Producția de biolubrifianți: intensificarea procesului prin sonicare

Industria lubrifianților intră într-o fază decisivă a inovării în materie de formulare. Pe măsură ce utilizatorii industriali, sectoarele de mobilitate, operatorii din domeniul maritim și aplicațiile cu impact redus asupra mediului se îndreaptă către alternative biodegradabile și regenerabile, producătorii de lubrifianți se confruntă cu o presiune tot mai mare de a furniza biolubrifianți de înaltă performanță, fără a compromite controlul vâscozității, stabilitatea la oxidare, protecția împotriva uzurii sau stabilitatea la depozitare pe termen lung. Analiștii de piață semnalează o creștere continuă a pieței biolubrifianților, determinată de cererea de soluții de lubrifiere biodegradabile, cu emisii reduse și durabile, atât în domeniul transporturilor, cât și în aplicațiile industriale.

Producția cu ultrasunete a biolubrifianților: intensificarea procesului pentru obținerea unor lubrifianți durabili

În acest context, procesarea cu ultrasunete, cunoscută și sub denumirea de sonicare, capătă o importanță din ce în ce mai mare în industrie ca tehnologie de producție versatilă pentru fabricarea biolubrifianților. Ultrasunetele de mare putere pot fi utilizate pentru dispersia ultrasonică, transesterificarea sonochimică, emulsificarea și prepararea particulelor de microgel, oferind formulatorilor un instrument robust pentru îmbunătățirea atât a conversiei chimice, cât și a calității fizice a formulării. Acest lucru face din sonicare o tehnică de procesare extrem de eficientă, utilizată în uleiurile de lubrifiere biologice, unsorile de lubrifiere biologice, biolubrifianții pe bază de apă și lubrifianții de calitate alimentară.

De ce procesarea cu ultrasunete este importantă pentru producătorii de biolubrifianți

Biolubrifianții se bazează adesea pe sisteme complexe de materii prime: uleiuri vegetale, esteri sintetici, polimeri de origine biologică, derivați ai celulozei, aditivi funcționali, antioxidanți, inhibitori de coroziune, agenți antiuzură, modificatori de frecare și faze pe bază de apă sau de tip emulsie. Aceste ingrediente pot prezenta diferențe semnificative în ceea ce privește polaritatea, vâscozitatea, dimensiunea particulelor, solubilitatea și comportamentul interfacial. Mixerele convenționale, sistemele rotor-stator sau agitare îndelungată în loturi nu asigură întotdeauna o densitate energetică suficientă pentru a produce dispersii fine și stabile sau reacții interfaciale rapide.
Sonicația abordează aceste provocări prin intermediul cavitației acustice. Atunci când ultrasunetele de intensitate ridicată sunt introduse în lichide, se formează, cresc și se prăbușesc bule microscopice de cavitație. Acest proces generează forțe de forfecare localizate ridicate, o amestecare intensă la nivel microscopic, turbulență, dezaglomerarea particulelor și zone reactive care pot accelera transferul de masă și reacțiile chimice. În cercetarea privind transesterificarea, ultrasunetele au fost studiate pe larg ca o modalitate de a depăși cinetica lentă a reacțiilor și contactul ineficient între fazele de ulei și alcool.
Pentru producătorii de lubrifianți, acest lucru înseamnă că ultrasunetele nu reprezintă doar o metodă de omogenizare de laborator. Este o tehnologie de intensificare a proceselor care poate contribui la producerea unor formulări de lubrifianți pe bază biologică mai stabile, mai uniforme și mai eficiente.
 

Dispersorul cu sondă ultrasonică permite obținerea unor biolubrifianți de înaltă performanță.
(Studiu și imagine: Liu et al., 2020)

Dispersia cu ultrasunete a aditivilor pentru lubrifianți pe bază biologică

O provocare majoră în formularea biolubrifianților o reprezintă încorporarea omogenă a aditivilor de origine biologică. Materiale precum carboximetilceluloza, nanofibrele de celuloză, biopolimerii, gumele naturale, derivații de lignină, agenții de îngroșare pe bază biologică și nanoparticulele funcționale pot influența puternic vâscozitatea, lubrifierea, performanța antiuzură, formarea peliculei și stabilitatea suspensiei. Cu toate acestea, aceste materiale au adesea tendința de a se aglomera, de a se hidrata lent sau de a forma structuri de gel neuniforme.
Dispersia cu ultrasunete ajută producătorii să reducă aglomeratele și să distribuie aditivii mai uniform în matricea lubrifiantului. Acest lucru este deosebit de util în cazul lubrifianților pe bază de apă, al nanolubrifianților, al sistemelor de tip unsoare și al biolubrifianților pe bază de emulsie. Cercetările recente privind sistemele pe bază de celuloză arată că sonicația poate influența în mod semnificativ comportamentul de dispersie, reologia și structura rețelei, ceea ce o face un instrument util de procesare pentru optimizarea formulărilor care conțin celuloză.

Pentru producătorii de lubrifianți, o dispersie mai bună se poate traduce prin:

• O vâscozitate și un comportament reologic mai uniforme
• Eficiență îmbunătățită a aditivilor la doze mai mici
• Sedimentare redusă, separare de faze sau solide plutitoare
• Performanțe tribologice mai reproductibile
• Timp de procesare mai scurt în comparație cu agitare mecanică prelungită

Carboximetilceluloza prezintă o importanță deosebită, deoarece este utilizată pe scară largă ca derivat al celulozei, având proprietăți utile în ceea ce privește vâscozitatea, proprietățile de suprafață și capacitatea de formare a peliculei. În sistemele de lubrifianți, sonicația poate contribui la integrarea CMC și a altor biopolimeri în formulări stabile, apoase sau sub formă de emulsie, sprijinind dezvoltarea unor lubrifianți mai ecologici, cu un comportament de curgere controlat și o stabilitate îmbunătățită a formulării.
 

Biolubrifianți cu carboximetilceluloză dispersată prin ultrasunete. Dispersia prin ultrasunete permite obținerea unor nano-biolubrifianți stabili pe termen lung
Studiu și imagini: ©Rahmadiawan et al., 2022

Transesterificarea sonochimică pentru biolubrifianți pe bază de diesteri și esteri

Esterii se numără printre cele mai importante fluide de bază pentru biolubrifianții de înaltă performanță. Aceștia pot oferi o lubrifiere bună, un indice de vâscozitate ridicat, biodegradabilitate și un comportament favorabil la temperaturi scăzute, în funcție de materia primă și de structura moleculară. Diesterii și esterii de poliol sunt deosebit de importanți pentru aplicații precum fluidele hidraulice, uleiurile pentru compresoare, fluidele pentru prelucrarea metalelor, uleiurile pentru ferăstraie cu lanț, lubrifianții marini și lubrifianții industriali de specialitate.
O aplicație promițătoare a ultrasunetelor este prepararea sonochimică a esterilor prin transesterificare. În transesterificarea convențională, reactanții imiscibili, precum uleiurile și alcoolii, necesită adesea o agitare intensă, temperaturi ridicate, catalizatori și timpi de reacție prelungiți. Ultrasunetele îmbunătățesc transferul de masă prin crearea unor emulsii fine între fazele reactanților și prin reînnoirea continuă a interfeței unde are loc reacția.
Transesterificarea asistată de ultrasunete este o tehnică consacrată, care și-a dovedit eficiența prin avantaje precum viteze de reacție mai mari, un contact îmbunătățit între faze, timpi de separare mai scurți, randamente ridicate și reducerea cantității de deșeuri generate, în condiții adecvate. Producătorii de lubrifianți utilizează metoda transesterificării cu ultrasunete pentru a produce componente de biolubrifianți pe bază de esteri, inclusiv diesteri și alte structuri funcționale de esteri.

Transesterificarea cu ultrasunete ajută producătorii:

• Îmbunătățirea contactului dintre fazele de ulei, alcool și catalizator
• Reducerea timpului de reacție prin intensificarea transferului de masă interfacial
• Să permită intervale de procesare la temperaturi mai scăzute sau cu un consum energetic mai redus
• Îmbunătățirea uniformității conversiei în producția în serie sau continuă
• Permite realizarea unor reactoare de dimensiuni reduse pentru producția scalabilă de esteri

Pentru companiile care produc uleiuri de bază pentru biolubrifianți, ultrasunetele oferă o soluție pentru intensificarea proceselor de esterificare și transesterificare, contribuind în același timp la un proces de fabricație mai ecologic și mai eficient.

Emulsificarea cu ultrasunete a formulelor de lubrifianți

Multe biolubrifianți moderni nu sunt simple uleiuri monofazice. Aceștia pot include emulsii de tip „apă în ulei”, emulsii de tip „ulei în apă”, concentrate de aditivi, dispersii de ceară, sisteme modificate cu polimeri sau amestecuri multifazice complexe. Calitatea acestor emulsii are un impact direct asupra stabilității la depozitare, a lubrifierii, a performanței de răcire, a protecției împotriva coroziunii și a comportamentului în timpul aplicării.
Emulsificarea cu ultrasunete este extrem de eficientă, deoarece cavitația generează forțe de forfecare locale intense, care fragmentează picăturile în particule mai mici și creează distribuții înguste ale dimensiunilor picăturilor. În producția de lubrifianți, această tehnică poate fi utilizată pentru a emulsifica uleiuri de origine biologică, faze de esteri, faze apoase, agenți tensioactivi, stabilizatori polimerici și aditivi funcționali, obținându-se astfel formulări stabile.

Acest lucru este deosebit de relevant pentru:

• biolubrifianți pe bază de apă
• Fluide pentru prelucrarea metalelor și fluide de tăiere
• Fluide hidraulice cu componente regenerabile
• Unsori de tip emulsie și lubrifianți semisolizi
• Concentrate de aditivi și predispersii
• Sisteme de lubrifiere care conțin biopolimeri sau derivați ai celulozei

Emulsificarea fină îmbunătățește stabilitatea fizică a formulelor lubrifianților și poate reduce necesitatea utilizării unei cantități excesive de agenți tensioactivi. Pentru producători, acest lucru oferă avantaje atât din punct de vedere al performanței, cât și al costurilor: stabilitate îmbunătățită, utilizare mai eficientă a aditivilor și o mai mare flexibilitate în formulare.

Sonicația pentru obținerea particulelor de microgel sub formă de emulsie

Un alt domeniu în plină dezvoltare este producția de particule de microgel în emulsie pentru formulări avansate de lubrifianți. Microgelurile pot acționa ca modificatori reologici, purtători de ingrediente active, modificatori de frecare sau agenți de structurare cu reacție. În sistemele de lubrifianți pe bază biologică, particulele de microgel pot fi produse din polimeri naturali, celuloză modificată, polizaharide, proteine sau alte sisteme polimerice regenerabile.
Prelucrarea cu ultrasunete facilitează prepararea microgelurilor, permițând emulsificarea controlată, reducerea dimensiunii picăturilor, dispersia polimerilor și structurarea fazelor. Aceleași mecanisme bazate pe cavitație care generează emulsii fine pot contribui, de asemenea, la crearea unor picături mici și uniforme de precursor sau a unor domenii polimerice dispersate, care sunt ulterior gelificate, reticulate sau stabilizate.

Optimizați producția de biolubricanți cu ajutorul sonicației

Una dintre cele mai importante întrebări pentru producătorii de lubrifianți este dacă procesarea cu ultrasunete poate fi integrată în mod fiabil în liniile de producție. Cu sonicatoarele Hielscher, răspunsul este clar „da”. Sonicatoarele de înaltă performanță Hielscher sunt proiectate pentru funcționare continuă, prelucrare în linie și integrare perfectă în liniile de producție existente, ceea ce le face o soluție puternică și fiabilă pentru producția industrială de biolubrifianți.
Într-o configurație industrială tipică, amestecul preliminar de lubrifiant, suspensia de aditivi, amestecul de reacție ulei-alcool sau alimentarea cu emulsie sunt pompate printr-o celulă de curgere cu ultrasunete, unde sunt expuse la o energie ultrasonică controlată cu precizie. Parametrii-cheie ai procesului, precum amplitudinea, presiunea, temperatura, debitul, timpul de staționare și aportul specific de energie, pot fi reglați cu precizie, monitorizați și sunt înregistrați automat. Acest nivel ridicat de controlabilitate oferă producătorilor de lubrifianți siguranța procesului necesară pentru o calitate reproductibilă a formulării, protocoale de producție validate și o extindere la scară mai mare de la R&D teste pentru trecerea la producția pilot și la capacitatea industrială maximă.
Pentru producătorii de biolubrifianți, această scalabilitate este deosebit de importantă, deoarece cerințele privind formularea devin din ce în ce mai stricte. Clienții se așteaptă la produse durabile, dar se așteaptă, de asemenea, la o performanță egală sau superioară celei oferite de lubrifianții convenționali pe bază de petrol. Sonicatoarele Hielscher ajută producătorii să acopere această diferență, combinând puterea, fiabilitatea, controlabilitatea și scalabilitatea liniară într-o singură platformă ultrasonică robustă. Aceste avantaje fac din sonicatoarele Hielscher alegerea preferată a companiilor care au nevoie de sonicare la nivel industrial pentru formulări de lubrifianți pe bază biologică de înaltă calitate.

 
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Literatură / Referințe