Производство биосмазочных материалов: интенсификация процессов с помощью обработки ультразвуком

Отрасль смазочных материалов вступает в решающий этап разработки инновационных составов. По мере того как промышленные потребители, транспортные отрасли, морские операторы и сферы применения с повышенными экологическими требованиями переходят на биоразлагаемые и возобновляемые альтернативы, производители смазочных материалов испытывают всё большее давление: им необходимо поставлять высокоэффективные биосмазочные материалы без ущерба для контроля вязкости, окислительной стабильности, защиты от износа или стабильности при длительном хранении. Аналитики рынка сообщают о продолжающемся росте рынка биосмазочных материалов, обусловленном спросом на биоразлагаемые, экологически устойчивые смазочные материалы с более низким уровнем выбросов для транспортных и промышленных применений.

Ультразвуковое производство биосмазочных материалов: интенсификация процессов для экологически устойчивых смазочных материалов

На этом фоне ультразвуковая обработка, также известная как обработка ультразвуком, приобретает промышленное значение как универсальная технология производства биосмазочных материалов. Ультразвук высокой мощности может применяться для ультразвукового диспергирования, сонохимической переэтерификации, эмульгирования и получения микрогелевых частиц, предоставляя разработчикам составов надёжный инструмент для повышения как степени химического превращения, так и качества физических характеристик состава. Благодаря этому обработка ультразвуком является высокоэффективным методом, применяемым при производстве биосмазочных масел, биосмазочных пластичных смазок, биосмазочных материалов на водной основе и смазочных материалов для пищевой промышленности.

Почему ультразвуковая обработка важна для производителей биосмазочных материалов

Биосмазочные материалы часто основаны на сложных сырьевых системах: растительных маслах, синтетических сложных эфирах, полимерах биологического происхождения, производных целлюлозы, функциональных присадках, антиоксидантах, ингибиторах коррозии, противоизносных присадках, модификаторах трения и фазах на водной основе или эмульсионного типа. Эти компоненты могут существенно различаться по полярности, вязкости, размеру частиц, растворимости и поведению на межфазной границе. Обычные смесители, роторно-статорные системы или длительное перемешивание в периодическом режиме не всегда могут обеспечить достаточную плотность энергии для получения тонкодисперсных стабильных дисперсий или быстрых межфазных реакций.
Обработка ультразвуком решает эти задачи за счёт акустической кавитации. При введении ультразвука высокой интенсивности в жидкости образуются, растут и схлопываются микроскопические кавитационные пузырьки. Это создаёт локальный интенсивный сдвиг, интенсивное микроперемешивание, турбулентность, деагломерацию частиц и реакционные зоны, которые могут ускорять массоперенос и химические реакции. В исследованиях переэтерификации ультразвук широко изучался как способ преодоления медленной кинетики реакции и неэффективного контакта между масляной и спиртовой фазами.
Для производителей смазочных материалов это означает, что ультразвук является не просто лабораторным методом гомогенизации. Это технология интенсификации процессов, которая может способствовать получению более стабильных, более однородных и более эффективных составов смазочных материалов на основе биологического сырья.
 

Ультразвуковой диспергатор зондового типа позволяет создавать высокоэффективные биосмазочные материалы.
(Исследование и изображение: Liu et al., 2020)

Ультразвуковое диспергирование присадок биологического происхождения для смазочных материалов

Одна из ключевых задач при разработке биосмазочных материалов – однородное введение присадок биологического происхождения. Такие материалы, как карбоксиметилцеллюлоза, целлюлозные нановолокна, биополимеры, природные камеди, производные лигнина, загустители биологического происхождения и функциональные наночастицы, могут существенно влиять на вязкость, смазывающую способность, противоизносные свойства, плёнкообразование и стабильность суспензии. Однако эти материалы часто склонны к агломерации, медленной гидратации или образованию неоднородных гелевых структур.
Ультразвуковое диспергирование помогает производителям уменьшать агломераты и более равномерно распределять присадки по всей матрице смазочного материала. Это особенно ценно для смазочных материалов на водной основе, наносмазочных материалов, систем типа пластичных смазок и биосмазочных материалов на основе эмульсий. Недавние исследования систем на основе целлюлозы показывают, что обработка ультразвуком может существенно влиять на характер диспергирования, реологию и структуру сетки, что делает её полезным технологическим инструментом для регулирования свойств целлюлозосодержащих составов.

Для производителей смазочных материалов улучшенное диспергирование может означать:

• Более постоянную вязкость и более стабильные реологические характеристики
• Повышенную эффективность присадок при меньших дозировках
• Уменьшение оседания, разделения фаз или всплывания твёрдых частиц
• Более воспроизводимые трибологические характеристики
• Сокращение времени обработки по сравнению с длительным механическим перемешиванием

Карбоксиметилцеллюлоза особенно актуальна, поскольку широко применяется как производное целлюлозы с полезными вязкостными, поверхностными и плёнкообразующими свойствами. В смазочных системах обработка ультразвуком может помочь включить CMC и другие биополимеры в стабильные водные или эмульсионные составы, способствуя разработке смазочных материалов с улучшенными экологическими характеристиками, контролируемым характером течения и повышенной стабильностью состава.
 

Биосмазочные материалы с карбоксиметилцеллюлозой, диспергированной ультразвуком. Ультразвуковое диспергирование позволяет получать нанобиосмазочные материалы, стабильные в течение длительного времени
Исследование и изображения: ©Rahmadiawan et al., 2022

Сонохимическая переэтерификация для биосмазочных материалов на основе диэфиров и других сложных эфиров

Сложные эфиры относятся к важнейшим базовым жидкостям для высокоэффективных биосмазочных материалов. В зависимости от сырья и молекулярной структуры они могут обеспечивать хорошую смазывающую способность, высокий индекс вязкости, биоразлагаемость и благоприятные низкотемпературные характеристики. Диэфиры и сложные эфиры полиолов особенно важны для таких применений, как гидравлические жидкости, компрессорные масла, жидкости для металлообработки, масла для цепных пил, морские смазочные материалы и специальные промышленные смазочные материалы.
Одно из перспективных применений ультразвука – сонохимическое получение сложных эфиров путём переэтерификации. При обычной переэтерификации несмешивающиеся реагенты, например масла и спирты, часто требуют интенсивного перемешивания, повышенных температур, катализаторов и длительного времени реакции. Ультразвук улучшает массоперенос, создавая мелкодисперсные эмульсии фаз реагентов и непрерывно обновляя межфазную границу, на которой протекает реакция.
Переэтерификация с применением обработки ультразвуком является устоявшимся методом с хорошо подтверждёнными преимуществами, такими как повышение скорости реакции, улучшение контакта фаз, сокращение времени разделения, высокий выход и уменьшение образования отходов при подходящих условиях. Производители смазочных материалов используют метод ультразвуковой переэтерификации для получения компонентов биосмазочных материалов на основе сложных эфиров, включая диэфиры и другие функциональные структуры сложных эфиров.

Ультразвуковая переэтерификация помогает производителям:

• Улучшать контакт между фазами масла, спирта и катализатора
• Сокращать время реакции за счёт интенсификации межфазного массопереноса
• Обеспечивать возможность обработки в технологических диапазонах с более низкой температурой или более высокой энергоэффективностью
• Повышать стабильность степени превращения при периодическом или непрерывном производстве
• Обеспечивать возможность использования компактных конструкций реакторов для масштабируемого производства сложных эфиров

Для компаний, производящих базовые компоненты биосмазочных материалов, ультразвук открывает путь к интенсификации процессов этерификации и переэтерификации, одновременно способствуя более чистому и более эффективному производству.

Ультразвуковое эмульгирование составов смазочных материалов

Многие современные биосмазочные материалы не являются простыми однофазными маслами. Они могут включать эмульсии «вода в масле», эмульсии «масло в воде», концентраты присадок, дисперсии восков, системы, модифицированные полимерами, или сложные многофазные комплексы компонентов. Качество этих эмульсий напрямую влияет на стабильность при хранении, смазывающую способность, эффективность охлаждения, защиту от коррозии и поведение при применении.
Ультразвуковое эмульгирование высокоэффективно, поскольку кавитация создаёт интенсивные локальные силы сдвига, которые дробят капли до меньших размеров и обеспечивают узкое распределение капель по размерам. При производстве смазочных материалов это может использоваться для эмульгирования масел биологического происхождения, фаз сложных эфиров, водных фаз, поверхностно-активных веществ, полимерных стабилизаторов и функциональных присадок с получением стабильных составов.

Это особенно актуально для:

• Биосмазочных материалов на водной основе
• Жидкостей для металлообработки и смазочно-охлаждающих жидкостей для обработки резанием
• Гидравлических жидкостей с возобновляемыми компонентами
• Пластичных смазок эмульсионного типа и полутвёрдых смазочных материалов
• Концентратов присадок и предварительных дисперсий
• Смазочных систем, содержащих биополимеры или производные целлюлозы

Тонкодисперсное эмульгирование повышает физическую стабильность составов смазочных материалов и может уменьшить необходимость введения чрезмерного количества поверхностно-активных веществ. Для производителей это даёт преимущества как в эксплуатационных характеристиках, так и в затратах: повышение стабильности, более эффективное использование присадок и большую гибкость при разработке составов.

Обработка ультразвуком для получения эмульсионных микрогелевых частиц

Ещё одно развивающееся направление – производство эмульсионных микрогелевых частиц для передовых составов смазочных материалов. Микрогели могут служить модификаторами реологии, носителями активных ингредиентов, модификаторами трения или структурообразующими агентами, реагирующими на внешние воздействия. В смазочных системах на основе биологического сырья микрогелевые частицы могут получать из природных полимеров, модифицированной целлюлозы, полисахаридов, белков или других возобновляемых полимерных систем.
Ультразвуковая обработка способствует получению микрогелей, обеспечивая контролируемое эмульгирование, уменьшение размера капель, диспергирование полимеров и структурирование фаз. Те же механизмы, обусловленные кавитацией, которые позволяют получать мелкодисперсные эмульсии, могут также помогать создавать небольшие однородные капли-предшественники или диспергированные полимерные домены, которые затем подвергают гелеобразованию, сшиванию или стабилизации.

Оптимизируйте производство биосмазочных материалов с помощью обработки ультразвуком

Один из важнейших вопросов для производителей смазочных материалов – можно ли надёжно интегрировать ультразвуковую обработку в производственные линии. С ультразвуковыми аппаратами Hielscher ответ однозначен: да. Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты Hielscher разработаны для непрерывной работы, обработки в потоке и беспроблемной интеграции в существующие производственные линии, что делает их мощным и надёжным решением для промышленного производства биосмазочных материалов.
В типичной промышленной установке предварительную смесь смазочного материала, суспензию присадок, реакционную смесь масла и спирта или подаваемую эмульсию прокачивают через ультразвуковую проточную ячейку, где она подвергается воздействию точно контролируемой ультразвуковой энергии. Ключевые параметры процесса, такие как амплитуда, давление, температура, расход, время пребывания и удельная подводимая энергия, можно точно регулировать и контролировать; они автоматически документируются. Такая высокая степень управляемости обеспечивает производителям смазочных материалов надёжность процесса, необходимую для воспроизводимого качества составов, валидированных производственных протоколов и последовательного масштабирования от научно-исследовательских испытаний до пилотного производства и полной промышленной производительности.
Для производителей биосмазочных материалов эта масштабируемость особенно важна, поскольку требования к составам становятся всё более строгими. Заказчики ожидают экологически устойчивой продукции, но также рассчитывают на такие же или лучшие эксплуатационные характеристики, чем у обычных смазочных материалов на нефтяной основе. Ультразвуковые аппараты Hielscher помогают производителям преодолеть этот разрыв, объединяя мощность, надёжность, управляемость и линейную масштабируемость в одной прочной ультразвуковой платформе. Эти преимущества делают ультразвуковые аппараты Hielscher предпочтительным выбором для компаний, которым требуется обработка ультразвуком промышленного уровня для высококачественных составов смазочных материалов на основе биологического сырья.

 
Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:

Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации обеспечивают беспроблемную интеграцию наших ультразвуковых аппаратов в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями и требовательными рабочими средами.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, сочетающим самые современные технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют нормам CE и требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / ссылки

• 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.