Biolubrikantide tootmine: protsessi intensiivistamine ultraheli töötlusega

Määrdeainetööstus on sisenemas uuenduslike koostiste otsustavasse etappi. Kuna tööstuskasutajad, liikuvussektorid, laevandusettevõtted ja keskkonnatundlikud rakendused liiguvad biolagunevate ja taastuvate alternatiivide poole, on määrdeainete tootjad üha suurema surve all pakkuda suure jõudlusega biolubrikante, kaotamata viskoossuse reguleeritavust, oksüdatiivset stabiilsust, kulumiskaitset ega pikaajalist säilitusstabiilsust. Turuanalüütikud teatavad biolubrikantide jätkuvast kasvust, mida veab nõudlus biolagunevate, väiksema heitega ja jätkusuutlike määrdeainelahenduste järele transpordi- ja tööstusrakendustes.

Biolubrikantide ultraheli tootmine: protsessi intensiivistamine jätkusuutlike määrdeainete jaoks

Selle taustal on ultraheli töötlus ehk sonikeerimine muutumas tööstuslikult üha olulisemaks mitmekülgseks tootmistehnoloogiaks biolubrikantide valmistamisel. Suure võimsusega ultraheli abil saab teostada ultraheli dispergeerimist, sonokeemilist ümberesterdamist, emulgeerimist ja mikrogeeliosakeste valmistamist, andes koostiste arendajatele töökindla vahendi nii keemilise konversiooni kui ka füüsikalise koostise kvaliteedi parandamiseks. See teeb sonikeerimisest väga tõhusa töötlusmeetodi, mida kasutatakse biolubrikantõlide, biolubrikantmäärete, veepõhiste biolubrikantide ja toiduklassi määrdeainete puhul.

Miks on ultraheli töötlus biolubrikantide tootjatele oluline

Biolubrikantide aluseks on sageli keerukad toorainesüsteemid: taimeõlid, sünteetilised estrid, biopõhised polümeerid, tselluloosi derivaadid, funktsionaalsed lisandid, antioksüdandid, korrosiooniinhibiitorid, kulumisvastased ained, hõõrdumise modifikaatorid ning veepõhised või emulsioonitüüpi faasid. Need koostisosad võivad oluliselt erineda polaarsuse, viskoossuse, osakeste suuruse, lahustuvuse ja piirpinnakäitumise poolest. Tavapärased segistid, rootor-stator-süsteemid või pikaajaline partiidena segamine ei pruugi alati tagada piisavat energiatihedust, et saada peeneid, stabiilseid dispersioone või kiireid piirpinnareaktsioone.
Ultraheli töötlus lahendab need probleemid akustilise kavitatsiooni abil. Kui vedelikesse juhitakse suure intensiivsusega ultraheli, tekivad mikroskoopilised kavitatsioonimullid, kasvavad ja kollabeeruvad. See tekitab lokaalselt suurt nihet, intensiivset mikrosegunemist, turbulentsi, osakeste deagglomeratsiooni ja reaktiivseid tsoone, mis võivad kiirendada massiülekannet ja keemilisi reaktsioone. Ümberesterdamise uuringutes on ultraheli põhjalikult uuritud kui võimalust ületada aeglast reaktsioonikineetikat ning õli- ja alkoholifaasi ebatõhusat kontakti.
Määrdeainete tootjate jaoks tähendab see, et ultraheli ei ole pelgalt laboratoorne homogeniseerimismeetod. See on protsessi intensiivistamise tehnoloogia, mis võib toetada stabiilsemate, ühtlasemate ja tõhusamate biopõhiste määrdeainekoostiste tootmist.

Ultraheli sondtüüpi dispergeerija loob suure jõudlusega biolubrikante.
(Uuring ja pilt: Liu et al., 2020)

Biopõhiste määrdeainelisandite ultraheli dispergeerimine

Biolubrikantide koostamisel on põhiline väljakutse biopõhiste lisandite homogeenne segamine. Sellised materjalid nagu karboksümetüültselluloos, tselluloosi nanokiud, biopolümeerid, looduslikud kummid, ligniini derivaadid, biopõhised paksendajad ja funktsionaalsed nanoosakesed võivad tugevalt mõjutada viskoossust, määrimisvõimet, kulumiskindlust, kilemoodustumist ja suspensiooni stabiilsust. Need materjalid kipuvad aga sageli aglomereeruma, hüdreeruma aeglaselt või moodustama ebaühtlaseid geelistruktuure.
Ultraheli dispergeerimine aitab tootjatel aglomeraate vähendada ja lisandeid määrdeaine maatriksis ühtlasemalt jaotada. See on eriti väärtuslik veepõhiste määrdeainete, nanomäärdeainete, määrdeainetaoliste süsteemide ja emulsioonipõhiste biolubrikantide puhul. Hiljutised tselluloosipõhiste süsteemide uuringud näitavad, et ultraheli töötlus (sonikeerimine) võib oluliselt mõjutada dispersiooni käitumist, reoloogiat ja võrgustruktuuri, mistõttu on see kasulik töötlusvahend tselluloosi sisaldavate koostiste häälestamiseks.

Määrdeainetootjate jaoks võib parem dispersioon tähendada järgmist:

• Ühtlasem viskoossus ja reoloogiline käitumine
• Parem lisandite efektiivsus väiksemate doosidega
• Väiksem settimine, faaside lahknemine või hõljuvad tahked osakesed
• Paremini reprodutseeritav tribloogiline toimivus
• Lühem töötlusaeg võrreldes pikaajalise mehaanilise segamisega

Karboksümetüültselluloos on eriti oluline, sest seda kasutatakse laialdaselt tselluloosi derivaadina, millel on kasulikud viskoossus-, pinna- ja kilet moodustavad omadused. Määrdeainesüsteemides võib ultraheli töötlus (sonikeerimine) aidata CMC-d ja muid biopolümeere integreerida stabiilsetesse vesi- või emulsioonikoostistesse, toetades keskkonnasõbralikumate määrdeainete arendamist, millel on kontrollitud voolamiskäitumine ja parem koostise stabiilsus.

Biolubrikandid ultrahelis dispergeeritud karboksümetüültselluloosiga. Ultraheli dispergeerimine annab pikaajaliselt stabiilsed nano-biolubrikandid
Uuring ja pildid: ©Rahmadiawan et al., 2022

Sonokeemiline transesterdamine diestrite ja estripõhiste biolubrikantide valmistamiseks

Estrid kuuluvad suure jõudlusega biolubrikantide kõige olulisemate baasvedelike hulka. Need võivad pakkuda head määrimisvõimet, kõrget viskoossusindeksit, biolagunduvust ja soodsat käitumist madalatel temperatuuridel, sõltuvalt toorainest ja molekulaarstruktuurist. Diestrid ja polüoolestrid on eriti olulised sellistes rakendustes nagu hüdraulikavedelikud, kompressoriõlid, metallitöötlusvedelikud, mootorsaeõlid, laevade määrdeained ja eriotstarbelised tööstuslikud määrdeained.
Üks paljulubav ultraheli rakendus on estrite sonokeemiline valmistamine transesterdamise teel. Tavapärase transesterdamise korral vajavad segunematud reagendid, näiteks õlid ja alkoholid, sageli intensiivset segamist, kõrgendatud temperatuure, katalüsaatoreid ja pikki reaktsiooniaegu. Ultraheli parandab massiülekannet, luues reagentide faaside vahel peeneid emulsioone ja uuendades pidevalt faasidevahelist piiri, kus reaktsioon toimub.
Ultraheli abil toimuv transesterdamine on väljakujunenud meetod, mille eeliseid, nagu kiiremad reaktsioonikiirused, parem faaside kontakt, lühemad eraldusajad, kõrged saagised ja väiksem jäätmeteke sobivates tingimustes, on hästi tõestatud. Määrdeainetootjad kasutavad ultraheli transesterdamise meetodit estripõhiste biolubrikantide komponentide, sealhulgas diestrite ja muude funktsionaalsete estristruktuuride tootmiseks.

Ultraheli transesterdamine aitab tootjatel:

• Parandada kontakti õli-, alkoholi- ja katalüsaatorifaaside vahel
• Lühendada reaktsiooniaega faasidevahelise massiülekande intensiivistamise kaudu
• Toetada madalamate temperatuuride või energiatõhusamate töötlusakende kasutamist
• Parandada konversiooni järjepidevust perioodilises või pidevas tootmises
• Võimaldada kompaktseid reaktoriprojekte skaleeritavaks estrite tootmiseks

Biolubrikantide baasõlide tootjatele pakub ultraheli võimaluse intensiivistada esterdamis- ja transesterdamisprotsesse, toetades samal ajal puhtamat ja tõhusamat tootmist.

Määrdeainete koostiste ultrahelil põhinev emulgeerimine

Paljud tänapäevased biomäärdeained ei ole lihtsad ühefaasilised õlid. Need võivad sisaldada vees-õlis emulsioone, õlis-vees emulsioone, lisandikontsentraate, vahadispersioone, polümeeriga modifitseeritud süsteeme või keerukaid mitmefaasilisi komplekte. Nende emulsioonide kvaliteet mõjutab otseselt säilitusstabiilsust, määrimisvõimet, jahutusvõimet, korrosioonikaitset ja kasutuskäitumist.
Ultraheliemulgeerimine on väga tõhus, sest kavitatsioon tekitab tugevaid lokaalseid nihkejõude, mis lõhuvad tilgad väiksemateks ja tekitavad kitsa tilgasuuruse jaotuse. Määrdeainete tootmisel saab seda kasutada biopõhiste õlide, estrifaaside, veefaaside, pindaktiivsete ainete, polümeersete stabilisaatorite ja funktsionaalsete lisandite emulgeerimiseks stabiilseteks koostisteks.

See on eriti oluline järgmiste puhul:

• Veepõhised biomäärdeained
• Metallitöötlusvedelikud ja lõikevedelikud
• Hüdraulikavedelikud, mis sisaldavad taastuvaid komponente
• Emulsioonitüüpi määrded ja poolkõvad määrdeained
• Lisandikontsentraadid ja eeldispersioonid
• Määrdeainesüsteemid, mis sisaldavad biopolümeere või tselluloosi derivaate

Peenemulgeerimine parandab määrdeainete koostiste füüsikalist stabiilsust ja võib vähendada liigse pindaktiivse aine koguse vajadust. Tootjatele pakub see nii jõudlus- kui ka kulueeliseid: parem stabiilsus, tõhusam lisandite kasutus ja suurem koostise paindlikkus.

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) emulsioonimikrogeeli osakeste valmistamiseks

Teine esilekerkiv valdkond on emulsioonimikrogeeli osakeste tootmine täiustatud määrdeainete koostiste jaoks. Mikrogeelid võivad toimida reoloogia modifikaatorite, toimeainete kandjate, hõõrdumuundajate või reageerivate struktureerivate ainetena. Biopõhistes määrdeainesüsteemides võib mikrogeeli osakesi valmistada looduslikest polümeeridest, modifitseeritud tselluloosist, polüsahhariididest, valkudest või muudest taastuvatest polümeersüsteemidest.
Ultraheli töötlus toetab mikrogeeli valmistamist, võimaldades kontrollitud emulgeerimist, tilgasuuruse vähendamist, polümeeri dispergeerimist ja faaside struktureerimist. Samad kavitatsioonil põhinevad mehhanismid, mis tekitavad peeneid emulsioone, võivad aidata luua ka väikesi ühtlaseid lähtetilku või dispergeeritud polümeeridomeene, mida seejärel geelistatakse, ristsidestatakse või stabiliseeritakse.

Optimeerige oma biomäärdeainete tootmist ultraheli töötlusega

Üks olulisemaid küsimusi määrdeainete tootjatele on see, kas ultraheli töötlust on võimalik töökindlalt integreerida tootmisliinidesse. Hielscheri sonikaatorite puhul on vastus selgelt jah. Hielscheri suure jõudlusega sonikaatorid on konstrueeritud pidevaks tööks, voolusiseseks (inline) töötluseks ja sujuvaks integreerimiseks olemasolevatesse tootmisliinidesse, mistõttu on need võimas ja töökindel lahendus biomääreainete tööstuslikuks tootmiseks.
Tüüpilises tööstuslikus seadistuses pumbatakse määrdeaine eelsegu, lisandite suspensioon, õli-alkoholi reaktsioonisegu või emulsioonisööt läbi ultraheli läbivoolukambri, kus sellele rakendatakse täpselt kontrollitud ultraheli energiat. Peamisi protsessiparameetreid, nagu amplituud, rõhk, temperatuur, vooluhulk, viibeaeg ja erienergia sisend, saab täpselt reguleerida ja jälgida ning need dokumenteeritakse automaatselt. See kõrge juhitavus annab määrdeainete tootjatele protsessi kindluse, mida on vaja korratava koostise kvaliteedi, valideeritud tootmisprotokollide ning järjepideva skaleerimise jaoks teadus- ja arendustöö katsetelt pilootmahus tootmiseni ja täieliku tööstusliku läbilaskevõimeni.
Biomääreainete tootjatele on see skaleeritavus eriti oluline, sest koostisele esitatavad nõuded muutuvad üha rangemaks. Kliendid ootavad jätkusuutlikke tooteid, kuid samuti sama head või paremat jõudlust kui tavapärastel naftapõhistel määrdeainetel. Hielscheri sonikaatorid aitavad tootjatel seda lõhet ületada, ühendades võimsuse, töökindluse, juhitavuse ja lineaarse skaleeritavuse ühes tugevas ultraheliplatvormis. Need eelised muudavad Hielscheri sonikaatorid eelistatud valikuks ettevõtetele, kes vajavad kõrgekvaliteediliste biopõhiste määrdeainete koostiste jaoks tööstusliku kvaliteediga ultraheli töötlust (sonikeerimist).

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Disain, tootmine ja nõustamine – Saksamaal valmistatud kvaliteet

Hielscheri ultraheliseadmed on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie ultraheliseadmeid sujuvalt tööstusrajatistesse integreerida. Hielscheri ultraheliseadmed tulevad kergesti toime rasketes tingimustes ja nõudlikes keskkondades.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ja pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultraheliseadmetele, mis on varustatud tipptehnoloogia ja kasutajasõbralikkusega. Loomulikult vastavad Hielscheri ultraheliseadmed CE-nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHS-i nõudeid.

Kirjandus / viited

• 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.