Biosmērvielu ražošana: procesa intensifikācija ar ultraskaņas apstrādi

Smērvielu nozare ieiet izšķirošā receptūru inovāciju posmā. Rūpnieciskajiem lietotājiem, mobilitātes nozarēm, jūras transporta operatoriem un videi jutīgām lietojuma jomām pārejot uz bioloģiski noārdāmām un atjaunojamām alternatīvām, smērvielu ražotāji saskaras ar arvien lielāku spiedienu nodrošināt augstas veiktspējas biosmērvielas, neapdraudot viskozitātes kontroli, oksidatīvo stabilitāti, aizsardzību pret nodilumu vai stabilitāti ilgstošas uzglabāšanas laikā. Tirgus analītiķi ziņo par nepārtrauktu biosmērvielu tirgus izaugsmi, ko veicina pieprasījums pēc bioloģiski noārdāmiem, mazāku emisiju un ilgtspējīgiem smērvielu risinājumiem transporta un rūpnieciskajam lietojumam.

Biosmērvielu ražošana ar ultraskaņu: procesa intensifikācija ilgtspējīgu smērvielu iegūšanai

Šajā kontekstā ultraskaņas apstrāde kļūst arvien nozīmīgāka rūpniecībā kā daudzpusīga biosmērvielu ražošanas tehnoloģija. Lielas jaudas ultraskaņu var izmantot disperģēšanai ar ultraskaņu, sonoķīmiskai pāresterificēšanai, emulģēšanai un mikrogēla daļiņu iegūšanai, nodrošinot receptūru izstrādātājiem uzticamu rīku gan ķīmiskās konversijas, gan receptūru fizikālās kvalitātes uzlabošanai. Tādējādi apstrāde ar ultraskaņu ir ļoti efektīva tehnoloģija, ko izmanto biosmēreļļu, bioloģiskas izcelsmes plastisko smērvielu, biosmērvielu uz ūdens bāzes un pārtikas rūpniecībai piemērotu smērvielu ražošanā.

Kāpēc ultraskaņas apstrāde ir svarīga biosmērvielu ražotājiem

Biosmērvielu pamatā bieži ir sarežģītas izejvielu sistēmas: augu eļļas, sintētiskie esteri, bioloģiskas izcelsmes polimēri, celulozes atvasinājumi, funkcionālās piedevas, antioksidanti, korozijas inhibitori, pretnodiluma piedevas, berzes modifikatori un fāzes uz ūdens bāzes vai emulsiju tipa fāzes. Šīs sastāvdaļas var ievērojami atšķirties pēc polaritātes, viskozitātes, daļiņu izmēra, šķīdības un uzvedības fāžu saskarnē. Parastie maisītāji, rotora–statora sistēmas vai ilgstoša maisīšana periodiskā režīmā ne vienmēr var nodrošināt pietiekamu enerģijas blīvumu, lai iegūtu smalkas, stabilas dispersijas vai ātras reakcijas fāžu saskarnē.
Apstrāde ar ultraskaņu risina šīs problēmas ar akustiskās kavitācijas palīdzību. Ievadot šķidrumos augstas intensitātes ultraskaņu, veidojas, aug un sabrūk mikroskopiski kavitācijas burbuļi. Tas rada lokāli intensīvu bīdi, intensīvu mikrosajaukšanos, turbulenci, daļiņu deaglomerāciju un reaktīvas zonas, kas var paātrināt masas pārnesi un ķīmiskās reakcijas. Pāresterificēšanas pētījumos ultraskaņa ir plaši pētīta kā veids, kā pārvarēt lēnu reakciju kinētiku un neefektīvu saskari starp eļļas un spirta fāzēm.
Smērvielu ražotājiem tas nozīmē, ka ultraskaņa nav tikai laboratorijas homogenizācijas metode. Tā ir procesa intensifikācijas tehnoloģija, kas var palīdzēt ražot stabilākas, viendabīgākas un efektīvākas bioloģiskas izcelsmes smērvielu receptūras.
 

Zondes tipa ultraskaņas dispergators rada augstas veiktspējas biosmērvielas.
(Pētījums un attēls: Liu et al., 2020)

Bioloģiskas izcelsmes smērvielu piedevu disperģēšana ar ultraskaņu

Viens no galvenajiem izaicinājumiem biosmērvielu formulēšanā ir bioloģiskas izcelsmes piedevu viendabīga iestrāde. Tādi materiāli kā karboksimetilceluloze, celulozes nanošķiedras, biopolimēri, dabiskie sveķi, lignīna atvasinājumi, bioloģiskas izcelsmes biezinātāji un funkcionālas nanodaļiņas var būtiski ietekmēt viskozitāti, eļļošanas spēju, pretnodiluma īpašības, plēves veidošanos un suspensijas stabilitāti. Tomēr šiem materiāliem bieži ir tendence aglomerēties, lēni hidratēties vai veidot nevienmērīgas gela struktūras.
Disperģēšana ar ultraskaņu palīdz ražotājiem samazināt aglomerātus un vienmērīgāk sadalīt piedevas visā smērvielas matricā. Tas ir īpaši vērtīgi ūdens bāzes smērvielām, nanosmērvielām, plastiskajām smērvielām līdzīgām sistēmām un emulsiju bāzes biosmērvielām. Jaunākie pētījumi par celulozes bāzes sistēmām liecina, ka apstrāde ar ultraskaņu var būtiski ietekmēt disperģēšanās raksturu, reoloģiju un tīkla struktūru, tādēļ tā ir noderīga apstrādes metode celulozi saturošu kompozīciju īpašību pielāgošanai.

Smērvielu ražotājiem labāka disperģēšana var nodrošināt:

• Vienmērīgāku viskozitāti un reoloģiskās īpašības
• Uzlabotu piedevu efektivitāti pie mazākām devām
• Mazāku sedimentāciju, fāžu atdalīšanos vai cieto daļiņu uzpeldēšanu
• Labāk reproducējamas triboloģiskās īpašības
• Īsāku apstrādes laiku salīdzinājumā ar ilgstošu mehānisko maisīšanu

Karboksimetilceluloze ir īpaši nozīmīga, jo to plaši izmanto kā celulozes atvasinājumu ar noderīgām viskozitātes, virsmas un plēves veidošanas īpašībām. Smērvielu sistēmās apstrāde ar ultraskaņu var palīdzēt iestrādāt CMC un citus biopolimērus stabilās ūdens vai emulsiju kompozīcijās, veicinot videi labvēlīgāku smērvielu izstrādi ar kontrolētām plūstamības īpašībām un uzlabotu kompozīcijas stabilitāti.
 

Biosmērvielas ar ultraskaņā disperģētu karboksimetilcelulozi. Disperģēšana ar ultraskaņu nodrošina ilgstoši stabilas nanobiosmērvielas
Pētījums un attēli: ©Rahmadiawan et al., 2022

Sonoķīmiskā pāresterificēšana diesteru un esteru bāzes biosmērvielu iegūšanai

Esteri ir vieni no nozīmīgākajiem bāzes šķidrumiem augstas veiktspējas biosmērvielām. Atkarībā no izejvielas un molekulārās struktūras tie var nodrošināt labu eļļošanas spēju, augstu viskozitātes indeksu, bioloģisko noārdāmību un labvēlīgas īpašības zemā temperatūrā. Diesteri un poliolu esteri ir īpaši nozīmīgi tādos lietojumos kā hidrauliskie šķidrumi, kompresoru eļļas, metālapstrādes šķidrumi, motorzāģu eļļas, kuģniecības smērvielas un speciālās rūpnieciskās smērvielas.
Viens no daudzsološiem ultraskaņas lietojumiem ir esteru sonoķīmiskā iegūšana ar pāresterificēšanu. Tradicionālajā pāresterificēšanā savstarpēji nesajaucamiem reaģentiem, piemēram, eļļām un spirtiem, bieži nepieciešama intensīva maisīšana, paaugstināta temperatūra, katalizatori un ilgs reakcijas laiks. Ultraskaņa uzlabo masas pārnesi, veidojot smalkas emulsijas starp reaģentu fāzēm un nepārtraukti atjaunojot fāžu saskares virsmu, uz kuras notiek reakcija.
Pāresterificēšana ar ultraskaņas palīdzību ir atzīta metode ar labi pierādītām priekšrocībām, piemēram, lielāku reakcijas ātrumu, labāku kontaktu starp fāzēm, īsāku atdalīšanas laiku, augstu iznākumu un samazinātu atkritumu veidošanos piemērotos apstākļos. Smērvielu ražotāji izmanto pāresterificēšanu ar ultraskaņu, lai ražotu esteru bāzes biosmērvielu komponentus, tostarp diesterus un citas funkcionālas esteru struktūras.

Pāresterificēšana ar ultraskaņu palīdz ražotājiem:

• Uzlabot kontaktu starp eļļas, spirta un katalizatora fāzēm
• Samazināt reakcijas laiku, intensificējot masas pārnesi starp fāzēm
• Veicināt apstrādi zemākas temperatūras vai lielākas energoefektivitātes procesa parametru diapazonos
• Uzlabot ķīmiskās pārvēršanās pakāpes vienmērīgumu periodiskā vai nepārtrauktā ražošanā
• Nodrošināt kompaktas reaktoru konstrukcijas mērogojamai esteru ražošanai

Uzņēmumiem, kas ražo biosmērvielu bāzes komponentus, ultraskaņa sniedz iespēju intensificēt esterificēšanas un pāresterificēšanas procesus, vienlaikus veicinot tīrāku un efektīvāku ražošanu.

Smērvielu formulējumu emulģēšana ar ultraskaņu

Daudzas mūsdienu biosmērvielas nav vienkāršas vienfāzes eļļas. Tās var ietvert ūdens emulsijas eļļā, eļļas emulsijas ūdenī, piedevu koncentrātus, vaska dispersijas, ar polimēriem modificētas sistēmas vai kompleksus daudzfāžu sastāvus. Šo emulsiju kvalitāte tieši ietekmē stabilitāti uzglabāšanas laikā, eļļošanas spēju, dzesēšanas efektivitāti, aizsardzību pret koroziju un īpašības lietošanas laikā.
Emulģēšana ar ultraskaņu ir ļoti efektīva, jo kavitācija rada intensīvus lokālus bīdes spēkus, kas sadala pilienus mazākos pilienos un nodrošina šauru pilienu izmēru sadalījumu. Smērvielu ražošanā to var izmantot, lai emulģētu bioloģiskas izcelsmes eļļas, esteru fāzes, ūdens fāzes, virsmaktīvās vielas, polimēru stabilizatorus un funkcionālās piedevas, iegūstot stabilus formulējumus.

Tas ir īpaši būtiski šādiem produktiem:

• Biosmērvielas uz ūdens bāzes
• Metālapstrādes šķidrumi un griešanas šķidrumi
• Hidrauliskie šķidrumi ar atjaunojamas izcelsmes komponentiem
• Emulsiju tipa plastiskās smērvielas un puscietās smērvielas
• Piedevu koncentrāti un iepriekš sagatavotas dispersijas
• Smērvielu sistēmas, kas satur biopolimērus vai celulozes atvasinājumus

Smalku emulsiju veidošana uzlabo smērvielu formulējumu fizikālo stabilitāti un var mazināt nepieciešamību pēc pārmērīga virsmaktīvo vielu daudzuma. Ražotājiem tas sniedz priekšrocības gan veiktspējas, gan izmaksu ziņā: uzlabotu stabilitāti, efektīvāku piedevu izmantošanu un lielāku elastību formulējumu izstrādē.

Apstrāde ar ultraskaņu emulsiju mikrogelu daļiņu iegūšanai

Vēl viena jauna attīstības joma ir emulsiju mikrogelu daļiņu ražošana progresīviem smērvielu formulējumiem. Mikrogeli var darboties kā reoloģisko īpašību modifikatori, aktīvo sastāvdaļu nesēji, berzes modifikatori vai uz iedarbību reaģējoši struktūrveidotāji. Bioloģiskas izcelsmes smērvielu sistēmās mikrogelu daļiņas var ražot no dabīgiem polimēriem, modificētas celulozes, polisaharīdiem, olbaltumvielām vai citām atjaunojamas izcelsmes polimēru sistēmām.
Apstrāde ar ultraskaņu veicina mikrogelu sagatavošanu, nodrošinot kontrolētu emulģēšanu, pilienu izmēra samazināšanu, polimēru disperģēšanu un fāžu strukturēšanu. Tie paši kavitācijas izraisītie mehānismi, kas rada smalkas emulsijas, var arī palīdzēt veidot mazus, viendabīgus prekursoru pilienus vai disperģētus polimēru domēnus, kurus pēc tam pārvērš gelā, šķērssaista vai stabilizē.

Optimizējiet savu biosmērvielu ražošanu ar apstrādi ar ultraskaņu

Viens no svarīgākajiem jautājumiem smērvielu ražotājiem ir tas, vai apstrādi ar ultraskaņu var droši integrēt ražošanas līnijās. Izmantojot Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas, atbilde ir nepārprotami apstiprinoša. Hielscher augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes iekārtas ir izstrādātas nepārtrauktai darbībai, apstrādei plūsmā un netraucētai integrācijai esošajās ražošanas līnijās, tādēļ tās ir jaudīgs un uzticams risinājums biosmērvielu rūpnieciskai ražošanai.
Tipiskā rūpnieciskā konfigurācijā smērvielas sākotnējo maisījumu, piedevu suspensiju, eļļas un spirta reakcijas maisījumu vai padeves emulsiju sūknē caur ultraskaņas plūsmas šūnu, kur to pakļauj precīzi kontrolētas ultraskaņas enerģijas iedarbībai. Galvenos procesa parametrus, piemēram, amplitūdu, spiedienu, temperatūru, plūsmas ātrumu, uzturēšanās laiku un īpatnējo enerģijas ievadi, var precīzi regulēt un uzraudzīt, un tie tiek automātiski dokumentēti. Šī augstā procesa vadāmība nodrošina smērvielu ražotājiem procesa drošumu, kas nepieciešams reproducējamai sastāvu kvalitātei, validētiem ražošanas protokoliem un konsekventai mēroga palielināšanai no pētniecības un izstrādes izmēģinājumiem līdz pilotražošanai un pilnai rūpnieciskajai ražībai.
Biosmērvielu ražotājiem šī mērogojamība ir īpaši svarīga, jo prasības pret sastāviem kļūst arvien stingrākas. Klienti sagaida ilgtspējīgus produktus, taču viņi sagaida arī tādu pašu vai labāku veiktspēju nekā parastajām smērvielām uz naftas bāzes. Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas palīdz ražotājiem pārvarēt šo plaisu, vienā izturīgā ultraskaņas platformā apvienojot jaudu, uzticamību, vadāmību un lineāru mērogojamību. Šīs priekšrocības padara Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas par vēlamo izvēli uzņēmumiem, kuriem nepieciešama rūpnieciska līmeņa apstrāde ar ultraskaņu augstas kvalitātes bioloģiskas izcelsmes smērvielu sastāvu iegūšanai.

 
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas ir plaši pazīstamas ar saviem augstākajiem kvalitātes un konstrukcijas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj netraucēti integrēt mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtas rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes iekārtām ar vismodernākajām tehnoloģijām un lietošanas ērtumu. Protams, Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas atbilst CE prasībām, kā arī UL, CSA un RoHs prasībām.

Literatūra / Atsauces

• 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.