Produkcja biośrodków smarnych: intensyfikacja procesu za pomocą sonikacji

Branża środków smarnych wkracza w decydującą fazę innowacji w opracowywaniu formulacji. W miarę jak użytkownicy przemysłowi, sektory mobilności, operatorzy morscy oraz zastosowania w obszarach wrażliwych środowiskowo przechodzą na biodegradowalne i odnawialne alternatywy, producenci środków smarnych znajdują się pod rosnącą presją, aby dostarczać wysokowydajne biośrodki smarne bez pogorszenia kontroli lepkości, stabilności oksydacyjnej, ochrony przed zużyciem ani długoterminowej stabilności podczas przechowywania. Analitycy rynku informują o utrzymującym się wzroście rynku biośrodków smarnych, napędzanym zapotrzebowaniem na biodegradowalne rozwiązania smarne o niższej emisyjności, zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju, do zastosowań transportowych i przemysłowych.

Ultradźwiękowa produkcja biośrodków smarnych: intensyfikacja procesu wytwarzania środków smarnych zgodnych z zasadami zrównoważonego rozwoju

W tym kontekście przetwarzanie ultradźwiękowe, znane również jako sonikacja, zyskuje znaczenie przemysłowe jako wszechstronna technologia produkcji biośrodków smarnych. Ultradźwięki wysokiej mocy mogą być stosowane do dyspergowania ultradźwiękowego, transestryfikacji sonochemicznej, emulgowania i przygotowywania cząstek mikrożelu, zapewniając specjalistom opracowującym formulacje niezawodne narzędzie do poprawy zarówno konwersji chemicznej, jak i jakości fizycznej formulacji. Dzięki temu sonikacja jest wysoce wydajną techniką przetwarzania stosowaną w produkcji bioolejów smarnych, biosmarów plastycznych, biośrodków smarnych na bazie wody oraz środków smarnych dopuszczonych do kontaktu z żywnością.

Dlaczego przetwarzanie ultradźwiękowe ma znaczenie dla producentów biośrodków smarnych

Biośrodki smarne często opierają się na złożonych układach surowców: olejach roślinnych, estrach syntetycznych, polimerach pochodzenia biologicznego, pochodnych celulozy, dodatkach funkcjonalnych, przeciwutleniaczach, inhibitorach korozji, dodatkach przeciwzużyciowych, modyfikatorach tarcia oraz fazach na bazie wody lub typu emulsyjnego. Składniki te mogą znacznie różnić się polarnością, lepkością, wielkością cząstek, rozpuszczalnością oraz zachowaniem na granicy faz. Konwencjonalne mieszalniki, układy rotor–stator lub długotrwałe mieszanie w procesie okresowym nie zawsze mogą zapewnić wystarczającą gęstość energii do wytworzenia drobnych, stabilnych dyspersji lub szybkich reakcji na granicy faz.
Sonikacja pozwala sprostać tym wyzwaniom dzięki kawitacji akustycznej. Gdy do cieczy wprowadzane są ultradźwięki o wysokiej intensywności, mikroskopijne pęcherzyki kawitacyjne powstają, rosną i zapadają się. Powoduje to lokalnie intensywne ścinanie, intensywne mikromieszanie, turbulencje, deaglomerację cząstek oraz powstawanie stref reaktywnych, które mogą przyspieszać transport masy i reakcje chemiczne. W badaniach nad transestryfikacją ultradźwięki były szeroko analizowane jako sposób przezwyciężenia powolnej kinetyki reakcji i niewydajnego kontaktu między fazą olejową a alkoholową.
Dla producentów środków smarnych oznacza to, że ultradźwięki nie są jedynie laboratoryjną metodą homogenizacji. Są technologią intensyfikacji procesu, która może wspierać produkcję bardziej stabilnych, bardziej jednorodnych i bardziej wydajnych formulacji środków smarnych pochodzenia biologicznego.
 

Ultradźwiękowy dyspergator z sonotrodą wytwarza wysokowydajne biośrodki smarne.
(Badanie i zdjęcie: Liu et al., 2020)

Ultradźwiękowe dyspergowanie dodatków do środków smarnych pochodzenia biologicznego

Kluczowym wyzwaniem w opracowywaniu formulacji biośrodków smarnych jest jednorodne wprowadzenie dodatków pochodzenia biologicznego. Materiały takie jak karboksymetyloceluloza, nanowłókna celulozowe, biopolimery, gumy naturalne, pochodne ligniny, zagęstniki pochodzenia biologicznego i nanocząstki funkcjonalne mogą silnie wpływać na lepkość, smarność, właściwości przeciwzużyciowe, tworzenie filmu oraz stabilność zawiesiny. Materiały te często jednak wykazują tendencję do aglomeracji, powolnego uwadniania lub tworzenia niejednorodnych struktur żelowych.
Dyspergowanie ultradźwiękowe pomaga producentom zmniejszać aglomeraty i bardziej równomiernie rozprowadzać dodatki w całej matrycy środka smarnego. Jest to szczególnie cenne w przypadku środków smarnych na bazie wody, nanośrodków smarnych, układów przypominających smary plastyczne oraz biośrodków smarnych na bazie emulsji. Najnowsze badania nad układami na bazie celulozy pokazują, że sonikacja może znacząco wpływać na zachowanie dyspersji, reologię i strukturę sieci, co czyni ją użytecznym narzędziem przetwarzania do dostosowywania formulacji zawierających celulozę.

Dla producentów środków smarnych lepsze dyspergowanie może przekładać się na:

• Bardziej powtarzalną lepkość i właściwości reologiczne
• Większą skuteczność dodatków przy niższych dawkach
• Ograniczenie sedymentacji, rozdziału faz lub unoszenia się cząstek stałych na powierzchni
• Bardziej odtwarzalne właściwości tribologiczne
• Krótszy czas przetwarzania w porównaniu z długotrwałym mieszaniem mechanicznym

Karboksymetyloceluloza ma szczególne znaczenie, ponieważ jest szeroko stosowana jako pochodna celulozy o przydatnych właściwościach lepkościowych, powierzchniowych i błonotwórczych. W układach środków smarnych sonikacja może pomagać we wprowadzaniu CMC i innych biopolimerów do stabilnych formulacji wodnych lub emulsyjnych, wspierając opracowywanie środków smarnych o korzystniejszym profilu środowiskowym, kontrolowanych właściwościach przepływowych i zwiększonej stabilności formulacji.
 

Biośrodki smarne z karboksymetylocelulozą dyspergowaną ultradźwiękowo. Dyspergowanie ultradźwiękowe pozwala wytwarzać długotrwale stabilne nanobiośrodki smarne
Badanie i zdjęcia: ©Rahmadiawan et al., 2022

Transestryfikacja sonochemiczna w produkcji biośrodków smarnych na bazie diestrów i estrów

Estry należą do najważniejszych cieczy bazowych do wysokowydajnych biośrodków smarnych. Mogą zapewniać dobrą smarność, wysoki wskaźnik lepkości, biodegradowalność oraz korzystne właściwości w niskich temperaturach, zależnie od surowca i struktury molekularnej. Diestry i estry poliolowe mają szczególne znaczenie w zastosowaniach takich jak płyny hydrauliczne, oleje sprężarkowe, płyny do obróbki metali, oleje do pił łańcuchowych, środki smarne do zastosowań morskich oraz specjalistyczne przemysłowe środki smarne.
Jednym z obiecujących zastosowań ultradźwięków jest sonochemiczne otrzymywanie estrów przez transestryfikację. W konwencjonalnej transestryfikacji niemieszające się reagenty, takie jak oleje i alkohole, często wymagają intensywnego mieszania, podwyższonych temperatur, katalizatorów i długiego czasu reakcji. Ultradźwięki poprawiają transport masy poprzez tworzenie drobnych emulsji między fazami reagentów i ciągłe odnawianie granicy faz, na której zachodzi reakcja.
Transestryfikacja wspomagana sonikacją jest ugruntowaną techniką o dobrze potwierdzonych zaletach, takich jak większa szybkość reakcji, lepszy kontakt między fazami, krótszy czas rozdzielania, wysoka wydajność oraz ograniczenie powstawania odpadów w odpowiednich warunkach. Producenci środków smarnych stosują metodę transestryfikacji ultradźwiękowej do wytwarzania składników biośrodków smarnych na bazie estrów, w tym diestrów i innych funkcjonalnych struktur estrowych.

Transestryfikacja ultradźwiękowa pomaga producentom:

• Poprawiać kontakt między fazami oleju, alkoholu i katalizatora
• Skracać czas reakcji poprzez intensyfikację transportu masy na granicy faz
• Umożliwiać przetwarzanie w zakresach parametrów o niższej temperaturze lub większej efektywności energetycznej
• Poprawiać powtarzalność konwersji w produkcji okresowej lub ciągłej
• Umożliwiać stosowanie kompaktowych konstrukcji reaktorów do skalowalnej produkcji estrów

Przedsiębiorstwom produkującym bazy biośrodków smarnych ultradźwięki oferują sposób intensyfikacji procesów estryfikacji i transestryfikacji, jednocześnie wspierając czystszą i bardziej wydajną produkcję.

Ultradźwiękowe emulgowanie formulacji środków smarnych

Wiele nowoczesnych biośrodków smarnych nie jest prostymi olejami jednofazowymi. Mogą one obejmować emulsje typu woda w oleju, emulsje typu olej w wodzie, koncentraty dodatków, dyspersje wosków, układy modyfikowane polimerami lub złożone kompozycje wielofazowe. Jakość tych emulsji ma bezpośredni wpływ na stabilność podczas przechowywania, smarność, wydajność chłodzenia, ochronę przed korozją oraz zachowanie podczas stosowania.
Emulgowanie ultradźwiękowe jest wysoce skuteczne, ponieważ kawitacja generuje intensywne lokalne siły ścinające, które rozbijają krople na mniejsze i zapewniają wąski rozkład wielkości kropel. W produkcji środków smarnych można to wykorzystać do emulgowania olejów pochodzenia biologicznego, faz estrowych, faz wodnych, środków powierzchniowo czynnych, stabilizatorów polimerowych i dodatków funkcjonalnych w stabilne formulacje.

Jest to szczególnie istotne w przypadku:

• Biośrodków smarnych na bazie wody
• Płynów do obróbki metali i cieczy obróbkowych do skrawania
• Płynów hydraulicznych ze składnikami odnawialnymi
• Smarów plastycznych typu emulsyjnego i półstałych środków smarnych
• Koncentratów dodatków i dyspersji wstępnych
• Układów środków smarnych zawierających biopolimery lub pochodne celulozy

Emulgowanie zapewniające drobne krople poprawia stabilność fizyczną formulacji środków smarnych i może ograniczać potrzebę stosowania nadmiernych ilości środków powierzchniowo czynnych. Dla producentów oznacza to korzyści zarówno pod względem właściwości użytkowych, jak i kosztów: lepszą stabilność, bardziej efektywne wykorzystanie dodatków oraz większą elastyczność w opracowywaniu formulacji.

Sonikacja w wytwarzaniu emulsyjnych cząstek mikrożelu

Kolejnym rozwijającym się obszarem jest produkcja emulsyjnych cząstek mikrożelu do zaawansowanych formulacji środków smarnych. Mikrożele mogą pełnić funkcję modyfikatorów reologii, nośników składników aktywnych, modyfikatorów tarcia lub środków strukturotwórczych reagujących na bodźce. W układach środków smarnych pochodzenia biologicznego cząstki mikrożelu mogą być wytwarzane z naturalnych polimerów, modyfikowanej celulozy, polisacharydów, białek lub innych odnawialnych układów polimerowych.
Przetwarzanie ultradźwiękowe wspomaga przygotowywanie mikrożeli, umożliwiając kontrolowane emulgowanie, zmniejszanie wielkości kropel, dyspergowanie polimerów i kształtowanie struktury faz. Te same mechanizmy wywoływane przez kawitację, które prowadzą do powstawania drobnych emulsji, mogą również pomagać w tworzeniu małych, jednorodnych kropel prekursorów lub zdyspergowanych domen polimerowych, które następnie poddaje się żelowaniu, sieciowaniu lub stabilizacji.

Zoptymalizuj produkcję biośrodków smarnych za pomocą sonikacji

Jednym z najważniejszych pytań dla producentów środków smarnych jest to, czy przetwarzanie ultradźwiękowe można niezawodnie zintegrować z liniami produkcyjnymi. W przypadku sonikatorów Hielscher odpowiedź brzmi zdecydowanie tak. Wysokowydajne sonikatory Hielscher zostały zaprojektowane do pracy ciągłej, przetwarzania w linii i płynnej integracji z istniejącymi liniami produkcyjnymi, dzięki czemu stanowią wydajne i niezawodne rozwiązanie do przemysłowej produkcji biośrodków smarnych.
W typowej instalacji przemysłowej wstępna mieszanina środka smarnego, zawiesina dodatków, mieszanina reakcyjna oleju i alkoholu lub emulsja zasilająca jest pompowana przez ultradźwiękową komorę przepływową, gdzie poddawana jest działaniu precyzyjnie kontrolowanej energii ultradźwiękowej. Kluczowe parametry procesu, takie jak amplituda, ciśnienie, temperatura, natężenie przepływu, czas przebywania i jednostkowy nakład energii, mogą być dokładnie regulowane i monitorowane oraz są automatycznie dokumentowane. Tak wysoki poziom sterowalności zapewnia producentom środków smarnych pewność procesu wymaganą do uzyskania odtwarzalnej jakości formulacji, zwalidowanych protokołów produkcyjnych i spójnego zwiększania skali od prób badawczo-rozwojowych przez produkcję pilotażową po pełną wydajność przemysłową.
Dla producentów biośrodków smarnych ta skalowalność jest szczególnie ważna, ponieważ wymagania dotyczące formulacji stają się coraz bardziej rygorystyczne. Klienci oczekują produktów zgodnych z zasadami zrównoważonego rozwoju, ale oczekują również takich samych lub lepszych właściwości użytkowych niż w przypadku konwencjonalnych środków smarnych na bazie ropy naftowej. Sonikatory Hielscher pomagają producentom sprostać obu tym oczekiwaniom, łącząc moc, niezawodność, sterowalność i liniową skalowalność w jednej wytrzymałej platformie ultradźwiękowej. Te zalety sprawiają, że sonikatory Hielscher są preferowanym wyborem dla przedsiębiorstw, które potrzebują sonikacji klasy przemysłowej do wysokiej jakości formulacji środków smarnych pochodzenia biologicznego.

 
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i konstrukcji. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają płynną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami pracy.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne sonikatory wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i zapewniające łatwość obsługi. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Literatura / źródła

• 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.