Herstellung von Bio-Schmierstoffen: Prozessintensivierung durch Ultraschallbehandlung

Die Schmierstoffindustrie tritt in eine entscheidende Phase der Formulierungsinnovation ein. Da industrielle Anwender, der Mobilitätssektor, Schifffahrtsunternehmen und umweltkritische Anwendungsbereiche zunehmend auf biologisch abbaubare und erneuerbare Alternativen umsteigen, stehen Schmierstoffhersteller unter zunehmendem Druck, leistungsstarke Bio-Schmierstoffe anzubieten, ohne dabei Kompromisse bei der Viskositätskontrolle, der Oxidationsstabilität, dem Verschleißschutz oder der Langzeitlagerstabilität einzugehen. Marktanalysten berichten von einem anhaltenden Wachstum bei Bio-Schmierstoffen, das durch die Nachfrage nach biologisch abbaubaren, emissionsarmen und nachhaltigen Schmierstofflösungen in Verkehrs- und Industrieanwendungen angetrieben wird.

Ultraschallbasierte Herstellung von Bierschmierstoffen: Prozessintensivierung für nachhaltige Schmierstoffe

Vor diesem Hintergrund gewinnt die Ultraschallbehandlung, auch als Sonikation bekannt, als vielseitige Produktionstechnologie für die Herstellung von Bio-Schmierstoffen zunehmend an industrieller Bedeutung. Hochleistungsultraschall kann für die Ultraschalldispersion, die sonochemische Umesterung, die Emulgierung und die Herstellung von Mikrogelpartikeln eingesetzt werden und bietet Formulierern damit ein leistungsstarkes Werkzeug zur Verbesserung sowohl der chemischen Umwandlung als auch der physikalischen Formulierungsqualität. Dies macht die Sonikation zu einer hocheffizienten Verarbeitungstechnik, die bei Bio-Schmierölen, Bio-Schmierfetten, wasserbasierten Bio-Schmierstoffen und lebensmitteltauglichen Schmierstoffen zum Einsatz kommt.

Warum die Ultraschallverarbeitung für Hersteller von Biogleitmitteln von Bedeutung ist

Bierschmierstoffe basieren häufig auf komplexen Rohstoffsystemen: Pflanzenöle, synthetische Ester, biobasierte Polymere, Zellulosederivate, funktionelle Additive, Antioxidantien, Korrosionsinhibitoren, Verschleißschutzmittel, Reibungsmodifikatoren sowie Phasen auf Wasserbasis oder in Emulsionsform. Diese Inhaltsstoffe können sich hinsichtlich Polarität, Viskosität, Partikelgröße, Löslichkeit und Grenzflächenverhalten erheblich unterscheiden. Herkömmliche Mischer, Rotor-Stator-Systeme oder langes Chargenrühren liefern möglicherweise nicht immer eine ausreichende Energiedichte, um feine, stabile Dispersionen oder schnelle Grenzflächenreaktionen zu erzeugen.
Die Ultraschallbehandlung bewältigt diese Herausforderungen durch akustische Kavitation. Wenn hochintensiver Ultraschall in Flüssigkeiten eingeleitet wird, bilden sich mikroskopisch kleine Kavitationsblasen, die wachsen und dann kollabieren. Dies führt zu lokaler hoher Scherung, intensiver Mikromischung, Turbulenzen, der Auflockerung von Partikelagglomeraten und reaktiven Zonen, die den Stoffaustausch und chemische Reaktionen beschleunigen können. In der Transesterifizierungsforschung wurde Ultraschall umfassend untersucht, um die langsame Reaktionskinetik und den ineffizienten Kontakt zwischen Öl- und Alkoholphasen zu überwinden.
Für Schmierstoffhersteller bedeutet dies, dass Ultraschall nicht nur ein Homogenisierungsverfahren für das Labor ist. Es handelt sich vielmehr um eine Technologie zur Prozessintensivierung, die die Herstellung stabilerer, gleichmäßigerer und effizienterer biobasierter Schmierstoffformulierungen unterstützen kann.
 

Mit Ultraschall-Sonden-Dispergierern lassen sich hochleistungsfähige Bio-Schmierstoffe herstellen.
(Studie und Abbildung: Liu et al., 2020)

Ultraschalldispersion von biobasierten Schmierstoffadditiven

Eine zentrale Herausforderung bei der Formulierung von Bio-Schmierstoffen ist die homogene Einarbeitung biobasierter Additive. Stoffe wie Carboxymethylcellulose, Zellulose-Nanofasern, Biopolymere, natürliche Gummis, Ligninderivate, biobasierte Verdickungsmittel und funktionelle Nanopartikel können die Viskosität, Schmierfähigkeit, Verschleißschutzleistung, Filmbildung und Suspensionsstabilität stark beeinflussen. Diese Materialien neigen jedoch häufig dazu, zu agglomerieren, langsam zu hydratisieren oder ungleichmäßige Gelstrukturen zu bilden.
Die Ultraschalldispersion hilft Herstellern dabei, Agglomerate zu reduzieren und Additive gleichmäßiger in der Schmierstoffmatrix zu verteilen. Dies ist besonders wertvoll für wasserbasierte Schmierstoffe, Nanenschmierstoffe, fettähnliche Systeme und emulsionsbasierte Bioschmierstoffe. Jüngste Forschungsergebnisse zu Systemen auf Zellulosebasis zeigen, dass die Ultraschallbehandlung das Dispersionsverhalten, die Rheologie und die Netzwerkstruktur erheblich beeinflussen kann, was sie zu einem nützlichen Verarbeitungswerkzeug für die Optimierung zellulosehaltiger Formulierungen macht.

Für Schmierstoffhersteller kann eine bessere Dispersion folgende Vorteile mit sich bringen:

• Gleichmäßigere Viskosität und gleichmäßigeres rheologisches Verhalten
• Verbesserte Additivwirksamkeit bei geringeren Dosierungen
• Verminderte Sedimentation, Phasentrennung oder schwimmende Feststoffe
• Reproduzierbareres tribologisches Verhalten
• Kürzere Verarbeitungszeiten im Vergleich zum längeren mechanischen Rühren

Carboxymethylcellulose ist von besonderer Bedeutung, da sie als Cellulosederivat mit vorteilhaften Viskositäts-, Oberflächen- und filmbildenden Eigenschaften weit verbreitet ist. In Schmierstoffsystemen kann die Ultraschallbehandlung dazu beitragen, CMC und andere Biopolymere in stabile wässrige oder Emulsionsformulierungen einzubinden, was die Entwicklung umweltfreundlicherer Schmierstoffe mit kontrolliertem Fließverhalten und verbesserter Formulationsstabilität unterstützt.
 

Biogleitmittel mit ultraschallverdispersierter Carboxymethylcellulose. Durch Ultraschalldispersion entstehen langfristig stabile Nano-Biogleitmittel
Studie und Abbildungen: ©Rahmadiawan et al., 2022

Sonochemische Umesterung zur Herstellung von Diestern und esterbasierten Bierschmierstoffen

Ester gehören zu den wichtigsten Grundölen für Hochleistungs-Bio-Schmierstoffe. Je nach Ausgangsmaterial und Molekülstruktur zeichnen sie sich durch gute Schmierfähigkeit, einen hohen Viskositätsindex, biologische Abbaubarkeit und ein günstiges Verhalten bei niedrigen Temperaturen aus. Diester und Polyolester sind besonders wichtig für Anwendungen wie Hydraulikflüssigkeiten, Kompressoröle, Metallbearbeitungsflüssigkeiten, Kettensägenöle, Schiffsschmierstoffe und industrielle Spezialschmierstoffe.
Eine vielversprechende Anwendung von Ultraschall ist die sonochemische Herstellung von Estern durch Umesterung. Bei der herkömmlichen Umesterung erfordern nicht mischbare Reaktanten wie Öle und Alkohole oft intensives Mischen, erhöhte Temperaturen, Katalysatoren und längere Reaktionszeiten. Ultraschall verbessert den Stoffaustausch, indem er feine Emulsionen zwischen den Reaktionsphasen erzeugt und die Grenzfläche, an der die Reaktion stattfindet, kontinuierlich erneuert.
Die ultraschallunterstützte Umesterung ist ein etabliertes Verfahren, das sich unter geeigneten Bedingungen durch Vorteile wie schnellere Reaktionsgeschwindigkeiten, verbesserten Phasenkontakt, kürzere Trennzeiten, hohe Ausbeuten und eine geringere Abfallbildung bewährt hat. Schmierstoffhersteller nutzen das Verfahren der Ultraschall-Umesterung zur Herstellung von Komponenten für Bierschmierstoffe auf Esterbasis, darunter Diester und andere funktionelle Esterstrukturen.

Die Ultraschall-Transesterifizierung bietet Herstellern folgende Vorteile:

• Den Kontakt zwischen den Phasen Öl, Alkohol und Katalysator verbessern
• Verkürzung der Reaktionszeit durch Intensivierung des Stofftransports an der Grenzfläche
• Unterstützung von Verarbeitungsfenstern mit niedrigeren Temperaturen oder höherer Energieeffizienz
• Verbesserung der Konsistenz bei der Umwandlung in der Chargen- oder kontinuierlichen Produktion
• Kompakte Reaktorkonstruktionen für eine skalierbare Esterproduktion ermöglichen

Für Unternehmen, die Grundöle für Bio-Schmierstoffe herstellen, bietet Ultraschall die Möglichkeit, Veresterungs- und Umesterungsprozesse zu intensivieren und gleichzeitig eine sauberere und effizientere Produktion zu ermöglichen.

Ultraschall-Emulgierung von Schmierstoffformulierungen

Viele moderne Bio-Schmierstoffe sind keine einfachen einphasigen Öle. Sie können Wasser-in-Öl-Emulsionen, Öl-in-Wasser-Emulsionen, Additivkonzentrate, Wachsdispersionen, polymermodifizierte Systeme oder komplexe Mehrphasen-Systeme umfassen. Die Qualität dieser Emulsionen hat direkten Einfluss auf die Lagerstabilität, die Schmierfähigkeit, die Kühlleistung, den Korrosionsschutz und das Anwendungsverhalten.
Die Ultraschall-Emulgierung ist äußerst effektiv, da durch Kavitation starke lokale Scherkräfte entstehen, die Tröpfchen in kleinere Einheiten aufbrechen und zu einer engen Tröpfchengrößenverteilung führen. Bei der Herstellung von Schmierstoffen kann dieses Verfahren genutzt werden, um biobasierte Öle, Esterphasen, Wasserphasen, Tenside, polymere Stabilisatoren und funktionelle Additive zu stabilen Formulierungen zu emulgieren.

Dies gilt insbesondere für:

• Biologische Schmierstoffe auf Wasserbasis
• Metallbearbeitungsflüssigkeiten und Schneidflüssigkeiten
• Hydraulikflüssigkeiten mit Anteilen aus erneuerbaren Rohstoffen
• Emulsionsfette und halbfeste Schmierstoffe
• Additivkonzentrate und Vordispersionen
• Schmiersysteme, die Biopolymere oder Cellulosederivate enthalten

Eine feine Emulgierung verbessert die physikalische Stabilität von Schmierstoffformulierungen und kann den Bedarf an übermäßigen Tensidzugaben verringern. Für Hersteller bietet dies sowohl Leistungs- als auch Kostenvorteile: verbesserte Stabilität, effizienterer Einsatz von Additiven und größere Flexibilität bei der Formulierung.

Ultraschallbehandlung zur Herstellung von Emulsions-Mikrogelpartikeln

Ein weiterer aufstrebender Bereich ist die Herstellung von Emulsions-Mikrogelpartikeln für fortschrittliche Schmierstoffformulierungen. Mikrogele können als Rheologiemodifikatoren, Träger für Wirkstoffe, Reibungsmodifikatoren oder reaktionsfähige Strukturierungsmittel fungieren. In biobasierten Schmiersystemen können Mikropartikel aus natürlichen Polymeren, modifizierter Zellulose, Polysacchariden, Proteinen oder anderen nachwachsenden Polymersystemen hergestellt werden.
Die Ultraschallbehandlung unterstützt die Herstellung von Mikrogelen, indem sie eine kontrollierte Emulgierung, die Verkleinerung der Tröpfchengröße, die Polymerdispersion und die Phasenstrukturierung ermöglicht. Dieselben kavitationsgetriebenen Mechanismen, die feine Emulsionen erzeugen, können auch dazu beitragen, kleine, gleichmäßige Vorläufertröpfchen oder dispergierte Polymerdomänen zu erzeugen, die anschließend geliert, vernetzt oder stabilisiert werden.

Optimieren Sie Ihre Produktion von Biogleitmitteln durch Ultraschallbehandlung

Eine der wichtigsten Fragen für Schmierstoffhersteller ist, ob sich die Ultraschallbehandlung zuverlässig in Produktionslinien integrieren lässt. Mit den Ultraschallgeräten von Hielscher lautet die Antwort eindeutig „Ja“. Die Hochleistungs-Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den Dauerbetrieb, die Inline-Verarbeitung und die nahtlose Integration in bestehende Produktionslinien ausgelegt und stellen somit eine leistungsstarke und zuverlässige Lösung für die industrielle Herstellung von Bio-Schmierstoffen dar.
In einer typischen industriellen Anlage wird die Schmierstoffvormischung, die Additivsuspension, das Öl-Alkohol-Reaktionsgemisch oder die Emulsionszufuhr durch eine Ultraschall-Durchflusszelle gepumpt, wo sie präzise gesteuerter Ultraschallenergie ausgesetzt wird. Wichtige Prozessparameter wie Amplitude, Druck, Temperatur, Durchflussrate, Verweilzeit und spezifische Energiezufuhr lassen sich präzise einstellen, überwachen und werden automatisch dokumentiert. Diese hohe Steuerbarkeit bietet Schmierstoffherstellern die Prozesssicherheit, die für eine reproduzierbare Rezepturqualität, validierte Produktionsprotokolle und eine konsistente Skalierung von der Forschung&D-Versuche zur Erprobung der Produktion und des vollen industriellen Durchsatzes.
Für Hersteller von Bio-Schmierstoffen ist diese Skalierbarkeit besonders wichtig, da die Anforderungen an die Rezeptur immer höher werden. Kunden erwarten nachhaltige Produkte, aber sie erwarten auch die gleiche oder eine bessere Leistung als bei herkömmlichen Schmierstoffen auf Erdölbasis. Hielscher-Ultraschallgeräte helfen Herstellern dabei, diese Lücke zu schließen, indem sie Leistung, Zuverlässigkeit, Steuerbarkeit und lineare Skalierbarkeit in einer robusten Ultraschallplattform vereinen. Diese Vorteile machen Hielscher-Ultraschallgeräte zur bevorzugten Wahl für Unternehmen, die eine Ultraschallbehandlung in Industriequalität für hochwertige biobasierte Schmierstoffformulierungen benötigen.

 
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Literaturhinweise