Produkcja biopłynów smarowych: intensyfikacja procesu za pomocą ultradźwięków

Branża smarów wkracza w decydującą fazę innowacji w zakresie receptur. W miarę jak użytkownicy przemysłowi, sektory transportu, operatorzy morscy oraz branże wymagające szczególnej troski o środowisko przechodzą na biodegradowalne i odnawialne alternatywy, producenci smarów znajdują się pod rosnącą presją, by dostarczać wysokowydajne biosmary bez uszczerbku dla kontroli lepkości, stabilności oksydacyjnej, ochrony przed zużyciem czy długoterminowej stabilności podczas przechowywania. Analitycy rynkowi odnotowują stały wzrost popytu na biopłynne smary, napędzany zapotrzebowaniem na biodegradowalne, niskoemisyjne i zrównoważone rozwiązania smarne w sektorze transportowym i zastosowaniach przemysłowych.

Ultradźwiękowa produkcja biopłynów smarowych: intensyfikacja procesu w celu uzyskania zrównoważonych płynów smarowych

W tym kontekście przetwarzanie ultradźwiękowe, znane również jako sonikacja, zyskuje na znaczeniu w przemyśle jako wszechstronna technologia produkcji biopłynów smarowych. Ultradźwięki o dużej mocy mogą być wykorzystywane do dyspersji ultradźwiękowej, transestryfikacji sonochemicznej, emulgowania oraz przygotowywania cząstek mikrogeli, dając formulatorom niezawodne narzędzie do poprawy zarówno konwersji chemicznej, jak i fizycznej jakości preparatu. To sprawia, że sonikacja jest wysoce wydajną techniką przetwórczą stosowaną w przypadku biopłynów smarowych, biopomad smarowych, biopłynów smarowych na bazie wody oraz smarów przeznaczonych do kontaktu z żywnością.

Dlaczego obróbka ultradźwiękowa ma znaczenie dla producentów biopłynów smarowych

Biopłynne środki smarne często opierają się na złożonych układach surowcowych: olejach roślinnych, estrach syntetycznych, polimerach pochodzenia biologicznego, pochodnych celulozy, dodatkach funkcjonalnych, przeciwutleniaczach, inhibitorach korozji, środkach przeciwzużyciowych, modyfikatorach tarcia oraz fazach na bazie wody lub emulsji. Składniki te mogą znacznie różnić się pod względem polarności, lepkości, wielkości cząstek, rozpuszczalności oraz zachowania na granicy faz. Konwencjonalne mieszalniki, układy wirnikowo-statorowe lub długotrwałe mieszanie partii nie zawsze zapewniają wystarczającą gęstość energii, aby uzyskać drobne, stabilne dyspersje lub szybkie reakcje na granicy faz.
Ultradźwiękowanie rozwiązuje te problemy dzięki kawitacji akustycznej. Gdy do cieczy wprowadza się ultradźwięki o wysokim natężeniu, powstają mikroskopijne pęcherzyki kawitacyjne, które rosną, a następnie ulegają zapadnięciu. Powoduje to powstanie miejscowego wysokiego ścinania, intensywnego mikromieszania, turbulencji, dezagregacji cząstek oraz stref reaktywnych, które mogą przyspieszyć transfer masy i reakcje chemiczne. W badaniach nad transestryfikacją ultradźwięki są szeroko analizowane jako sposób na przezwyciężenie powolnej kinetyki reakcji oraz nieefektywnego kontaktu między fazami olejową i alkoholową.
Dla producentów smarów oznacza to, że ultradźwięki to nie tylko laboratoryjna metoda homogenizacji. Jest to technologia intensyfikacji procesów, która może wspierać wytwarzanie bardziej stabilnych, jednolitych i wydajnych preparatów smarów pochodzenia biologicznego.
 

Dyspersery ultradźwiękowe typu sondowego umożliwiają wytwarzanie wysokowydajnych biopłynów smarowych.
(Badanie i ilustracja: Liu i in., 2020)

Dyspersja ultradźwiękowa dodatków do smarów pochodzenia biologicznego

Kluczowym wyzwaniem przy opracowywaniu receptur biopłynów smarowych jest równomierne wprowadzenie dodatków pochodzenia biologicznego. Materiały takie jak karboksymetyloceluloza, nanowłókna celulozowe, biopolimery, gumy naturalne, pochodne ligniny, zagęszczacze pochodzenia biologicznego oraz funkcjonalne nanocząstki mogą znacząco wpływać na lepkość, właściwości smarne, odporność na zużycie, tworzenie warstwy ochronnej oraz stabilność zawiesiny. Jednak materiały te często mają tendencję do aglomeracji, powolnego uwodnienia lub tworzenia niejednorodnych struktur żelowych.
Dyspersja ultradźwiękowa pomaga producentom ograniczyć tworzenie się aglomeratów i zapewnić bardziej równomierne rozprowadzenie dodatków w matrycy smaru. Jest to szczególnie cenne w przypadku smarów na bazie wody, nanosmarów, układów o konsystencji smaru oraz biosmarów na bazie emulsji. Najnowsze badania nad układami na bazie celulozy wskazują, że sonikacja może znacząco wpływać na zachowanie dyspersji, reologię i strukturę sieci, co czyni ją użytecznym narzędziem przetwórczym do dostosowywania receptur zawierających celulozę.

Dla producentów środków smarnych lepsza dyspersja może oznaczać:

• Bardziej stabilna lepkość i właściwości reologiczne
• Zwiększona skuteczność dodatków przy niższych dawkach
• Zmniejszone osadzanie się osadu, rozdzielanie faz lub unoszenie się cząstek stałych
• Bardziej powtarzalne właściwości tribologiczne
• Krótszy czas przetwarzania w porównaniu z długotrwałym mieszaniem mechanicznym

Karboksymetyloceluloza ma szczególne znaczenie, ponieważ jest szeroko stosowana jako pochodna celulozy o korzystnych właściwościach lepkościowych, powierzchniowych i filmotwórczych. W układach smarnych ultradźwiękowanie może pomóc w włączeniu CMC i innych biopolimerów do stabilnych preparatów wodnych lub emulsyjnych, wspierając rozwój smarów bardziej przyjaznych dla środowiska, charakteryzujących się kontrolowanym zachowaniem podczas przepływu oraz zwiększoną stabilnością preparatu.
 

Biopłynne smary z karboksymetylocelulozą zdyspergowaną ultradźwiękowo. Dyspersja ultradźwiękowa pozwala uzyskać długotrwale stabilne nanoskalowe biopłynne smary
Badanie i zdjęcia: ©Rahmadiawan i in., 2022

Transestryfikacja sonochemiczna w produkcji biopłynów smarowych na bazie diestrów i estrów

Estry należą do najważniejszych płynów bazowych stosowanych w wysokowydajnych biopłynach smarowych. W zależności od surowca i struktury molekularnej mogą one zapewniać dobrą smarowność, wysoki wskaźnik lepkości, biodegradowalność oraz korzystne właściwości w niskich temperaturach. Diestry i estry poliolowe mają szczególne znaczenie w takich zastosowaniach, jak płyny hydrauliczne, oleje do sprężarek, płyny do obróbki metali, oleje do pił łańcuchowych, smary okrętowe oraz specjalistyczne smary przemysłowe.
Jednym z obiecujących zastosowań ultradźwięków jest sonochemiczne otrzymywanie estrów w procesie transestryfikacji. W przypadku konwencjonalnej transestryfikacji niemieszalne się substancje reagujące, takie jak oleje i alkohole, często wymagają intensywnego mieszania, podwyższonych temperatur, zastosowania katalizatorów oraz wydłużonego czasu reakcji. Ultradźwięki poprawiają transfer masy poprzez tworzenie drobnych emulsji między fazami reagentów oraz ciągłe odnawianie granicy faz, na której zachodzi reakcja.
Transestryfikacja wspomagana ultradźwiękami to sprawdzona technika, która w odpowiednich warunkach zapewnia takie korzyści, jak szybsze tempo reakcji, lepszy kontakt między fazami, krótszy czas separacji, wysokie wydajności oraz mniejsze wytwarzanie odpadów. Producenci smarów stosują metodę transestryfikacji ultradźwiękowej do wytwarzania składników biosmarów na bazie estrów, w tym diestrów i innych funkcjonalnych struktur estrowych.

Transestryfikacja ultradźwiękowa pomaga producentom:

• Poprawić kontakt między fazami oleju, alkoholu i katalizatora
• Skrócenie czasu reakcji poprzez intensyfikację międzyfazowego przenoszenia masy
• Wspieranie procesów odbywających się w niższych temperaturach lub charakteryzujących się większą efektywnością energetyczną
• Poprawa spójności konwersji w produkcji seryjnej lub ciągłej
• Umożliwienie stosowania kompaktnych konstrukcji reaktorów w celu skalowalnej produkcji estrów

Dla przedsiębiorstw produkujących bazy do biosmarów technologia ultradźwiękowa stanowi sposób na zintensyfikowanie procesów estryfikacji i transestryfikacji, przyczyniając się jednocześnie do czystszego i bardziej wydajnego procesu produkcyjnego.

Emulgowanie ultradźwiękowe preparatów smarowych

Wiele współczesnych biosmarów nie jest zwykłymi olejami jednofazowymi. Mogą one obejmować emulsje typu „woda w oleju”, emulsje typu „olej w wodzie”, koncentraty dodatków, dyspersje wosków, układy modyfikowane polimerami lub złożone mieszanki wielofazowe. Jakość tych emulsji ma bezpośredni wpływ na stabilność podczas przechowywania, właściwości smarne, wydajność chłodzenia, ochronę przed korozją oraz zachowanie podczas stosowania.
Emulgowanie ultradźwiękowe jest wysoce skuteczne, ponieważ kawitacja generuje intensywne lokalne siły ścinające, które rozbijają kropelki na mniejsze cząstki i zapewniają wąski rozkład wielkości kropelek. W produkcji środków smarnych metodę tę można wykorzystać do emulgowania olejów pochodzenia biologicznego, faz estrowych, faz wodnych, środków powierzchniowo czynnych, stabilizatorów polimerowych oraz dodatków funkcjonalnych w celu uzyskania stabilnych preparatów.

Ma to szczególne znaczenie w przypadku:

• biopłynne smary na bazie wody
• Płyny do obróbki metali i płyny chłodząco-smarujące
• Płyny hydrauliczne zawierające składniki pochodzące ze źródeł odnawialnych
• Smar emulsyjny i smary półstałe
• Koncentraty dodatków i predyspersje
• Układy smarujące zawierające biopolimery lub pochodne celulozy

Drobne emulgowanie poprawia stabilność fizyczną preparatów smarnych i może ograniczyć konieczność stosowania nadmiernych ilości środków powierzchniowo czynnych. Dla producentów oznacza to korzyści zarówno pod względem wydajności, jak i kosztów: większą stabilność, bardziej efektywne wykorzystanie dodatków oraz większą elastyczność w tworzeniu receptur.

Ultradźwiękowanie w celu uzyskania cząstek mikrogelu emulsyjnego

Kolejnym rozwijającym się obszarem jest produkcja cząstek mikrogeli emulsyjnych przeznaczonych do zaawansowanych receptur smarów. Mikrożele mogą pełnić rolę modyfikatorów reologii, nośników składników aktywnych, modyfikatorów tarcia lub responsywnych środków strukturyzujących. W systemach smarów pochodzenia biologicznego cząstki mikrożelu mogą być wytwarzane z polimerów naturalnych, modyfikowanej celulozy, polisacharydów, białek lub innych odnawialnych układów polimerowych.
Obróbka ultradźwiękowa wspomaga przygotowywanie mikrogeli poprzez umożliwienie kontrolowanej emulgacji, zmniejszenia wielkości kropelek, dyspersji polimerów oraz kształtowania struktury fazowej. Te same mechanizmy oparte na kawitacji, które prowadzą do powstania drobnych emulsji, mogą również pomóc w tworzeniu małych, jednolitych kropelek prekursora lub zdyspergowanych domen polimerowych, które są następnie żelowane, sieciowane lub stabilizowane.

Zoptymalizuj produkcję biosmarów dzięki sonikacji

Jednym z najważniejszych pytań dla producentów smarów jest to, czy obróbkę ultradźwiękową można niezawodnie zintegrować z liniami produkcyjnymi. W przypadku sonikatorów firmy Hielscher odpowiedź brzmi jednoznacznie: tak. Wysokowydajne sonikatory firmy Hielscher zostały zaprojektowane z myślą o pracy ciągłej, przetwarzaniu w linii produkcyjnej oraz płynnej integracji z istniejącymi liniami produkcyjnymi, co czyni je wydajnym i niezawodnym rozwiązaniem dla przemysłowej produkcji biosmarów.
W typowej instalacji przemysłowej gotowa mieszanka smarowa, zawiesina dodatków, mieszanina reakcyjna oleju i alkoholu lub emulsja są pompowane przez komorę przepływową z ultradźwiękami, gdzie poddawane są działaniu precyzyjnie kontrolowanej energii ultradźwiękowej. Kluczowe parametry procesu, takie jak amplituda, ciśnienie, temperatura, natężenie przepływu, czas przebywania oraz specyficzny wkład energii, można precyzyjnie regulować, monitorować i są one automatycznie dokumentowane. Ten wysoki poziom kontroli zapewnia producentom smarów bezpieczeństwo procesu niezbędne do uzyskania powtarzalnej jakości receptur, zatwierdzonych protokołów produkcyjnych oraz spójnego zwiększania skali produkcji od etapu badań (R)&Testy D mające na celu uruchomienie produkcji pilotażowej i osiągnięcie pełnej wydajności przemysłowej.
Dla producentów biosmarów ta skalowalność ma szczególne znaczenie, ponieważ wymagania dotyczące receptur stają się coraz bardziej rygorystyczne. Klienci oczekują produktów zgodnych z zasadami zrównoważonego rozwoju, ale jednocześnie oczekują takiej samej lub lepszej wydajności niż w przypadku konwencjonalnych smarów na bazie ropy naftowej. Sonikatory firmy Hielscher pomagają producentom wypełnić tę lukę, łącząc w jednej solidnej platformie ultradźwiękowej moc, niezawodność, możliwość regulacji oraz liniową skalowalność. Te zalety sprawiają, że sonikatory firmy Hielscher są preferowanym wyborem dla przedsiębiorstw, które potrzebują sonikacji na skalę przemysłową do wytwarzania wysokiej jakości biopochodnych preparatów smarnych.

 
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Literatura / Referencje