Herstellung von Bioschmierstoffen: Prozessintensivierung durch Ultraschallbehandlung

Die Schmierstoffindustrie tritt in eine entscheidende Phase der Formulierungsinnovation ein. Da industrielle Anwender, Mobilitätssektoren, Betreiber im maritimen Bereich und umweltsensible Anwendungen zunehmend auf biologisch abbaubare und erneuerbare Alternativen setzen, stehen Schmierstoffhersteller unter wachsendem Druck, leistungsfähige Bioschmierstoffe bereitzustellen, ohne Abstriche bei der Viskositätskontrolle, der Oxidationsstabilität, dem Verschleißschutz oder der langfristigen Lagerstabilität zu machen. Marktanalysten berichten von einem anhaltenden Wachstum bei Bioschmierstoffen, das durch die Nachfrage nach biologisch abbaubaren, emissionsärmeren und nachhaltigen Schmierstofflösungen für Transport und industrielle Anwendungen angetrieben wird.

Ultraschallgestützte Herstellung von Bioschmierstoffen: Prozessintensivierung für nachhaltige Schmierstoffe

Vor diesem Hintergrund gewinnt die Ultraschallbehandlung, auch als Beschallung bezeichnet, als vielseitige Produktionstechnologie für die Herstellung von Bioschmierstoffen an industrieller Bedeutung. Leistungsultraschall kann zur Ultraschalldispergierung, sonochemischen Umesterung, Emulgierung und Herstellung von Mikrogelpartikeln eingesetzt werden und bietet Formulierungsentwicklern ein robustes Werkzeug, um sowohl den chemischen Umsatz als auch die physikalische Qualität der Formulierung zu verbessern. Damit ist die Beschallung ein hocheffizientes Verarbeitungsverfahren für Bioschmieröle, Bioschmierfette, wasserbasierte Bioschmierstoffe und lebensmitteltaugliche Schmierstoffe.

Warum die Ultraschallbehandlung für Hersteller von Bioschmierstoffen wichtig ist

Bioschmierstoffe basieren häufig auf komplexen Rohstoffsystemen: Pflanzenölen, synthetischen Estern, biobasierten Polymeren, Cellulosederivaten, funktionellen Additiven, Antioxidantien, Korrosionsinhibitoren, Verschleißschutzadditiven, Reibungsmodifikatoren sowie wasserbasierten oder emulsionsartigen Phasen. Diese Bestandteile können sich hinsichtlich Polarität, Viskosität, Partikelgröße, Löslichkeit und Grenzflächenverhalten erheblich unterscheiden. Konventionelle Mischer, Rotor-Stator-Systeme oder langes Rühren im Chargenbetrieb bieten nicht immer eine ausreichende Energiedichte, um feine, stabile Dispersionen oder schnelle Grenzflächenreaktionen zu erzeugen.
Die Beschallung begegnet diesen Herausforderungen durch akustische Kavitation. Wird Ultraschall hoher Intensität in Flüssigkeiten eingeleitet, bilden sich mikroskopisch kleine Kavitationsblasen, die wachsen und kollabieren. Dadurch entstehen lokal hohe Scherung, intensive Mikromischung, Turbulenzen, Partikeldeagglomeration und reaktive Zonen, die den Stofftransport und chemische Reaktionen beschleunigen können. In der Umesterungsforschung wurde Ultraschall umfassend als Möglichkeit untersucht, eine langsame Reaktionskinetik und einen ineffizienten Kontakt zwischen Öl- und Alkoholphasen zu überwinden.
Für Schmierstoffhersteller bedeutet dies, dass Ultraschall weit mehr als eine Homogenisierungsmethode für das Labor ist. Er ist eine Technologie zur Prozessintensivierung, die die Herstellung stabilerer, gleichmäßigerer und effizienterer biobasierter Schmierstoffformulierungen unterstützen kann.
 

Ultraschalldispergierer mit Sonotrode erzeugen leistungsfähige Bioschmierstoffe.
(Studie und Bild: Liu et al., 2020)

Ultraschalldispergierung biobasierter Schmierstoffadditive

Eine zentrale Herausforderung bei der Formulierung von Bioschmierstoffen ist die homogene Einarbeitung biobasierter Additive. Materialien wie Carboxymethylcellulose, Cellulosenanofasern, Biopolymere, natürliche Gummen, Ligninderivate, biobasierte Verdickungsmittel und funktionelle Nanopartikel können die Viskosität, Schmierfähigkeit, Verschleißschutzwirkung, Filmbildung und Suspensionsstabilität stark beeinflussen. Diese Materialien neigen jedoch häufig zur Agglomeration, hydratisieren langsam oder bilden ungleichmäßige Gelstrukturen.
Die Ultraschalldispergierung hilft Herstellern, Agglomerate zu reduzieren und Additive gleichmäßiger in der gesamten Schmierstoffmatrix zu verteilen. Dies ist besonders wertvoll für wasserbasierte Schmierstoffe, Nanoschmierstoffe, fettartige Systeme und emulsionsbasierte Bioschmierstoffe. Aktuelle Forschung zu cellulosebasierten Systemen zeigt, dass die Beschallung das Dispersionsverhalten, die Rheologie und die Netzwerkstruktur erheblich beeinflussen kann. Damit ist sie ein nützliches Verarbeitungsverfahren zur gezielten Einstellung cellulosehaltiger Formulierungen.

Für Schmierstoffhersteller kann eine bessere Dispergierung Folgendes bewirken:

• Gleichmäßigere Viskosität und gleichmäßigeres rheologisches Verhalten
• Verbesserte Additiveffizienz bei geringerer Dosierung
• Weniger Sedimentation, Phasentrennung oder aufschwimmende Feststoffe
• Besser reproduzierbare tribologische Leistungsfähigkeit
• Kürzere Verarbeitungszeiten im Vergleich zu längerem mechanischem Rühren

Carboxymethylcellulose ist besonders relevant, da sie als Cellulosederivat mit nützlichen Viskositäts-, Oberflächen- und Filmbildungseigenschaften weit verbreitet ist. In Schmierstoffsystemen kann die Beschallung dazu beitragen, CMC und andere Biopolymere in stabile wässrige Formulierungen oder Emulsionsformulierungen einzubinden. Dies unterstützt die Entwicklung von Schmierstoffen mit verbesserten Umwelteigenschaften, kontrolliertem Fließverhalten und erhöhter Formulierungsstabilität.
 

Bioschmierstoffe mit ultraschalldispergierter Carboxymethylcellulose. Die Ultraschalldispergierung erzeugt langfristig stabile Nano-Bioschmierstoffe
Studie und Bilder: ©Rahmadiawan et al., 2022

Sonochemische Umesterung für diester- und esterbasierte Bioschmierstoffe

Ester gehören zu den wichtigsten Basisflüssigkeiten für leistungsfähige Bioschmierstoffe. Je nach Ausgangsstoff und Molekülstruktur können sie eine gute Schmierfähigkeit, einen hohen Viskositätsindex, biologische Abbaubarkeit und günstiges Tieftemperaturverhalten bieten. 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 konventionellen Umesterung erfordern nicht miteinander mischbare Reaktanten wie Öle und Alkohole häufig intensive Durchmischung, erhöhte Temperaturen, Katalysatoren und lange Reaktionszeiten. Ultraschall verbessert den Stofftransport, indem er feine Emulsionen zwischen den Reaktantenphasen erzeugt und die Grenzfläche, an der die Reaktion stattfindet, kontinuierlich erneuert.
Die ultraschallgestützte Umesterung ist ein etabliertes Verfahren, dessen Vorteile wie höhere Reaktionsgeschwindigkeiten, verbesserter Phasenkontakt, kürzere Trennzeiten, hohe Ausbeuten und geringere Abfallbildung unter geeigneten Bedingungen gut belegt sind. Schmierstoffhersteller nutzen die Ultraschallumesterung zur Herstellung esterbasierter Bioschmierstoffkomponenten, darunter Diester und andere funktionelle Esterstrukturen.

Die Ultraschallumesterung hilft Herstellern dabei:

• Den Kontakt zwischen Öl-, Alkohol- und Katalysatorphasen zu verbessern
• Die Reaktionszeit durch Intensivierung des Stofftransports an den Grenzflächen zu verkürzen
• Prozessfenster mit niedrigeren Temperaturen oder höherer Energieeffizienz zu unterstützen
• Die Gleichmäßigkeit des chemischen Umsatzes in der Chargenproduktion oder kontinuierlichen Produktion zu verbessern
• Kompakte Reaktorkonstruktionen für eine skalierbare Esterproduktion zu ermöglichen

Für Unternehmen, die Grundöle für Bioschmierstoffe herstellen, bietet Ultraschall eine Möglichkeit, Veresterungs- und Umesterungsprozesse zu intensivieren und zugleich eine sauberere, effizientere Herstellung zu unterstützen.

Ultraschallemulgierung von Schmierstoffformulierungen

Viele moderne Bioschmierstoffe sind keine einfachen einphasigen Öle. Sie können Wasser-in-Öl-Emulsionen, Öl-in-Wasser-Emulsionen, Additivkonzentrate, Wachsdispersionen, polymermodifizierte Systeme oder komplexe Mehrphasensysteme enthalten. Die Qualität dieser Emulsionen wirkt sich unmittelbar auf die Lagerstabilität, Schmierfähigkeit, Kühlleistung, den Korrosionsschutz und das Anwendungsverhalten aus.
Die Ultraschallemulgierung ist äußerst wirksam, da die Kavitation lokal intensive Scherkräfte erzeugt, die Tropfen zerkleinern und enge Tropfengrößenverteilungen bewirken. In der Schmierstoffherstellung lässt sich dies nutzen, um biobasierte Öle, Esterphasen, Wasserphasen, Tenside, polymere Stabilisatoren und funktionelle Additive zu stabilen Formulierungen zu emulgieren.

Dies ist besonders relevant für:

• Wasserbasierte Bioschmierstoffe
• Metallbearbeitungsflüssigkeiten und Schneidflüssigkeiten
• Hydraulikflüssigkeiten mit erneuerbaren Komponenten
• Emulsionsartige Schmierfette und halbfeste Schmierstoffe
• Additivkonzentrate und Vordispersionen
• Schmierstoffsysteme mit Biopolymeren oder Cellulosederivaten

Eine feine Emulgierung verbessert die physikalische Stabilität von Schmierstoffformulierungen und kann den Bedarf an übermäßig hohen Tensidmengen verringern. Für Hersteller bietet dies sowohl Leistungs- als auch Kostenvorteile: verbesserte Stabilität, effizientere Additivnutzung und größere Flexibilität bei der Formulierung.

Ultraschallbehandlung für Emulsionsmikrogelpartikel

Ein weiteres aufkommendes Gebiet ist die Herstellung von Emulsionsmikrogelpartikeln für fortschrittliche Schmierstoffformulierungen. Mikrogele können als Rheologiemodifikatoren, Träger für Wirkstoffe, Reibungsmodifikatoren oder auf äußere Reize reagierende Strukturierungsmittel dienen. In biobasierten Schmierstoffsystemen können Mikrogelpartikel aus natürlichen Polymeren, modifizierter Cellulose, Polysacchariden, Proteinen oder anderen erneuerbaren Polymersystemen hergestellt werden.
Die Ultraschallbehandlung unterstützt die Mikrogelherstellung, indem sie eine kontrollierte Emulgierung, Tropfenverkleinerung, Polymerdispergierung und Phasenstrukturierung ermöglicht. Dieselben kavitationsgetriebenen Mechanismen, die feine Emulsionen erzeugen, können auch dazu beitragen, kleine, gleichmäßige Vorläufertropfen oder dispergierte Polymerdomänen zu bilden, die anschließend geliert, vernetzt oder stabilisiert werden.

Optimieren Sie Ihre Bioschmierstoffproduktion mit Ultraschallbehandlung

Eine der wichtigsten Fragen für Schmierstoffhersteller ist, ob sich die Ultraschallbehandlung zuverlässig in Produktionslinien integrieren lässt. Mit Ultraschallgeräten von Hielscher lautet die Antwort eindeutig ja. Die Hochleistungsultraschallgeräte von Hielscher sind für den kontinuierlichen Betrieb, die Inline-Verarbeitung und die nahtlose Integration in bestehende Produktionslinien ausgelegt. Damit sind sie eine leistungsstarke und zuverlässige Lösung für die industrielle Herstellung von Bioschmierstoffen.
In einer typischen industriellen Anlage wird die Schmierstoffvormischung, die Additivsuspension, das Öl-Alkohol-Reaktionsgemisch oder der Emulsionszulauf durch eine Ultraschalldurchflusszelle gepumpt und dort präzise kontrollierter Ultraschallenergie ausgesetzt. Wichtige Prozessparameter wie Amplitude, Druck, Temperatur, Volumenstrom, Verweilzeit und spezifischer Energieeintrag lassen sich genau einstellen und überwachen und werden automatisch dokumentiert. Dieses hohe Maß an Kontrollierbarkeit bietet Schmierstoffherstellern die Prozesssicherheit, die für eine reproduzierbare Formulierungsqualität, validierte Produktionsprotokolle und eine konsistente Maßstabsvergrößerung von Forschungs- und Entwicklungsversuchen über die Pilotproduktion bis zum vollen industriellen Durchsatz erforderlich ist.
Für Hersteller von Bioschmierstoffen ist diese Skalierbarkeit besonders wichtig, da die Anforderungen an die Formulierungen steigen. Kunden erwarten nachhaltige Produkte, zugleich aber auch die gleiche oder eine bessere Leistung als bei konventionellen erdölbasierten Schmierstoffen. Ultraschallgeräte von Hielscher helfen Herstellern, diese Lücke zu schließen, indem sie Leistung, Zuverlässigkeit, Kontrollierbarkeit und lineare Skalierbarkeit in einer robusten Ultraschallplattform vereinen. Diese Vorteile machen Ultraschallgeräte von Hielscher zur bevorzugten Wahl für Unternehmen, die Ultraschallbehandlung im industriellen Maßstab für hochwertige biobasierte Schmierstoffformulierungen benötigen.

 
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre höchsten Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Ultraschallgeräte von Hielscher kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf Hochleistungsultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Quellen

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