Производство на биосмазочни материали: интензифициране на процеса чрез ултразвукова обработка

Промишлеността за смазочни материали навлиза в решаваща фаза на иновации в състава на продуктите. Тъй като промишлените потребители, секторите на мобилността, морските оператори и приложенията, изискващи специално внимание към околната среда, преминават към биоразградими и възобновяеми алтернативи, производителите на смазочни материали са под нарастващ натиск да предлагат високопроизводителни биосмазочни материали, без да се прави компромис с контрола на вискозитета, окислителната стабилност, защитата от износване или дългосрочната стабилност при съхранение. Пазарните анализатори отчитат продължаващ растеж при биосмазочните материали, движен от търсенето на биоразградими, нискоемисионни и устойчиви смазочни решения в транспортните и промишлените приложения.

Производство на биосмазочни материали чрез ултразвук: интензификация на процеса за получаване на устойчиви смазочни материали

На този фон ултразвуковата обработка, известна още като соникация, придобива все по-голямо значение в промишлеността като универсална производствена технология за изработката на биосмазочни материали. Високомощният ултразвук може да се използва за ултразвукова дисперсия, сонохимична трансестерификация, емулгиране и получаване на микрогелови частици, като предоставя на формулаторите надежден инструмент за подобряване както на химическата конверсия, така и на физическото качество на формулата. Това превръща соникацията в високоефективна технология за обработка, използвана при производството на биосмазочни масла, биосмазочни греси, биосмазочни средства на водна основа и смазочни средства 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, производни на целулозата, функционални добавки, антиоксиданти, инхибитори на корозията, противоизносващи агенти, модификатори на триенето, както 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 границата между фазите. Конвенционалните смесители, системите с ротор-статор или продължителното периодично разбъркване не винаги осигуряват достатъчна енергийна плътност за получаване на фини, стабилни дисперсии или бързи реакции на границата между фазите.
Ултразвуковата обработка решава тези предизвикателства чрез акустична кавитация. Когато в течностите се въведе ултразвук с висока интензивност, се образуват, нарастват и колапсират микроскопични кавитационни мехурчета. Това създава локализирано високо срязване, интензивно микросмесване, турбулентност, деагломерация на частиците и реактивни зони, които могат да ускорят масообмена и химичните реакции. В изследванията в областта на трансестерификацията ултразвукът е широко проучван като начин за преодоляване на бавната реакционна кинетика и неефективния контакт между маслената и алкохолната фази.
За производителите на смазочни материали това означава, че ултразвукът не е просто метод за хомогенизация в лабораторни условия. Той представлява технология за интензифициране на процесите, която може да подпомогне производството на по-стабилни, по-хомогенни и по-ефективни формулировки на смазочни материали на биологична основа.
 

Ултразвуковите диспергатори от типа „сонда“ позволяват производството на висококачествени биосмазочни материали.
(Изследване и илюстрация: Liu и др., 2020)

Ултразвукова дисперсия на добавки за смазочни материали на биологична основа

Едно от основните предизвикателства при разработването на биосмазочни средства е хомогенното вграждане на добавки на биологична основа. Материали като карбоксиметилцелулоза, целулозни нановлакна, биополимери, естествени смоли, производни на лигнина, сгъстители на биологична основа и функционални наночастици могат да окажат силно влияние върху вискозитета, смазващите свойства, защитата срещу износване, образуването на филм и стабилността на суспензията. Тези материали обаче често имат склонност да се агломерират, да се хидратират бавно или да образуват неравномерни гелови структури.
Ултразвуковата дисперсия помага на производителите да намалят образуването на агломерати и да разпределят добавките по-равномерно в матрицата на смазочното средство. Това е особено ценно за смазочни средства на водна основа, наносмазочни средства, системи, подобни на греси, и биосмазочни средства на емулсионна основа. Последните изследвания върху системи на целулозна основа показват, че ултразвуковата обработка може значително да повлияе на дисперсионното поведение, реологията и мрежовата структура, което я превръща в полезен инструмент за оптимизиране на съдържащите целулоза формулировки.

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

• По-стабилна вискозитет и реологични свойства
• Повишена ефективност на добавката при по-ниски дози
• Намалена седиментация, фазово разделяне или плаващи твърди частици
• По-стабилни трибологични характеристики
• По-кратко време за обработка в сравнение с продължителното механично разбъркване

Карбоксиметилцелулозата е от особено значение, тъй като се използва широко като производна на целулозата с полезни свойства по отношение на вискозитета, повърхността и способността за образуване на филм. В системите за смазочни материали ултразвуковата обработка може да спомогне за интегрирането на CMC и други биополимери в стабилни водни или емулсионни формулировки, като подпомага разработването на по-екологични смазочни материали с контролирано поведение при течене и подобрена стабилност на формулировката.
 

Биологични смазочни материали с карбоксиметилцелулоза, диспергирана чрез ултразвук. Ултразвуковата дисперсия води до получаването на дългосрочно стабилни нано-биологични смазочни материали
Изследване и изображения: ©Rahmadiawan и др., 2022 г.

Сонохимична трансестерификация за биосмазочни материали на базата на диестери и естери

Естерите са сред най-важните базови течности за високопроизводителни биосмазочни материали. В зависимост от изходния материал и молекулната структура те могат да осигурят добра смазваща способност, висок вискозитетен индекс, биоразградимост и благоприятно поведение при ниски температури. Диестерите и полиолните естери са особено важни за приложения като хидравлични течности, масла за компресори, течности за металообработка, масла за верижни триони, морски смазочни материали и специални промишлени смазочни материали.
Едно обещаващо приложение на ултразвука е сонохимичното получаване на естери чрез трансестерификация. При конвенционалната трансестерификация несмесимите реагенти, като масла и алкохоли, често изискват интензивно смесване, повишени температури, катализатори и продължително време на реакцията. Ултразвукът подобрява масообмена, като създава фини емулсии между фазите на реагентите и непрекъснато обновява граничната повърхност, където протича реакцията.
Трансестерификацията с помощта на ултразвук е утвърдена техника, която при подходящи условия е доказала своите предимства, като по-висока скорост на реакцията, подобрен контакт между фазите, по-кратко време за разделяне, висок добив и намалено образуване на отпадъци. Производителите на смазочни материали използват метода на ултразвуковата трансестерификация за производството на компоненти за биосмазочни материали на естерна основа, включително диестери и други функционални естерни структури.

Ултразвуковата трансестерификация помага на производителите:

• Подобряване на контакта между фазите на маслото, алкохола и катализатора
• Намаляване на времето за реакция чрез ускоряване на междуфазовия масов пренос
• Поддържане на технологични прозорци с по-ниски температури или по-висока енергийна ефективност
• Подобряване на стабилността на преобразуването при партидно или непрекъснато производство
• Въвеждане на компактни конструкции на реактори за мащабируемо производство на естери

За компаниите, произвеждащи базови масла за биосмазочни материали, ултразвукът предлага възможност за ускоряване на процесите на естерификация и трансестерификация, като същевременно допринася за по-екологично и по-ефективно производство.

Ултразвукова емулгиране на смазочни състави

Много от съвременните биосмазочни материали не са обикновени еднофазни масла. Те могат да включват емулсии от типа „вода в масло“, емулсии от типа „масло във вода“, концентрати на добавки, восъчни дисперсии, системи, модифицирани с полимери, или сложни многофазни състави. Качеството на тези емулсии оказва пряко влияние върху стабилността при съхранение, смазващата способност, охлаждащите характеристики, защитата срещу корозия и поведението при употреба.
Ултразвуковото емулгиране е изключително ефективно, тъй като кавитацията генерира интензивни локални срязващи сили, които разбиват капките на по-малки части и създават тесни разпределения по размер на капките. При производството на смазочни материали този процес може да се използва за емулгиране на масла на биологична основа, естерни фази, водни фази, повърхностноактивни вещества, полимерни стабилизатори и функционални добавки в стабилни формулировки.

Това е особено важно за:

• Биологични смазочни материали на водна основа
• Течности за металообработка и смазочно-охлаждащи течности
• Хидравлични течности с възобновяеми съставки
• Смазки от емулсионен тип и полутвърди смазочни материали
• Концентрати на добавки и преддисперсии
• Системи за смазване, съдържащи биополимери или производни на целулозата

Фината емулгиране подобрява физическата стабилност на смазочните състави и може да намали необходимостта от прекомерно добавяне на повърхностноактивни вещества. За производителите това предлага както предимства по отношение на експлоатационните характеристики, така и икономически ползи: подобрена стабилност, по-ефективно използване на добавките и по-голяма гъвкавост при съставянето на формулите.

Ултразвукова обработка за получаване на микрогелови частици в емулсия

Друга развиваща се област е производството на емулсионни микрогелови частици за съвременни смазочни състави. Микрогелите могат да действат като модификатори на реологичните свойства, носители на активни съставки, модификатори на триенето или реактивни структуриращи агенти. В смазочните системи на биологична основа микрогелните частици могат да се произвеждат от естествени полимери, модифицирана целулоза, полизахариди, протеини или други системи от възобновяеми полимери.
Ултразвуковата обработка подпомага получаването на микрогелове, като позволява контролирана емулгиране, намаляване на размера на капките, дисперсия на полимерите и структуриране на фазите. Същите механизми, задвижвани от кавитация, които създават фини емулсии, могат също да спомогнат за образуването на малки, еднородни капки-прекурсори или диспергирани полимерни домени, които впоследствие се желират, омрежват или стабилизират.

Оптимизирайте производството на биологични смазочни материали чрез ултразвукова обработка

Един от най-важните въпроси за производителите на смазочни материали е дали ултразвуковата обработка може надеждно да бъде интегрирана в производствените линии. С ултразвуковите апарати на Hielscher отговорът е категорично „да“. Високопроизводителните соникатори на Hielscher са проектирани за непрекъсната работа, вградена обработка и безпроблемна интеграция в съществуващите производствени линии, което ги превръща в мощно и надеждно решение за промишлено производство на биосмазочни материали.
В типична промишлена инсталация предварително смесената смазка, суспензията от добавки, реакционната смес от масло и алкохол или подаваната емулсия се изпомпват през ултразвукова поточна клетка, където се подлагат на прецизно контролирана ултразвукова енергия. Ключовите параметри на процеса, като амплитуда, налягане, температура, дебит, време на престой и специфичен енергиен приток, могат да бъдат точно регулирани, наблюдавани и автоматично документирани. Това високо ниво на контролируемост осигурява на производителите на смазочни материали необходимата сигурност на процеса за възпроизводимо качество на формулировките, валидирани производствени протоколи и последователно мащабиране от R&D изпитания за пилотно производство и пълна промишлена производителност.
За производителите на биосмазочни материали тази мащабируемост е особено важна, тъй като изискванията към състава стават все по-строги. Клиентите очакват устойчиви продукти, но също така очакват същата или по-добра производителност в сравнение с конвенционалните смазочни материали на петролна основа. Ултразвуковите апарати на Hielscher помагат на производителите да преодолеят тази разлика, като съчетават мощност, надеждност, управляемост и линейна мащабируемост в една стабилна ултразвукова платформа. Тези предимства правят ултразвуковите апарати на Hielscher предпочитан избор за компании, които се нуждаят от ултразвукова обработка на промишлено ниво за висококачествени формули на смазочни материали на биологична основа.

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

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

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

Литература / Препратки