Produktion af biologiske smøremidler: Procesintensivering ved hjælp af ultralydsbehandling

Smøremiddelbranchen går nu ind i en afgørende fase med innovation inden for produktformulering. I takt med at industrielle brugere, mobilitetssektorer, skibsrederier og miljøfølsomme anvendelsesområder går over til biologisk nedbrydelige og vedvarende alternativer, er smøremiddelproducenterne under stigende pres for at levere højtydende biosmøremidler uden at gå på kompromis med viskositetskontrol, oxidationsstabilitet, slidbeskyttelse eller langtidsopbevaringsstabilitet. Markedsanalytikere melder om fortsat vækst for biosmøremidler, drevet af efterspørgslen efter biologisk nedbrydelige, emissionsreducerende og bæredygtige smøremiddelløsninger inden for transport- og industrielle anvendelser.

Ultralydsproduktion af biosmøremidler: Procesintensivering med henblik på bæredygtige smøremidler

På denne baggrund vinder ultralydsbehandling, også kendt som sonikering, stadig større industriel betydning som en alsidig produktionsteknologi til fremstilling af biosmøremidler. Højtydende ultralyd kan anvendes til ultralydsdispersion, sonokemisk transesterificering, emulgering og fremstilling af mikrogelpartikler, hvilket giver formulatorer et robust værktøj til at forbedre både den kemiske omdannelse og den fysiske formuleringens kvalitet. Dette gør sonikering til en yderst effektiv forarbejdningsteknik, der anvendes i biosmøremidler, vandbaserede biosmøremidler og smøremidler af fødevarekvalitet.

Hvorfor ultralydsbehandling er vigtig for producenter af biosmøremidler

Biologiske smøremidler er ofte baseret på komplekse råvaresystemer: vegetabilske olier, syntetiske estere, biobaserede polymerer, cellulosederivater, funktionelle tilsætningsstoffer, antioxidanter, korrosionshæmmere, slidbeskyttelsesmidler, friktionsmodifikatorer samt vandbaserede eller emulsionsbaserede faser. Disse ingredienser kan variere betydeligt med hensyn til polaritet, viskositet, partikelstørrelse, opløselighed og grænsefladeadfærd. Konventionelle blandere, rotor-stator-systemer eller langvarig omrøring i batch-processer leverer ikke altid tilstrækkelig energitæthed til at frembringe fine, stabile dispersioner eller hurtige grænsefladereaktioner.
Ultralydsbehandling løser disse udfordringer ved hjælp af akustisk kavitation. Når ultralyd med høj intensitet tilføres væsker, dannes der mikroskopiske kavitationsbobler, som vokser og kollapser. Dette skaber lokaliseret høj forskydning, intens mikroblanding, turbulens, opløsning af partikelagglomerater samt reaktive zoner, der kan fremskynde masseoverførsel og kemiske reaktioner. Inden for forskning i transesterificering er ultralyd blevet grundigt undersøgt som en metode til at overvinde langsom reaktionskinetik og ineffektiv kontakt mellem olie- og alkoholfaserne.
For smøremiddelproducenter betyder dette, at ultralyd ikke blot er en homogeniseringsmetode til brug i laboratoriet. Det er en teknologi til procesintensivering, der kan understøtte fremstillingen af mere stabile, mere ensartede og mere effektive biobaserede smøremiddelformuleringer.
 

Ultralydsdispersorer af sondetypen fremstiller højtydende biosmøremidler.
(Undersøgelse og billede: Liu m.fl., 2020)

Ultralydsdispersion af biobaserede smøremiddeladditiver

En af de største udfordringer ved formulering af biosmøremidler er den homogene inkorporering af biobaserede tilsætningsstoffer. Materialer såsom carboxymethylcellulose, cellulose-nanofibre, biopolymerer, naturlige gummiarter, ligninderivater, biobaserede fortykningsmidler og funktionelle nanopartikler kan have stor indflydelse på viskositet, smøreevne, slidbeskyttelse, filmdannelse og suspensionsstabilitet. Disse materialer har imidlertid ofte en tendens til at agglomerere, hydrere langsomt eller danne uensartede gelstrukturer.
Ultralydsdispersion hjælper producenter med at reducere agglomerater og fordele tilsætningsstoffer mere jævnt i smøremiddelmatrixen. Dette er især værdifuldt for vandbaserede smøremidler, nanosmøremidler, fedtlignende systemer og emulsionsbaserede biosmøremidler. Nyere forskning i cellulose-baserede systemer viser, at ultralydsbehandling kan have en betydelig indflydelse på dispersionsadfærd, reologi og netværksstruktur, hvilket gør det til et nyttigt procesværktøj til finjustering af celluloseholdige formuleringer.

For producenter af smøremidler kan en bedre spredning betyde:

• Mere ensartet viskositet og reologisk adfærd
• Forbedret effektivitet af tilsætningsstoffer ved lavere doseringer
• Reduceret bundfældning, faseadskillelse eller flydende faste stoffer
• Mere reproducerbar tribologisk ydeevne
• Kortere behandlingstider sammenlignet med længerevarende mekanisk omrøring

Carboxymethylcellulose er særligt relevant, da det er meget udbredt som et cellulosederivat med nyttige egenskaber med hensyn til viskositet, overflade og filmdannelse. I smøremiddelsystemer kan ultralydsbehandling bidrage til at integrere CMC og andre biopolymerer i stabile vandbaserede eller emulsionsbaserede formuleringer, hvilket understøtter udviklingen af miljøvenlige smøremidler med kontrolleret flydeadfærd og forbedret formuleringsstabilitet.
 

Biologiske smøremidler med ultralydsdisperseret carboxymethylcellulose. Ultralydsdispersion resulterer i langtidsholdbare nano-biologiske smøremidler
Undersøgelse og billeder: ©Rahmadiawan et al., 2022

Sonokemisk transesterificering til fremstilling af diester- og esterbaserede biolubrikanter

Estere hører til blandt de vigtigste basisvæsker til højtydende biosmøremidler. De kan tilbyde god smøreevne, højt viskositetsindeks, biologisk nedbrydelighed og gunstig adfærd ved lave temperaturer, afhængigt af udgangsmaterialet og molekylstrukturen. Diester og polyolester er særligt vigtige til anvendelser såsom hydraulikvæsker, kompressorolier, metalbearbejdningsvæsker, kædesavsolier, smøremidler til skibsfart og specialsmøremidler til industrien.
En lovende anvendelse af ultralyd er den sonokemiske fremstilling af estere ved transesterificering. Ved konventionel transesterificering kræver ublandbare reaktanter, såsom olier og alkoholer, ofte intensiv omrøring, høje temperaturer, katalysatorer og lange reaktionstider. Ultralyd forbedrer masseoverførslen ved at skabe fine emulsioner mellem reaktantfaserne og ved løbende at forny grænsefladen, hvor reaktionen finder sted.
Ultralydsassisteret transesterificering er en veletableret teknik, der har vist sig at have en række fordele, såsom hurtigere reaktionshastigheder, forbedret fasekontakt, kortere separeringstider, høje udbytter og reduceret affaldsdannelse under passende betingelser. Smøremiddelproducenter anvender metoden med ultralydsassisteret transesterificering til at fremstille esterbaserede komponenter til biosmøremidler, herunder diestere og andre funktionelle esterstrukturer.

Ultralydstransesterificering hjælper producenterne med:

• Forbedre kontakten mellem olie-, alkohol- og katalysatorfaserne
• Reducer reaktionstiden ved at øge masseoverførslen mellem faserne
• Understøtter procesvinduer med lavere temperaturer eller højere energieffektivitet
• Forbedre konverteringskonsistensen ved batch- eller kontinuerlig produktion
• Muliggøre kompakte reaktordesign til skalerbar esterproduktion

For virksomheder, der producerer basisolier til biosmøremidler, udgør ultralyd en mulighed for at intensivere esterificerings- og transesterificeringsprocesserne og samtidig bidrage til en renere og mere effektiv produktion.

Ultralydsemulgering af smøremiddelformuleringer

Mange moderne biosmøremidler er ikke blot enfasede olier. De kan omfatte vand-i-olie-emulsioner, olie-i-vand-emulsioner, additivkoncentrater, voksdispersioner, polymermodificerede systemer eller komplekse flerfasesystemer. Kvaliteten af disse emulsioner har direkte indflydelse på opbevaringsstabilitet, smøreevne, køleevne, korrosionsbeskyttelse og anvendelsesegenskaber.
Ultralydsemulgering er yderst effektiv, da kavitation genererer intense lokale forskydningskræfter, der nedbryder dråberne til mindre størrelser og skaber smalle dråbestørrelsesfordelinger. Ved fremstilling af smøremidler kan denne metode anvendes til at emulgere biobaserede olier, esterfaser, vandfaser, overfladeaktive stoffer, polymere stabilisatorer og funktionelle tilsætningsstoffer til stabile formuleringer.

Dette gælder især for:

• vandbaserede biosmøremidler
• Metalbearbejdningsvæsker og skærevæsker
• Hydraulikvæsker med vedvarende komponenter
• Smøremidler af emulsionstypen og halvfaste smøremidler
• Tilsætningsstofkoncentrater og fordispergerede opløsninger
• Smøresystemer, der indeholder biopolymerer eller cellulosederivater

Fin emulgering forbedrer smøremiddelformuleringernes fysiske stabilitet og kan mindske behovet for en for høj indhold af overfladeaktive stoffer. For producenterne medfører dette både ydelses- og omkostningsmæssige fordele: forbedret stabilitet, mere effektiv anvendelse af tilsætningsstoffer og større fleksibilitet i formuleringen.

Ultralydbehandling til fremstilling af emulsionsmikrogelpartikler

Et andet område i fremgang er produktionen af emulsionsmikrogelpartikler til avancerede smøremiddelformuleringer. Mikrogeler kan fungere som reologimodifikatorer, bærere af aktive ingredienser, friktionsmodifikatorer eller responsiv struktureringsmidler. I biobaserede smøremiddelsystemer kan mikrogelpartikler fremstilles af naturlige polymerer, modificeret cellulose, polysaccharider, proteiner eller andre vedvarende polymersystemer.
Ultralydsbehandling understøtter fremstillingen af mikrogel ved at muliggøre kontrolleret emulgering, reduktion af dråbestørrelse, polymerdispersion og fasestrukturering. De samme kavitationsdrevne mekanismer, der skaber fine emulsioner, kan også bidrage til dannelsen af små, ensartede forstadiedråber eller dispergerede polymerdomæner, som efterfølgende geleres, tværbindes eller stabiliseres.

Optimer din produktion af biologiske smøremidler med ultralydsbehandling

Et af de vigtigste spørgsmål for producenter af smøremidler er, om ultralydsbehandling pålideligt kan integreres i produktionslinjer. Med Hielschers ultralydsapparater er svaret helt klart ja. Hielschers højtydende sonikatorer er konstrueret til kontinuerlig drift, inline-behandling og problemfri integration i eksisterende produktionslinjer, hvilket gør dem til en kraftfuld og pålidelig løsning til industriel fremstilling af biosmøremidler.
I et typisk industrielt anlæg pumpes smøremiddelblandingen, additivsuspensionen, olie-alkohol-reaktionsblandingen eller emulsionen gennem en ultralydsflowcelle, hvor den udsættes for præcist styret ultralydsenergi. Vigtige procesparametre såsom amplitude, tryk, temperatur, gennemstrømningshastighed, opholdstid og specifik energitilførsel kan justeres nøjagtigt, overvåges og dokumenteres automatisk. Dette høje niveau af kontrollerbarhed giver smøremiddelproducenter den processikkerhed, der kræves for reproducerbar formuleringskvalitet, validerede produktionsprotokoller og ensartet opskalering fra R&D-forsøg med henblik på pilotproduktion og fuld industriel produktion.
For producenter af biosmøremidler er denne skalerbarhed særligt vigtig, da kravene til formuleringerne bliver stadig mere strenge. Kunderne forventer bæredygtige produkter, men de forventer også samme eller bedre ydeevne end konventionelle smøremidler baseret på råolie. Hielschers ultralydsapparater hjælper producenterne med at bygge bro over dette kløft ved at kombinere kraft, pålidelighed, styrbarhed og lineær skalerbarhed i én robust ultralydsplatform. Disse fordele gør Hielschers ultralydsapparater til det foretrukne valg for virksomheder, der har brug for ultralydsbehandling i industriel kvalitet til fremstilling af biobaserede smøremidler af høj kvalitet.

 
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Litteratur / Referencer