バイオ潤滑剤の製造：超音波処理によるプロセス強化

潤滑剤業界は、配合の革新における決定的な段階に入りつつあります。産業分野のユーザー、モビリティ分野、海運事業者、環境への配慮が必要な用途が、生分解性と再生可能性を備えた代替品へ移行する中、潤滑剤メーカーには、粘度制御、酸化安定性、摩耗保護、長期保存安定性を損なうことなく、高性能なバイオ潤滑剤を提供するよう、ますます強い圧力がかかっています。市場アナリストは、輸送用途と産業用途全般における、生分解性、低排出性、持続可能性を備えた潤滑剤ソリューションへの需要を背景に、バイオ潤滑剤市場が引き続き成長していると報告しています。

バイオ潤滑剤の超音波製造：持続可能な潤滑剤のためのプロセス強化

こうした背景のもと、超音波処理は、バイオ潤滑剤製造のための多用途な製造技術として、産業上の重要性を増しています。高出力超音波は、超音波分散、ソノケミカルなエステル交換、乳化、マイクロゲル粒子の調製に利用でき、化学的転化と配合物の物理的品質の両方を改善するための、堅牢な手段を配合設計者に提供します。このため、超音波処理は、バイオ潤滑油、バイオ潤滑グリース、水系バイオ潤滑剤、食品グレードの潤滑剤に用いられる、非常に効率的な処理技術となっています。

バイオ潤滑剤メーカーにとって超音波処理が重要な理由

バイオ潤滑剤は、植物油、合成エステル、バイオ由来ポリマー、セルロース誘導体、機能性添加剤、酸化防止剤、腐食防止剤、耐摩耗剤、摩擦調整剤、水系またはエマルション型の相など、複雑な原料系に依存することがよくあります。これらの成分は、極性、粘度、粒径、溶解性、界面挙動が大きく異なる場合があります。従来のミキサー、ローター・ステーターシステム、長時間のバッチ撹拌では、微細で安定した分散系や迅速な界面反応を実現するのに十分なエネルギー密度が、必ずしも得られるとは限りません。
超音波処理は、音響キャビテーションによってこれらの課題に対処します。高強度の超音波を液体に導入すると、微小なキャビテーション気泡が形成され、成長し、崩壊します。これにより、局所的な高せん断、強力な微視的混合、乱流、粒子の解凝集、物質移動と化学反応を加速できる反応領域が生じます。エステル交換の研究では、反応速度の遅さや油相とアルコール相の非効率的な接触を克服する方法として、超音波が広く研究されてきました。
潤滑剤メーカーにとって、これは超音波が単なる実験室での均質化手法ではないことを意味します。超音波は、より安定し、より均一で、より効率的なバイオ由来潤滑剤配合物の製造を支援できる、プロセス強化技術です。
 

プローブ型超音波分散装置は、高性能なバイオ潤滑剤を製造します。
（研究および画像：Liu et al., 2020）

バイオ由来潤滑剤添加剤の超音波分散

バイオ潤滑剤の配合における主要な課題は、バイオ由来添加剤を均一に取り込むことです。カルボキシメチルセルロース、セルロースナノファイバー、バイオポリマー、天然ガム、リグニン誘導体、バイオ由来増粘剤、機能性ナノ粒子などの材料は、粘度、潤滑性、耐摩耗性能、皮膜形成、懸濁安定性に大きく影響する可能性があります。しかし、これらの材料は、凝集しやすい、水和が遅い、不均一なゲル構造を形成しやすいといった傾向を示すことがよくあります。
超音波分散は、メーカーが凝集体を減らし、潤滑剤マトリックス全体に添加剤をより均一に分布させるのに役立ちます。これは、水系潤滑剤、ナノ潤滑剤、グリース状の系、エマルション系バイオ潤滑剤にとって特に有用です。セルロース系の最近の研究では、超音波処理が分散挙動、レオロジー、ネットワーク構造に大きく影響し得ることが示されており、セルロースを含む配合物を調整するための有用な処理手段となっています。

潤滑剤メーカーにとって、分散の改善は次のような効果につながる可能性があります。

• 粘度とレオロジー挙動の一貫性の向上
• より少ない添加量での添加剤効率の向上
• 沈降、相分離、浮遊固形物の低減
• トライボロジー性能の再現性の向上
• 長時間の機械的撹拌と比較した処理時間の短縮

カルボキシメチルセルロースは、有用な粘度特性、表面特性、皮膜形成特性を備えたセルロース誘導体として広く使用されているため、特に重要です。潤滑剤系では、超音波処理によりCMCやその他のバイオポリマーを安定した水系またはエマルション配合物に取り込むことができ、流動挙動が制御され、配合安定性が向上した、環境面で改善された潤滑剤の開発を支援します。
 

超音波で分散させたカルボキシメチルセルロースを含むバイオ潤滑剤。超音波分散は、長期的に安定したナノバイオ潤滑剤を製造します
研究および画像：©Rahmadiawan et al., 2022

ジエステルおよびエステル系バイオ潤滑剤のためのソノケミカルなエステル交換

エステルは、高性能なバイオ潤滑剤にとって最も重要な基油の一つです。原料と分子構造によっては、良好な潤滑性、高い粘度指数、生分解性、良好な低温挙動をもたらすことができます。ジエステルとポリオールエステルは、作動油、コンプレッサー油、金属加工油剤、チェーンソー油、船舶用潤滑剤、特殊産業用潤滑剤などの用途で特に重要です。
超音波の有望な用途の一つは、エステル交換によるエステルのソノケミカルな調製です。従来のエステル交換では、油とアルコールなどの互いに混ざらない反応物に対し、強力な混合、高温、触媒、長い反応時間が必要になることがよくあります。超音波は、反応物の相の間に微細なエマルションを形成し、反応が起こる界面を絶えず更新することで、物質移動を改善します。
超音波処理支援エステル交換は、適切な条件下での反応速度の向上、相間接触の改善、分離時間の短縮、高収率、廃棄物生成の低減といった利点が十分に実証された、確立済みの技術です。潤滑剤メーカーは、超音波エステル交換法を用いて、ジエステルやその他の機能性エステル構造を含む、エステル系バイオ潤滑剤成分を製造しています。

超音波エステル交換は、メーカーが次のことを実現するのに役立ちます。

• 油相、アルコール相、触媒相の間の接触の改善
• 界面での物質移動の強化による反応時間の短縮
• より低温での、またはよりエネルギー効率の高い処理条件範囲の実現支援
• バッチ生産または連続生産での転化の一貫性の向上
• スケールアップ可能なエステル製造のためのコンパクトな反応器設計の実現

バイオ潤滑剤の基油を製造する企業にとって、超音波は、よりクリーンで効率的な製造を支援しながら、エステル化とエステル交換のプロセスを強化する手段を提供します。

潤滑剤配合物の超音波乳化

現代のバイオ潤滑剤の多くは、単純な単相の油ではありません。油中水型エマルション、水中油型エマルション、添加剤濃縮物、ワックス分散液、ポリマー改質系、複雑な多相配合系などを含む場合があります。これらのエマルションの品質は、保存安定性、潤滑性、冷却性能、腐食保護、使用時の挙動に直接影響します。
超音波乳化は、キャビテーションが強力な局所せん断力を発生させ、液滴をより小さく分裂させ、狭い液滴径分布を形成するため、非常に効果的です。潤滑剤製造では、これを利用して、バイオ由来油、エステル相、水相、界面活性剤、高分子安定剤、機能性添加剤を乳化し、安定した配合物にすることができます。

これは、特に次のものにとって重要です。

• 水系バイオ潤滑剤
• 金属加工油剤および切削油剤
• 再生可能な成分を含む作動油
• エマルション型グリースおよび半固体潤滑剤
• 添加剤濃縮物および予備分散液
• バイオポリマーまたはセルロース誘導体を含む潤滑剤系

微細な乳化は、潤滑剤配合物の物理的安定性を改善し、過剰な界面活性剤添加の必要性を低減できる可能性があります。メーカーにとって、これは性能面とコスト面の両方の利点をもたらします。具体的には、安定性の向上、添加剤利用の効率化、配合の柔軟性の拡大です。

エマルションマイクロゲル粒子のための超音波処理

もう一つの新たな分野は、高度な潤滑剤配合物のためのエマルションマイクロゲル粒子の製造です。マイクロゲルは、レオロジー調整剤、有効成分の担体、摩擦調整剤、刺激応答性の構造形成剤として機能できます。バイオ由来潤滑剤系では、マイクロゲル粒子を、天然ポリマー、改質セルロース、多糖類、タンパク質、その他の再生可能なポリマー系から製造する場合があります。
超音波処理は、制御された乳化、液滴径の縮小、ポリマー分散、相の構造形成を可能にすることで、マイクロゲルの調製を支援します。微細なエマルションを生成するキャビテーション駆動の機構は、その後にゲル化、架橋、安定化される、小さく均一な前駆体液滴や分散ポリマードメインの形成にも役立ちます。

超音波処理でバイオ潤滑剤の製造を最適化

潤滑剤メーカーにとって最も重要な問いの一つは、超音波処理を生産ラインに確実に組み込めるかどうかです。Hielscherの超音波処理装置なら、その答えは明確に「はい」です。Hielscherの高性能超音波処理装置は、連続運転、インライン処理、既存の生産ラインへのシームレスな統合を想定して設計されており、バイオ潤滑剤の工業生産のための強力で信頼性の高いソリューションとなっています。
典型的な産業用設備では、潤滑剤のプレミックス、添加剤スラリー、油とアルコールの反応混合物、またはエマルション供給液をポンプで超音波フローセルに送り込み、そこで精密に制御された超音波エネルギーにさらします。振幅、圧力、温度、流量、滞留時間、比エネルギー投入量などの主要なプロセスパラメーターは、正確に調整・監視でき、自動的に記録されます。この高度な制御性により、潤滑剤メーカーは、再現性のある配合品質、検証済みの生産手順、研究開発試験からパイロット生産、さらに工業生産の全処理能力に至るまでの一貫したスケールアップに必要な、プロセスの確実性を得られます。
バイオ潤滑剤メーカーにとって、このスケールアップ性は特に重要です。配合への要求がますます厳しくなっているためです。顧客は持続可能な製品を期待すると同時に、従来の石油系潤滑剤と同等以上の性能も期待しています。Hielscherの超音波処理装置は、出力、信頼性、制御性、直線的なスケールアップ性を、一つの堅牢な超音波プラットフォームに組み合わせることで、メーカーがこの隔たりを埋めるのを支援します。これらの利点により、Hielscherの超音波処理装置は、高品質なバイオ由来潤滑剤配合物のために産業用グレードの超音波処理を必要とする企業にとって、優先的に選ばれる装置となっています。

 
下表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高の品質と設計基準でよく知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業設備に円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証を取得した企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

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