Production de biolubrifiants : intensification des procédés par sonication

L’industrie des lubrifiants entre dans une phase décisive d’innovation en matière de formulation. À mesure que les utilisateurs industriels, les secteurs de la mobilité, les opérateurs maritimes et les applications sensibles sur le plan environnemental se tournent vers des alternatives biodégradables et renouvelables, les fabricants de lubrifiants subissent une pression croissante pour proposer des biolubrifiants hautes performances 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 lubrifiantes biodégradables, à plus faibles émissions et durables dans les applications de transport et industrielles.

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

Dans ce contexte, le traitement par ultrasons, également appelé sonication, gagne en importance industrielle en tant que technologie de production polyvalente pour la fabrication de biolubrifiants. Les ultrasons de forte puissance peuvent être utilisés pour la dispersion par ultrasons, la transestérification sonochimique, l’émulsification et la préparation de particules de microgel, offrant aux formulateurs un outil robuste pour améliorer à la fois la conversion chimique et la qualité physique de la formulation. La sonication est ainsi une technique de traitement très 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 important pour les fabricants de biolubrifiants

Les biolubrifiants reposent souvent sur des systèmes de matières premières complexes : huiles végétales, esters synthétiques, polymères biosourcés, dérivés de cellulose, additifs fonctionnels, antioxydants, inhibiteurs de corrosion, agents anti-usure, modificateurs de frottement et phases aqueuses ou de type émulsion. Ces ingrédients peuvent différer considérablement en termes de polarité, de viscosité, de taille de particules, de solubilité et de comportement interfacial. Les mélangeurs conventionnels, les systèmes rotor-stator ou une agitation prolongée en batch ne fournissent pas toujours une densité d’énergie suffisante pour produire des dispersions fines et stables ou 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, croissent et implosent. Cela crée un cisaillement élevé localisé, un micromélange intense, des turbulences, une désagglomération des particules et des zones réactives susceptibles d’accélérer le transfert de masse et les réactions chimiques. Dans la recherche sur la transestérification, les ultrasons ont été largement étudiés comme moyen de surmonter une cinétique de réaction lente et un contact inefficace entre les phases huile et alcool.
Pour les fabricants de lubrifiants, cela signifie que les ultrasons ne sont pas simplement une méthode d’homogénéisation de laboratoire. Il s’agit d’une technologie d’intensification des procédés qui peut contribuer à la production de formulations de lubrifiants biosourcés plus stables, plus homogènes et plus efficaces.

Le disperseur à ultrasons de type sonde crée des biolubrifiants hautes performances.
(Étude et image : Liu et al., 2020)

Dispersion par ultrasons d’additifs biosourcés pour lubrifiants

L’un des principaux défis de la formulation des biolubrifiants est l’incorporation homogène d’additifs biosourcés. Des matériaux tels que la carboxyméthylcellulose, les nanofibres de cellulose, les biopolymères, les gommes naturelles, les dérivés de lignine, les épaississants biosourcés 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 de gel non uniformes.
La dispersion par ultrasons aide les fabricants à réduire les agglomérats et à répartir les additifs de manière plus uniforme dans la matrice lubrifiante. C’est 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 significativement le comportement de dispersion, la rhéologie et la structure du réseau, ce qui en fait un outil de traitement utile pour ajuster 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
• Une meilleure efficacité des additifs à des dosages plus faibles
• Une réduction de la sédimentation, de la séparation de phases ou des solides flottants
• Des performances tribologiques plus reproductibles
• Des temps de traitement plus courts par rapport à une agitation mécanique prolongée

La carboxyméthylcellulose est particulièrement intéressante, car elle est largement utilisée comme dérivé de cellulose aux propriétés utiles en matière de viscosité, de surface et de formation de film. Dans les systèmes lubrifiants, la sonication peut aider à intégrer 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, au comportement d’écoulement maîtrisé et à la stabilité de formulation accrue.

Biolubrifiants contenant de la carboxyméthylcellulose dispersée par ultrasons. La dispersion par ultrasons produit des nano-biolubrifiants stables à long terme
Étude et images : ©Rahmadiawan et al., 2022

Transestérification sonochimique pour les biolubrifiants à base de diesters et d’esters

Les esters comptent parmi les fluides de base les plus importants pour les biolubrifiants hautes performances. Selon la matière première et la structure moléculaire, ils peuvent offrir un bon pouvoir lubrifiant, un indice de viscosité élevé, une biodégradabilité et un comportement favorable à basse température. Les diesters et les esters de polyols sont particulièrement importants pour des applications telles que les fluides hydrauliques, les huiles pour compresseurs, les fluides de travail des métaux, les huiles de chaîne de tronçonneuse, les lubrifiants marins et les lubrifiants industriels spéciaux.
Une application prometteuse des ultrasons est la préparation sonochimique d’esters par transestérification. Dans la transestérification conventionnelle, des 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 de fines émulsions entre les phases réactives et en renouvelant en continu l’interface où se produit la réaction.
La transestérification assistée par sonication est une technique établie, dont les avantages sont bien démontrés : vitesses de réaction plus rapides, meilleur contact entre les phases, temps de séparation plus courts, rendements élevés et formation réduite de déchets dans des conditions appropriées. Les fabricants de lubrifiants utilisent 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 huile, alcool et catalyseur
• Réduire le temps de réaction en intensifiant le transfert de masse interfacial
• Permettre des fenêtres de traitement à plus basse température ou plus économes en énergie
• Améliorer la constance de la conversion en production batch ou continue
• Permettre des conceptions de réacteurs compactes pour une production d’esters évolutive

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

Émulsification par ultrasons de formulations lubrifiantes

De nombreux biolubrifiants modernes ne sont pas de simples huiles monophasiques. Ils peuvent comprendre des émulsions eau-dans-huile, des émulsions huile-dans-eau, des concentrés d’additifs, des dispersions de cire, des systèmes modifiés par des polymères ou des ensembles 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 en application.
L’émulsification par ultrasons est très efficace, car la cavitation génère d’intenses forces de cisaillement locales qui fractionnent les gouttelettes en tailles plus petites et créent des distributions étroites de la taille des gouttelettes. Dans la fabrication de lubrifiants, elle peut être utilisée pour émulsifier des huiles biosourcées, des phases esters, des phases aqueuses, des tensioactifs, des stabilisants polymères et des additifs fonctionnels en formulations stables.

Cela concerne particulièrement :

• Les biolubrifiants à base d’eau
• Les fluides de travail des métaux et les fluides de coupe
• Les fluides hydrauliques contenant des composants renouvelables
• Les graisses de type émulsion et les lubrifiants semi-solides
• Les concentrés d’additifs et les prédispersions
• Les systèmes lubrifiants contenant des biopolymères ou des dérivés de cellulose

Une émulsification fine améliore la stabilité physique des formulations lubrifiantes et peut réduire la nécessité d’une charge excessive en tensioactifs. Pour les fabricants, cela offre des avantages à la fois en termes de performances et de coûts : stabilité améliorée, utilisation plus efficace des additifs et plus grande flexibilité de formulation.

Sonication pour les particules de microgel en émulsion

Un autre domaine émergent est la production de particules de microgel en émulsion pour des formulations lubrifiantes avancées. Les microgels peuvent agir comme modificateurs de rhéologie, vecteurs de principes actifs, modificateurs de frottement ou agents structurants sensibles. Dans les systèmes lubrifiants biosourcés, 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 favorise la préparation de microgels en permettant une émulsification contrôlée, une réduction de la taille des gouttelettes, une dispersion des polymères et une structuration des phases. Les mêmes mécanismes induits par la cavitation qui produisent des émulsions fines peuvent également contribuer à créer de petites gouttelettes précurseurs uniformes ou des 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 lignes de production. Avec les sonicateurs Hielscher, la réponse est clairement oui. Les sonicateurs haute performance Hielscher sont conçus pour un fonctionnement continu, un traitement en ligne et une intégration transparente dans les lignes 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 lubrifiant, la suspension d’additifs, le mélange réactionnel huile-alcool ou l’alimentation en émulsion est pompé à travers une cellule à circulation à ultrasons, où il est exposé à une énergie ultrasonore 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 d’énergie spécifique peuvent être réglés et surveillés avec précision, et sont documentés automatiquement. Ce haut niveau de contrôlabilité offre aux fabricants de lubrifiants la sécurité de procédé nécessaire pour une qualité de formulation reproductible, des protocoles de production validés et une mise à l’échelle cohérente, des essais de R&D à la production pilote jusqu’à la pleine capacité de production industrielle.
Pour les producteurs de biolubrifiants, cette évolutivité est particulièrement importante, car les exigences de formulation deviennent de plus en plus strictes. Les clients attendent des produits durables, mais aussi des performances identiques ou 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 dans une plateforme à ultrasons robuste. Ces avantages font des sonicateurs Hielscher le choix privilégié des entreprises qui ont besoin d’une sonication de qualité industrielle pour des formulations de lubrifiants biosourcés de haute qualité.

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

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasonicateurs Hielscher sont réputés pour leurs normes de qualité et de conception les plus élevées. Leur robustesse et leur facilité d’utilisation permettent l’intégration harmonieuse de nos ultrasonicateurs dans des installations industrielles. Les ultrasonicateurs Hielscher font face sans difficulté aux conditions difficiles et aux environnements exigeants.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui accorde une importance particulière aux ultrasonicateurs haute performance alliant technologie de pointe et convivialité. Bien entendu, les ultrasonicateurs Hielscher sont conformes CE et satisfont aux exigences UL, CSA et RoHs.

Bibliographie / Références

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