Production de biolubrifiants : intensification des procédés par sonication

L'industrie des lubrifiants entre dans une phase décisive d'innovation en matière de formulation. Alors que les utilisateurs industriels, les secteurs de la mobilité, les opérateurs maritimes et les applications sensibles sur le plan environnemental s'orientent vers des alternatives biodégradables et renouvelables, les fabricants de lubrifiants subissent une pression croissante pour proposer des biolubrifiants hautement performants sans compromettre le contrôle de la viscosité, la stabilité à l'oxydation, la protection contre l'usure ou la stabilité au stockage à long terme. Les analystes de marché font état d'une croissance continue des biolubrifiants, portée par la demande de solutions de lubrification biodégradables, à faibles émissions et durables dans les applications de transport et industrielles.

Production par ultrasons de biolubrifiants : intensification des procédés pour des lubrifiants durables

Dans ce contexte, le traitement par ultrasons, également appelé sonication, prend de plus en plus d’importance dans l’industrie en tant que technologie de production polyvalente pour la fabrication de biolubrifiants. Les ultrasons de forte puissance peuvent être utilisés pour la dispersion ultrasonique, la transestérification sonochimique, l’émulsification et la préparation de particules de microgel, offrant ainsi aux formulateurs un outil performant pour améliorer à la fois la conversion chimique et la qualité physique de la formulation. La sonication est ainsi une technique de traitement hautement efficace utilisée dans les huiles biolubrifiantes, les graisses biolubrifiantes, les biolubrifiants à base d’eau et les lubrifiants de qualité alimentaire.

Pourquoi le traitement par ultrasons est-il essentiel pour les fabricants de biolubrifiants ?

Les biolubrifiants reposent souvent sur des systèmes de matières premières complexes : huiles végétales, esters synthétiques, polymères d’origine biologique, dérivés de la cellulose, additifs fonctionnels, antioxydants, inhibiteurs de corrosion, agents anti-usure, modificateurs de frottement, ainsi que des phases à base d’eau ou de type émulsion. Ces ingrédients peuvent présenter des différences significatives en termes de polarité, de viscosité, de taille des particules, de solubilité et de comportement interfacial. Les mélangeurs conventionnels, les systèmes rotor-stator ou l'agitation par lots de longue durée ne fournissent pas toujours une densité d'énergie suffisante pour produire des dispersions fines et stables ou déclencher des réactions interfaciales rapides.
La sonication répond à ces défis grâce à la cavitation acoustique. Lorsque des ultrasons de haute intensité sont introduits dans des liquides, des bulles de cavitation microscopiques se forment, grossissent puis s’effondrent. Cela génère un cisaillement localisé élevé, un micro-mélange intense, de la turbulence, la désagglomération des particules et des zones réactives susceptibles d’accélérer le transfert de masse et les réactions chimiques. Dans le domaine de la recherche sur la transestérification, les ultrasons ont fait l’objet de nombreuses études en tant que moyen de pallier la lenteur de la cinétique de réaction et le contact inefficace entre les phases huileuse et alcoolique.
Pour les fabricants de lubrifiants, cela signifie que les ultrasons ne constituent pas simplement une méthode d'homogénéisation en laboratoire. Il s'agit d'une technologie d'intensification des procédés capable de favoriser la production de formulations de lubrifiants d'origine biologique plus stables, plus homogènes et plus performantes.
 

Les disperseurs à sonde ultrasonique permettent de produire des biolubrifiants hautement performants.
(Étude et illustration : Liu et al., 2020)

Dispersion par ultrasons d'additifs pour lubrifiants d'origine biologique

L'un des principaux défis liés à la formulation des biolubrifiants réside dans l'incorporation homogène d'additifs d'origine biologique. Des matériaux tels que la carboxyméthylcellulose, les nanofibres de cellulose, les biopolymères, les gommes naturelles, les dérivés de lignine, les épaississants d’origine biologique et les nanoparticules fonctionnelles peuvent fortement influencer la viscosité, le pouvoir lubrifiant, les performances anti-usure, la formation de film et la stabilité de la suspension. Cependant, ces matériaux ont souvent tendance à s'agglomérer, à s'hydrater lentement ou à former des structures gélifiées non uniformes.
La dispersion par ultrasons aide les fabricants à réduire les agglomérats et à répartir les additifs de manière plus homogène dans la matrice du lubrifiant. Cela s'avère particulièrement utile pour les lubrifiants à base d'eau, les nanolubrifiants, les systèmes de type graisse et les biolubrifiants à base d'émulsion. Des recherches récentes sur les systèmes à base de cellulose montrent que la sonication peut influencer de manière significative le comportement de dispersion, la rhéologie et la structure du réseau, ce qui en fait un outil de traitement utile pour optimiser les formulations contenant de la cellulose.

Pour les fabricants de lubrifiants, une meilleure dispersion peut se traduire par :

• Une viscosité et un comportement rhéologique plus constants
• Amélioration de l'efficacité des additifs à des doses plus faibles
• Diminution de la sédimentation, de la séparation de phases ou de la présence de solides en suspension
• Des performances tribologiques plus reproductibles
• Des temps de traitement plus courts par rapport à une agitation mécanique prolongée

La carboxyméthylcellulose revêt une importance particulière, car il s'agit d'un dérivé de la cellulose largement utilisé qui présente des propriétés intéressantes en termes de viscosité, de surface et de formation de film. Dans les systèmes lubrifiants, la sonication peut faciliter l'intégration de la CMC et d'autres biopolymères dans des formulations aqueuses ou en émulsion stables, favorisant ainsi le développement de lubrifiants plus respectueux de l'environnement, dotés d'un comportement d'écoulement contrôlé et d'une stabilité de formulation améliorée.
 

Biolubrifiants à base de carboxyméthylcellulose dispersée par ultrasons. La dispersion par ultrasons permet d'obtenir des nano-biolubrifiants stables à long terme
Étude et images : ©Rahmadiawan et al., 2022

Transestérification sonochimique pour la production de biolubrifiants à base de diesters et d'esters

Les esters comptent parmi les fluides de base les plus importants pour les biolubrifiants haute performance. Ils peuvent offrir un bon pouvoir lubrifiant, un indice de viscosité élevé, une biodégradabilité et un comportement favorable à basse température, en fonction de la matière première et de la structure moléculaire. Les diesters et les esters de polyols revêtent une importance particulière pour des applications telles que les fluides hydrauliques, les huiles pour compresseurs, les fluides d'usinage, les huiles pour tronçonneuses, les lubrifiants marins et les lubrifiants industriels spécialisés.
L'une des applications prometteuses des ultrasons est la préparation sonochimique d'esters par transestérification. Dans la transestérification classique, les réactifs non miscibles, tels que les huiles et les alcools, nécessitent souvent un mélange intensif, des températures élevées, des catalyseurs et des temps de réaction prolongés. Les ultrasons améliorent le transfert de masse en créant des émulsions fines entre les phases des réactifs et en renouvelant en permanence l'interface où se produit la réaction.
La transestérification assistée par ultrasons est une technique bien établie qui a largement fait ses preuves grâce à des avantages tels que des vitesses de réaction plus élevées, un meilleur contact entre les phases, des temps de séparation plus courts, des rendements élevés et une réduction de la production de déchets dans des conditions appropriées. Les fabricants de lubrifiants ont recours à la méthode de transestérification par ultrasons pour produire des composants de biolubrifiants à base d’esters, notamment des diesters et d’autres structures d’esters fonctionnels.

La transestérification par ultrasons aide les fabricants à :

• Améliorer le contact entre les phases huileuse, alcoolique et catalytique
• Réduire le temps de réaction en intensifiant le transfert de masse interfacial
• Prise en charge de plages de traitement à plus basse température ou plus économes en énergie
• Améliorer la régularité de la conversion dans la production par lots ou en continu
• Permettre la conception de réacteurs compacts pour une production d'esters évolutive

Pour les entreprises qui produisent des huiles de base pour biolubrifiants, les ultrasons constituent un moyen d'intensifier les processus d'estérification et de transestérification, tout en favorisant une fabrication plus propre et plus efficace.

Émulsification par ultrasons de formulations de lubrifiants

De nombreux biolubrifiants modernes ne sont pas de simples huiles monophasiques. Ils peuvent comprendre des émulsions « eau dans l’huile », des émulsions « huile dans l’eau », des concentrés d’additifs, des dispersions de cire, des systèmes modifiés par des polymères ou des formulations multiphasiques complexes. La qualité de ces émulsions a un impact direct sur la stabilité au stockage, le pouvoir lubrifiant, les performances de refroidissement, la protection contre la corrosion et le comportement à l'application.
L'émulsification par ultrasons est très efficace, car la cavitation génère des forces de cisaillement locales intenses qui fragmentent les gouttelettes en particules plus petites et permettent d'obtenir des distributions granulométriques étroites. Dans la fabrication de lubrifiants, ce procédé peut être utilisé pour émulsionner des huiles d'origine biologique, des phases esters, des phases aqueuses, des tensioactifs, des stabilisants polymères et des additifs fonctionnels afin d'obtenir des formulations stables.

Cela concerne tout particulièrement :

• biolubrifiants à base d'eau
• Fluides pour le travail des métaux et fluides de coupe
• Fluides hydrauliques contenant des composants d'origine renouvelable
• Graisses de type émulsion et lubrifiants semi-solides
• Concentrés d'additifs et prédispersions
• Systèmes lubrifiants contenant des biopolymères ou des dérivés de la cellulose

Une émulsification fine améliore la stabilité physique des formulations de lubrifiants et permet de réduire le recours à des doses excessives d'agents tensioactifs. Pour les fabricants, cela présente à la fois des avantages en termes de performances et de coûts : une stabilité améliorée, une utilisation plus efficace des additifs et une plus grande souplesse dans l'élaboration des formulations.

Traitement par ultrasons pour la production de particules de microgel en émulsion

Un autre domaine en plein essor est la production de particules de microgels en émulsion destinées à des formulations de lubrifiants de pointe. Les microgels peuvent agir comme modificateurs de rhéologie, vecteurs d’ingrédients actifs, modificateurs de frottement ou agents structurants réactifs. Dans les systèmes lubrifiants d’origine biologique, les particules de microgel peuvent être produites à partir de polymères naturels, de cellulose modifiée, de polysaccharides, de protéines ou d’autres systèmes polymères renouvelables.
Le traitement par ultrasons facilite la préparation de microgels en permettant une émulsification contrôlée, une réduction de la taille des gouttelettes, la dispersion des polymères et la structuration des phases. Les mêmes mécanismes liés à la cavitation qui permettent d'obtenir des émulsions fines peuvent également contribuer à la formation de petites gouttelettes de précurseur uniformes ou de domaines polymères dispersés qui sont ensuite gélifiés, réticulés ou stabilisés.

Optimisez votre production de biolubrifiants grâce à la sonication

L'une des questions les plus importantes pour les fabricants de lubrifiants est de savoir si le traitement par ultrasons peut être intégré de manière fiable dans les chaînes de production. Avec les sonicateurs Hielscher, la réponse est clairement oui. Les soniqueurs haute performance de Hielscher sont conçus pour un fonctionnement en continu, un traitement en ligne et une intégration transparente dans les chaînes de production existantes, ce qui en fait une solution puissante et fiable pour la fabrication industrielle de biolubrifiants.
Dans une installation industrielle type, le prémélange de lubrifiant, la suspension d’additifs, le mélange réactionnel huile-alcool ou le flux d’émulsion est pompé à travers une cellule de débit à ultrasons, où il est exposé à une énergie ultrasonique contrôlée avec précision. Les paramètres clés du procédé, tels que l’amplitude, la pression, la température, le débit, le temps de séjour et l’apport énergétique spécifique, peuvent être réglés avec précision, surveillés et enregistrés automatiquement. Ce haut niveau de contrôlabilité offre aux fabricants de lubrifiants la sécurité de procédé nécessaire pour garantir une qualité reproductible des formulations, des protocoles de production validés et une extrapolation cohérente de la R&Essais D en vue d'une production pilote et d'un débit industriel à pleine capacité.
Pour les fabricants de biolubrifiants, cette évolutivité revêt une importance particulière, car les exigences en matière de formulation sont de plus en plus strictes. Les clients attendent des produits durables, mais ils exigent également des performances équivalentes, voire supérieures, à celles des lubrifiants conventionnels à base de pétrole. Les sonicateurs Hielscher aident les fabricants à combler cet écart en combinant puissance, fiabilité, contrôlabilité et évolutivité linéaire au sein d’une plateforme ultrasonique robuste. Ces avantages font des sonicateurs Hielscher le choix privilégié des entreprises qui ont besoin d’une sonication de niveau industriel pour obtenir des formulations de lubrifiants biosourcés de haute qualité.

 
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

Littérature / Références