Productie van biologische smeermiddelen: procesintensificatie door middel van ultrasone behandeling

De smeermiddelenindustrie gaat een beslissende fase van innovatie op het gebied van samenstellingen in. Nu industriële gebruikers, de mobiliteitssector, scheepvaartbedrijven en milieugevoelige toepassingen steeds vaker kiezen voor biologisch afbreekbare en hernieuwbare alternatieven, staan smeermiddelenfabrikanten onder toenemende druk om hoogwaardige biosmeermiddelen te leveren zonder dat dit ten koste gaat van de viscositeitsregeling, de oxidatieve stabiliteit, de slijtagebescherming of de opslagstabiliteit op lange termijn. Marktanalisten melden een aanhoudende groei voor biolubricants, aangedreven door de vraag naar biologisch afbreekbare, emissiearme en duurzame smeermiddeloplossingen in transport- en industriële toepassingen.

Ultrasone productie van bioglijmiddelen: procesintensificatie voor duurzame smeermiddelen

Tegen deze achtergrond wint ultrasone verwerking, ook wel sonicatie genoemd, aan industriële relevantie als veelzijdige productietechnologie voor de vervaardiging van biolubricanten. Krachtige ultrasone golven kunnen worden gebruikt voor ultrasone dispersie, sonochemische transesterificatie, emulgering en de bereiding van microgeldeeltjes, waardoor formuleerders een krachtig hulpmiddel in handen krijgen om zowel de chemische omzetting als de fysische kwaliteit van de formulering te verbeteren. Dit maakt sonicatie tot een zeer efficiënte verwerkingstechniek die wordt toegepast bij biosmeeroliën, biosmeervetten, biolubricanten op waterbasis en smeermiddelen van voedingskwaliteit.

Waarom ultrasone verwerking belangrijk is voor fabrikanten van bioglijmiddelen

Biologische smeermiddelen zijn vaak gebaseerd op complexe grondstofsystemen: plantaardige oliën, synthetische esters, biogebaseerde polymeren, cellulosederivaten, functionele additieven, antioxidanten, corrosieremmers, antislijtage-middelen, wrijvingsmodificatoren en fasen op waterbasis of in emulsievorm. Deze ingrediënten kunnen aanzienlijk verschillen in polariteit, viscositeit, deeltjesgrootte, oplosbaarheid en grensvlakgedrag. Conventionele mengers, rotor-statorsystemen of langdurig batchroeren leveren mogelijk niet altijd voldoende energiedichtheid om fijne, stabiele dispersies of snelle grensvlakreacties te produceren.
Sonicatie biedt een oplossing voor deze uitdagingen door middel van akoestische cavitatie. Wanneer ultrasone golven met hoge intensiteit in vloeistoffen worden ingebracht, ontstaan er microscopisch kleine cavitatiebellen die groeien en vervolgens instorten. Dit leidt tot plaatselijke hoge schuifkrachten, intensieve micromenging, turbulentie, deagglomeratie van deeltjes en reactieve zones die de massaoverdracht en chemische reacties kunnen versnellen. In onderzoek naar transesterificatie is ultrasone golven uitgebreid bestudeerd als een manier om trage reactiekinetiek en inefficiënt contact tussen de olie- en alcoholfasen te overwinnen.
Voor fabrikanten van smeermiddelen betekent dit dat ultrasoon geluid niet louter een homogenisatiemethode voor in het laboratorium is. Het is een technologie voor procesintensificatie die kan bijdragen aan de productie van stabielere, uniformere en efficiëntere biobased smeermiddelformuleringen.
 

Met ultrasone dispersers van het sondetype worden hoogwaardige biosmeermiddelen geproduceerd.
(Onderzoek en afbeelding: Liu et al., 2020)

Ultrasone dispersie van bio-gebaseerde smeermiddeladditieven

Een belangrijke uitdaging bij de samenstelling van bioglijmiddelen is de homogene inwerking van bio-gebaseerde additieven. Materialen zoals carboxymethylcellulose, cellulose-nanovezels, biopolymeren, natuurlijke gommen, ligninederivaten, bio-gebaseerde verdikkingsmiddelen en functionele nanodeeltjes kunnen de viscositeit, smering, slijtagewerende eigenschappen, filmvorming en suspensiestabiliteit sterk beïnvloeden. Deze materialen hebben echter vaak de neiging om te agglomereren, langzaam te hydrateren of ongelijkmatige gelstructuren te vormen.
Ultrasone dispersie helpt fabrikanten om agglomeraten te verminderen en additieven gelijkmatiger door de smeermiddelmatrix te verspreiden. Dit is met name van groot belang voor smeermiddelen op waterbasis, nanosmeermiddelen, vetachtige systemen en biolubricanten op emulsiebasis. Recent onderzoek naar systemen op basis van cellulose toont aan dat ultrasone behandeling het dispersiegedrag, de reologie en de netwerkstructuur aanzienlijk kan beïnvloeden, waardoor het een nuttig verwerkingsinstrument is voor het afstemmen van cellulosehoudende formuleringen.

Voor fabrikanten van smeermiddelen kan een betere dispersie leiden tot:

• Een consistentere viscositeit en reologisch gedrag
• Verbeterde efficiëntie van het additief bij lagere doseringen
• Verminderde bezinking, fasescheiding of drijvende vaste stoffen
• Betere reproduceerbaarheid van de tribologische prestaties
• Kortere verwerkingstijden in vergelijking met langdurig mechanisch roeren

Carboxymethylcellulose is met name relevant omdat het op grote schaal wordt gebruikt als een cellulosederivaat met nuttige eigenschappen op het gebied van viscositeit, oppervlaktegedrag en filmvorming. In smeermiddelsystemen kan ultrasone behandeling helpen om CMC en andere biopolymeren te integreren in stabiele waterige of emulsieformuleringen, wat de ontwikkeling ondersteunt van milieuvriendelijkere smeermiddelen met een gecontroleerd vloeigedrag en een verbeterde formuleringsstabiliteit.
 

Biologische smeermiddelen met door ultrasone trillingen gedispergeerde carboxymethylcellulose. Door ultrasone dispersie ontstaan op lange termijn stabiele nano-biologische smeermiddelen
Onderzoek en afbeeldingen: ©Rahmadiawan et al., 2022

Sonochemische transesterificatie voor biolubricanten op basis van diesters en esters

Esters behoren tot de belangrijkste basisvloeistoffen voor hoogwaardige bioglijmiddelen. Afhankelijk van de grondstof en de moleculaire structuur kunnen ze een goed smeervermogen, een hoge viscositeitsindex, biologische afbreekbaarheid en gunstig gedrag bij lage temperaturen bieden. Diesters en polyolesters zijn met name belangrijk voor toepassingen zoals hydraulische vloeistoffen, compressoroliën, metaalbewerkingsvloeistoffen, kettingzaagoliën, scheeps smeermiddelen en gespecialiseerde industriële smeermiddelen.
Een veelbelovende toepassing van ultrasone trillingen is de sonochemische bereiding van esters door middel van transesterificatie. Bij conventionele transesterificatie vereisen niet-mengbare reactanten, zoals oliën en alcoholen, vaak intensief mengen, hoge temperaturen, katalysatoren en langere reactietijden. Ultrasoon geluid verbetert de massaoverdracht door fijne emulsies te creëren tussen de reactiefasen en door het grensvlak waar de reactie plaatsvindt voortdurend te vernieuwen.
Transesterificatie met behulp van ultrasone trillingen is een beproefde techniek die onder geschikte omstandigheden bewezen voordelen biedt, zoals snellere reactiesnelheden, verbeterd fasecontact, kortere scheidingstijden, hoge opbrengsten en minder afvalvorming. Fabrikanten van smeermiddelen maken gebruik van de ultrasone transesterificatiemethode om op esters gebaseerde componenten voor biologische smeermiddelen te produceren, waaronder diesters en andere functionele esterstructuren.

Ultrasone transesterificatie biedt fabrikanten de volgende voordelen:

• Het contact tussen de olie-, alcohol- en katalysatorfasen verbeteren
• De reactietijd verkorten door de massaoverdracht aan het grensvlak te intensiveren
• Ondersteuning bieden voor verwerkingsvensters bij lagere temperaturen of met een hoger energierendement
• De consistentie van de omzetting bij batch- of continue productie verbeteren
• Compacte reactorontwerpen mogelijk maken voor schaalbare esterproductie

Voor bedrijven die basisoliën voor biolubricanten produceren, biedt ultrasone technologie een manier om veresterings- en transestereringsprocessen te intensiveren en tegelijkertijd een schonere en efficiëntere productie te bevorderen.

Ultrasone emulgering van smeermiddelformuleringen

Veel moderne biosmeermiddelen zijn geen eenvoudige eenfasige oliën. Het kan gaan om water-in-olie-emulsies, olie-in-water-emulsies, additiefconcentraten, wasdispersies, met polymeren gemodificeerde systemen of complexe meerfasige samenstellingen. De kwaliteit van deze emulsies heeft een directe invloed op de opslagstabiliteit, het smeervermogen, de koelprestaties, de corrosiebescherming en het toepassingsgedrag.
Ultrasone emulgering is uiterst effectief omdat cavitatie intense lokale schuifkrachten genereert die druppeltjes in kleinere deeltjes breken en zo een smalle druppelgrootteverdeling tot stand brengen. Bij de productie van smeermiddelen kan dit worden gebruikt om biogebaseerde oliën, esterfasen, waterfasen, oppervlakteactieve stoffen, polymere stabilisatoren en functionele additieven te emulgeren tot stabiele formuleringen.

Dit geldt met name voor:

• biologische smeermiddelen op waterbasis
• Metaalbewerkingsvloeistoffen en snijvloeistoffen
• Hydraulische vloeistoffen met hernieuwbare bestanddelen
• Smeervetten op emulsiebasis en halfvaste smeermiddelen
• Additiefconcentraten en predispersies
• Smeersystemen die biopolymeren of cellulosederivaten bevatten

Een fijne emulgering verbetert de fysische stabiliteit van smeermiddelformuleringen en kan de noodzaak van een te hoge dosering van oppervlakteactieve stoffen verminderen. Voor fabrikanten biedt dit zowel prestatie- als kostenvoordelen: verbeterde stabiliteit, efficiënter gebruik van additieven en grotere flexibiliteit bij het samenstellen van formuleringen.

Ultrasone behandeling voor microgeldeeltjes in emulsie

Een ander opkomend gebied is de productie van microgeldeeltjes in emulsievorm voor geavanceerde smeermiddelformuleringen. Microgeldeeltjes kunnen fungeren als reologiemodificatoren, dragers voor actieve ingrediënten, wrijvingsmodificatoren of responsieve structureringsmiddelen. In bio-gebaseerde smeermiddelsystemen kunnen microgeldeeltjes worden geproduceerd uit natuurlijke polymeren, gemodificeerde cellulose, polysacchariden, eiwitten of andere hernieuwbare polymeersystemen.
Ultrasone bewerking ondersteunt de bereiding van microgels door gecontroleerde emulgering, verkleining van de druppelgrootte, polymeerdispersie en fasestructurering mogelijk te maken. Dezelfde door cavitatie aangedreven mechanismen die fijne emulsies opleveren, kunnen ook helpen bij het creëren van kleine, uniforme precursor-druppeltjes of gedispergeerde polymeerdomeinen die vervolgens worden gegeleerd, verknoopt of gestabiliseerd.

Optimaliseer uw productie van bioglijmiddelen met ultrasone behandeling

Een van de belangrijkste vragen voor fabrikanten van smeermiddelen is of ultrasone verwerking op betrouwbare wijze in productielijnen kan worden geïntegreerd. Met de ultrasone apparaten van Hielscher is het antwoord duidelijk ja. De hoogwaardige ultrasone apparaten van Hielscher zijn ontworpen voor continu gebruik, inline-verwerking en naadloze integratie in bestaande productielijnen, waardoor ze een krachtige en betrouwbare oplossing vormen voor de industriële productie van biolubricanten.
In een typische industriële opstelling wordt het smeermiddelmengsel, de additievenslurry, het olie-alcoholreactiemengsel of de emulsietoevoer door een ultrasone doorstroomcel gepompt, waar het wordt blootgesteld aan nauwkeurig geregelde ultrasone energie. Belangrijke procesparameters zoals amplitude, druk, temperatuur, stroomsnelheid, verblijftijd en specifieke energie-input kunnen nauwkeurig worden aangepast, bewaakt en worden automatisch gedocumenteerd. Dit hoge niveau van regelbaarheid biedt smeermiddelfabrikanten de proceszekerheid die nodig is voor reproduceerbare formuleringskwaliteit, gevalideerde productieprotocollen en consistente opschaling van R&D-proeven ter voorbereiding op de proefproductie en volledige industriële productie.
Voor producenten van biologische smeermiddelen is deze schaalbaarheid bijzonder belangrijk, omdat de eisen aan de samenstelling steeds strenger worden. Klanten verwachten duurzame producten, maar ze verwachten ook dezelfde of betere prestaties dan bij conventionele smeermiddelen op basis van aardolie. De ultrasone apparaten van Hielscher helpen fabrikanten deze kloof te overbruggen door kracht, betrouwbaarheid, regelbaarheid en lineaire schaalbaarheid te combineren in één robuust ultrasoon platform. Deze voordelen maken de ultrasone apparaten van Hielscher tot de voorkeurskeuze voor bedrijven die ultrasone bewerking op industriële schaal nodig hebben voor hoogwaardige bio-gebaseerde smeermiddelformuleringen.

 
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany

Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

Literatuur / Referenties