Výroba biomaziv: intenzifikace procesu pomocí sonikace

Průmysl maziv vstupuje do rozhodující fáze inovací v oblasti formulací. S tím, jak průmysloví uživatelé, odvětví mobility, provozovatelé v námořní dopravě a environmentálně citlivé aplikace přecházejí na biologicky odbouratelné a obnovitelné alternativy, čelí výrobci maziv rostoucímu tlaku na dodávání vysoce výkonných biomaziv bez kompromisů v regulaci viskozity, oxidační stabilitě, ochraně proti opotřebení nebo dlouhodobé skladovací stabilitě. Tržní analytici uvádějí pokračující růst biomaziv, poháněný poptávkou po biologicky odbouratelných a udržitelných mazacích řešeních s nižšími emisemi v dopravě i v průmyslových aplikacích.

Ultrazvuková výroba biomaziv: intenzifikace procesů pro udržitelná maziva

Na tomto pozadí získává ultrazvukové zpracování, známé také jako sonikace, průmyslový význam jako všestranná výrobní technologie pro výrobu biomaziv. Vysoce výkonný ultrazvuk lze využít k ultrazvukové disperzi, sonochemické transesterifikaci, emulgaci a přípravě mikrogelových částic, čímž formulátoři získávají robustní nástroj ke zlepšení jak chemické konverze, tak fyzikální kvality formulace. Díky tomu je sonikace vysoce účinnou technikou zpracování, která se používá u biologických mazacích olejů, biologických plastických maziv, biomaziv na vodní bázi a maziv v potravinářské kvalitě.

Proč je ultrazvukové zpracování důležité pro výrobce biomaziv

Biomaziva často vycházejí ze složitých systémů surovin: rostlinných olejů, syntetických esterů, polymerů na biologické bázi, derivátů celulózy, funkčních aditiv, antioxidantů, inhibitorů koroze, protiotěrových přísad, modifikátorů tření a fází na vodní bázi nebo emulzního typu. Tyto složky se mohou výrazně lišit polaritou, viskozitou, velikostí částic, rozpustností a chováním na rozhraní fází. Konvenční míchadla, systémy rotor-stator nebo dlouhé vsádkové míchání nemusí vždy poskytnout dostatečnou hustotu energie k vytvoření jemných, stabilních disperzí nebo k dosažení rychlých reakcí na rozhraní fází.
Sonikace tyto výzvy řeší prostřednictvím akustické kavitace. Když je do kapalin zaveden ultrazvuk o vysoké intenzitě, vznikají mikroskopické kavitační bubliny, které rostou a kolabují. Tím vzniká lokálně vysoký smyk, intenzivní mikromíchání, turbulence, deaglomerace částic a reaktivní zóny, které mohou urychlit přenos hmoty a chemické reakce. Ve výzkumu transesterifikace byl ultrazvuk rozsáhle studován jako způsob, jak překonat pomalou reakční kinetiku a neefektivní kontakt mezi olejovou a alkoholovou fází.
Pro výrobce maziv to znamená, že ultrazvuk není pouze laboratorní homogenizační metodou. Jde o technologii intenzifikace procesů, která může podpořit výrobu stabilnějších, rovnoměrnějších a účinnějších formulací maziv na biologické bázi.

Ultrazvukový dispergátor sondového typu vytváří vysoce výkonná biomaziva.
(Studie a obrázek: Liu et al., 2020)

Ultrazvuková disperze aditiv do maziv na biologické bázi

Klíčovou výzvou při formulaci biomaziv je homogenní začlenění aditiv na biologické bázi. Materiály jako karboxymethylcelulóza, celulózová nanovlákna, biopolymery, přírodní gumy, deriváty ligninu, zahušťovadla na biologické bázi a funkční nanočástice mohou výrazně ovlivnit viskozitu, mazivost, protiotěrové vlastnosti, tvorbu filmu a stabilitu suspenze. Tyto materiály však často mají sklon k aglomeraci, pomalé hydrataci nebo tvorbě nehomogenních gelových struktur.
Ultrazvuková disperze pomáhá výrobcům redukovat aglomeráty a distribuovat aditiva rovnoměrněji v celé matrici maziva. To je obzvláště cenné u maziv na vodní bázi, nanomaziv, systémů podobných plastickým mazivům a biomaziv na emulzní bázi. Nedávný výzkum systémů na bázi celulózy ukazuje, že sonikace může výrazně ovlivnit disperzní chování, reologii a síťovou strukturu, což z ní činí užitečný nástroj zpracování pro ladění formulací obsahujících celulózu.

Pro výrobce maziv může lepší disperze znamenat:

• Konzistentnější viskozitu a reologické chování
• Vyšší účinnost aditiv při nižším dávkování
• Omezení sedimentace, fázové separace nebo plovoucích pevných částic
• Reprodukovatelnější tribologické vlastnosti
• Kratší doby zpracování ve srovnání s prodlouženým mechanickým mícháním

Karboxymethylcelulóza je obzvláště relevantní, protože se široce používá jako derivát celulózy s užitečnými viskozitními, povrchovými a filmotvornými vlastnostmi. V mazacích systémech může sonikace pomoci začlenit CMC a další biopolymery do stabilních vodných nebo emulzních formulací, a podpořit tak vývoj environmentálně vylepšených maziv s řízeným tokovým chováním a zvýšenou stabilitou formulace.

Biomaziva s ultrazvukově dispergovanou karboxymethylcelulózou. Ultrazvuková disperze vytváří dlouhodobě stabilní nano-biomaziva
Studie a obrázky: ©Rahmadiawan et al., 2022

Sonochemická transesterifikace pro biomaziva na bázi diesterů a esterů

Estery patří mezi nejdůležitější základové kapaliny pro vysoce výkonná biomaziva. V závislosti na surovině a molekulární struktuře mohou nabízet dobrou mazivost, vysoký viskozitní index, biologickou odbouratelnost a příznivé chování při nízkých teplotách. Diestery a polyolestery jsou obzvláště důležité pro aplikace, jako jsou hydraulické kapaliny, kompresorové oleje, kapaliny pro obrábění kovů, oleje pro řetězové pily, maziva pro námořní použití a speciální průmyslová maziva.
Jednou ze slibných aplikací ultrazvuku je sonochemická příprava esterů transesterifikací. Při konvenční transesterifikaci vyžadují nemísitelné reaktanty, jako jsou oleje a alkoholy, často intenzivní míchání, zvýšené teploty, katalyzátory a prodloužené reakční doby. Ultrazvuk zlepšuje přenos hmoty tím, že vytváří jemné emulze mezi fázemi reaktantů a nepřetržitě obnovuje rozhraní, na kterém reakce probíhá.
Transesterifikace podporovaná sonikací je zavedená a dobře ověřená technika, která za vhodných podmínek nabízí výhody, jako jsou vyšší reakční rychlosti, lepší kontakt fází, kratší doby separace, vysoké výtěžky a snížená tvorba odpadu. Výrobci maziv používají metodu ultrazvukové transesterifikace k výrobě esterových složek biomaziv, včetně diesterů a dalších funkčních esterových struktur.

Ultrazvuková transesterifikace pomáhá výrobcům:

• Zlepšit kontakt mezi olejovou, alkoholovou a katalyzátorovou fází
• Zkrátit reakční dobu intenzifikací mezifázového přenosu hmoty
• Podpořit procesní okna s nižší teplotou nebo vyšší energetickou účinností
• Zlepšit konzistenci konverze ve vsádkové nebo kontinuální výrobě
• Umožnit kompaktní konstrukce reaktorů pro škálovatelnou výrobu esterů

Pro společnosti vyrábějící základové oleje pro biomaziva nabízí ultrazvuk cestu k intenzifikaci procesů esterifikace a transesterifikace a současně podporuje čistší a účinnější výrobu.

Ultrazvuková emulgace formulací maziv

Mnohá moderní biomaziva nejsou jednoduchými jednofázovými oleji. Mohou zahrnovat emulze voda v oleji, emulze olej ve vodě, koncentráty aditiv, disperze vosků, polymerně modifikované systémy nebo komplexní vícefázové směsi. Kvalita těchto emulzí má přímý vliv na skladovací stabilitu, mazivost, chladicí výkon, ochranu proti korozi a chování při aplikaci.
Ultrazvuková emulgace je vysoce účinná, protože kavitace generuje intenzivní lokální smykové síly, které rozbíjejí kapky na menší velikosti a vytvářejí úzké distribuce velikosti kapek. Ve výrobě maziv to lze využít k emulgaci olejů na biologické bázi, esterových fází, vodních fází, povrchově aktivních látek, polymerních stabilizátorů a funkčních aditiv do stabilních formulací.

To je obzvláště relevantní pro:

• Biomaziva na vodní bázi
• Kapaliny pro obrábění kovů a řezné kapaliny
• Hydraulické kapaliny s obnovitelnými složkami
• Plastická maziva emulzního typu a polotuhá maziva
• Koncentráty aditiv a předdisperze
• Mazací systémy obsahující biopolymery nebo deriváty celulózy

Jemná emulgace zlepšuje fyzikální stabilitu formulací maziv a může snížit potřebu nadměrného množství povrchově aktivních látek. Pro výrobce to přináší výkonnostní i nákladové výhody: lepší stabilitu, efektivnější využití aditiv a větší flexibilitu formulací.

Sonikace pro emulzní mikrogelové částice

Další rozvíjející se oblastí je výroba emulzních mikrogelových částic pro pokročilé formulace maziv. Mikrogely mohou působit jako modifikátory reologie, nosiče účinných látek, modifikátory tření nebo responzivní strukturotvorná činidla. V mazacích systémech na biologické bázi mohou být mikrogelové částice vyráběny z přírodních polymerů, modifikované celulózy, polysacharidů, proteinů nebo jiných obnovitelných polymerních systémů.
Ultrazvukové zpracování podporuje přípravu mikrogelů tím, že umožňuje řízenou emulgaci, zmenšování velikosti kapek, disperzi polymerů a strukturování fází. Stejné kavitací řízené mechanismy, které vytvářejí jemné emulze, mohou rovněž pomoci vytvořit malé, rovnoměrné prekurzorové kapky nebo dispergované polymerní domény, které jsou následně gelovány, síťovány nebo stabilizovány.

Optimalizujte svou výrobu biomaziv pomocí sonikace

Jednou z nejdůležitějších otázek pro výrobce maziv je, zda lze ultrazvukové zpracování spolehlivě integrovat do výrobních linek. U sonikátorů Hielscher je odpověď jednoznačně ano. Vysoce výkonné sonikátory Hielscher jsou konstruovány pro nepřetržitý provoz, inline zpracování a bezproblémovou integraci do stávajících výrobních linek, což z nich činí výkonné a spolehlivé řešení pro průmyslovou výrobu biomaziv.
V typickém průmyslovém uspořádání je předsměs maziva, suspenze aditiv, reakční směs olej-alkohol nebo emulzní nástřik čerpán přes ultrazvukovou průtokovou celu, kde je vystaven přesně řízené ultrazvukové energii. Klíčové procesní parametry, jako jsou amplituda, tlak, teplota, průtok, doba zdržení a měrný energetický vstup, lze přesně nastavovat a monitorovat a jsou automaticky dokumentovány. Tato vysoká míra řiditelnosti poskytuje výrobcům maziv procesní jistotu potřebnou pro reprodukovatelnou kvalitu formulací, validované výrobní protokoly a konzistentní přenos do většího měřítka od zkoušek ve výzkumu a vývoji přes pilotní výrobu až po plnou průmyslovou kapacitu.
Pro výrobce biomaziv je tato škálovatelnost obzvláště důležitá, protože požadavky na formulace jsou stále náročnější. Zákazníci očekávají udržitelné produkty, ale zároveň očekávají stejný nebo lepší výkon než u konvenčních maziv na ropné bázi. Sonikátory Hielscher pomáhají výrobcům tuto mezeru překlenout tím, že kombinují výkon, spolehlivost, řiditelnost a lineární škálovatelnost v jedné robustní ultrazvukové platformě. Díky těmto výhodám jsou sonikátory Hielscher preferovanou volbou pro společnosti, které potřebují sonikaci v průmyslové kvalitě pro vysoce kvalitní formulace maziv na biologické bázi.

Níže uvedená tabulka vám poskytne představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:

Konstrukce, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou známé svými nejvyššími standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje se špičkovou technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě vyhovují požadavkům CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Literatura / Reference

• 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.