства. В смазочните системи ултразвуковата обработка може да помогне за включването на CMC и други биополимери в стабилни водни или емулсионни състави, като подпомага разработването на смазочни материали с подобрени екологични характеристики, контролирано поведение при течене и повишена стабилност на състава.
 

Биосмазочни материали с ултразвуково диспергирана карбоксиметилцелулоза. Ултразвуковото диспергиране произвежда дългосрочно стабилни нанобиосмазочни материали
Изследване и изображения: ©Rahmadiawan et al., 2022

Сонохимична трансестерификация за биосмазочни материали на основата на диестери и естери

Естерите са сред най-важните базови течности за високоефективни биосмазочни материали. Те могат да осигурят добра смазочна способност, висок вискозитетен индекс, биоразградимост и благоприятно поведение при ниски температури в зависимост от суровината и молекулната структура. Диестерите и полиоловите естери са особено важни за приложения като хидравлични течности, компресорни масла, течности за металообработка, масла за верижни триони, морски смазочни материали и специализирани промишлени смазочни материали.
Едно обещаващо приложение на ултразвука е сонохимичното получаване на естери чрез трансестерификация. При конвенционалната трансестерификация несмесващите се реагенти, като масла и алкохоли, често изискват интензивно смесване, повишени температури, катализатори и продължително време за реакция. Ултразвукът подобрява масообмена чрез създаване на фини емулсии между фазите на реагентите и непрекъснато обновяване на междуфазната граница, на която протича реакцията.
Трансестерификацията с помощта на ултразвукова обработка е утвърдена техника с добре доказани предимства като по-високи скорости на реакцията, подобрен контакт между фазите, по-кратко време за разделяне, високи добиви и намалено образуване на отпадъци при подходящи условия. Производителите на смазочни материали използват метода на ултразвукова трансестерификация за получаване на компоненти за биосмазочни материали на естерна основа, включително диестери и други функционални естерни структури.

Ултразвуковата трансестерификация помага на производителите да:

• Подобрят контакта между маслената, алкохолната и катализаторната фаза
• Намалят времето за реакция чрез интензифициране на междуфазния масообмен
• Осигурят технологични работни диапазони при по-ниски температури или с по-висока енергийна ефективност
• Подобрят постоянството на степента на превръщане при партидно или непрекъснато производство
• Използват компактни конструкции на реактори за мащабируемо производство на естери

За компаниите, произвеждащи базови компоненти за биосмазочни материали, ултразвукът предлага възможност за интензифициране на процесите на естерификация и трансестерификация, като същевременно подпомага по-чистото и по-ефективно производство.

Ултразвуково емулгиране на смазочни състави

Много съвременни биосмазочни материали не са обикновени еднофазни масла. Те могат да включват емулсии вода в масло, емулсии масло във вода, концентрати на добавки, восъчни дисперсии, системи, модифицирани с полимери, или сложни многофазни комплекси. Качеството на тези емулсии оказва пряко влияние върху стабилността при съхранение, смазочната способност, охлаждащите характеристики, защитата от корозия и поведението при приложение.
Ултразвуковото емулгиране е високоефективно, защото кавитацията генерира интензивни локални сили на срязване, които раздробяват капките до по-малки размери и създават тесни разпределения на размера на капките. При производството на смазочни материали това може да се използва за емулгиране на масла на биологична основа, естерни фази, водни фази, повърхностноактивни вещества, полимерни стабилизатори и функционални добавки в стабилни състави.

Това е особено важно за:

• Биосмазочни материали на водна основа
• Течности за металообработка и течности за рязане
• Хидравлични течности с възобновяеми компоненти
• Греси от емулсионен тип и полутвърди смазочни материали
• Концентрати на добавки и предварителни дисперсии
• Смазочни системи, съдържащи биополимери или целулозни производни

Финото емулгиране подобрява физичната стабилност на смазочните състави и може да намали необходимостта от прекомерно съдържание на повърхностноактивни вещества. За производителите това предлага предимства както по отношение на характеристиките, така и на разходите: подобрена стабилност, по-ефективно използване на добавките и по-голяма гъвкавост при разработването на състави.

Ултразвукова обработка за емулсионни микрогелни частици

Друга развиваща се област е производството на емулсионни микрогелни частици за усъвършенствани смазочни състави. Микрогеловете могат да действат като модификатори на реологията, носители на активни съставки, модификатори на триенето или структуриращи агенти, реагиращи на външни въздействия. В смазочните системи на биологична основа микрогелните частици могат да се произвеждат от естествени полимери, модифицирана целулоза, полизахариди, протеини или други възобновяеми полимерни системи.
Ултразвуковата обработка подпомага получаването на микрогелове, като позволява контролирано емулгиране, намаляване на размера на капките, диспергиране на полимери и структуриране на фазите. Същите механизми, задвижвани от кавитацията, които произвеждат фини емулсии, могат също да помогнат за създаването на малки, еднородни капки на прекурсора или диспергирани полимерни домени, които впоследствие се желират, омрежват или стабилизират.

Оптимизирайте производството си на биосмазочни материали с ултразвукова обработка

Един от най-важните въпроси за производителите на смазочни материали е дали ултразвуковата обработка може надеждно да се интегрира в производствените линии. С ултразвуковите апарати на Hielscher отговорът е категорично да. Високоефективните ултразвукови апарати на Hielscher са проектирани за непрекъсната работа, обработка в технологичната линия и безпроблемно интегриране в съществуващи производствени линии, което ги прави мощно и надеждно решение за промишлено производство на биосмазочни материали.
В типична промишлена инсталация предварителната смес на смазочния материал, суспензията на добавките, реакционната смес от масло и алкохол или подаваната емулсия се изпомпва през ултразвукова проточна клетка, където се излага на прецизно контролирана ултразвукова енергия. Ключови параметри на процеса като амплитуда, налягане, температура, дебит, време на престой и специфично количество вложена енергия могат да се настройват и наблюдават точно и се документират автоматично. Това високо ниво на контролируемост осигурява на производителите на смазочни материали необходимата сигурност на процеса за възпроизводимо качество на състава, валидирани производствени протоколи и последователно мащабиране от изпитвания в научноизследователската и развойната дейност до пилотно производство и пълен промишлен производствен капацитет.
За производителите на биосмазочни материали тази мащабируемост е особено важна, защото изискванията към съставите стават все по-високи. Клиентите очакват устойчиви продукти, но очакват и същите или по-добри характеристики от тези на конвенционалните смазочни материали на нефтена основа. Ултразвуковите апарати на Hielscher помагат на производителите да преодолеят тази разлика, като съчетават мощност, надеждност, контролируемост и линейна мащабируемост в една здрава ултразвукова платформа. Тези предимства правят ултразвуковите апарати на Hielscher предпочитания избор за компании, които се нуждаят от ултразвукова обработка с промишлено качество за висококачествени смазочни състави на биологична основа.

 
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

Проектиране, производство и консултиране – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре известни с най-високите си стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната експлоатация позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати на Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни среди.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високоефективни ултразвукови апарати, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са в съответствие с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Литература / Източници

• Arumugam, S., Chengareddy, P., Tamilarasan, A. et al. (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. 5535–5548.
• 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.