Производство биологических смазочных материалов: интенсификация технологического процесса с помощью ультразвуковой обработки

Индустрия смазочных материалов вступает в решающую фазу инноваций в области разработки рецептур. По мере того как промышленные потребители, сектор автомобилестроения, судоходные компании и отрасли, уделяющие особое внимание вопросам охраны окружающей среды, переходят на биоразлагаемые и возобновляемые альтернативы, производители смазочных материалов испытывают растущее давление, вынуждающее их поставлять высокоэффективные биосмазочные материалы без ущерба для контроля вязкости, окислительной стабильности, защиты от износа или долгосрочной стабильности при хранении. Аналитики рынка отмечают продолжающийся рост рынка биосмазочных материалов, обусловленный спросом на биоразлагаемые, экологически безопасные и устойчивые смазочные решения в транспортной и промышленной сферах.

Ультразвуковое производство биосмазок: интенсификация технологического процесса для получения экологически безопасных смазочных материалов

На этом фоне ультразвуковая обработка, также известная как соникация, приобретает все большее промышленное значение в качестве универсальной технологии производства биосмазочных материалов. Мощный ультразвук можно использовать для ультразвуковой дисперсии, сонохимической переэтерификации, эмульгирования и получения частиц микрогеля, что дает разработчикам рецептур надежный инструмент для улучшения как химического преобразования, так и физического качества рецептуры. Это делает соникацию высокоэффективным технологическим методом, применяемым при производстве биосмазочных масел, биосмазочных консистентов, биосмазочных материалов на водной основе и смазочных материалов пищевого назначения.

Почему ультразвуковая обработка важна для производителей биосмазок

При производстве биосмазок часто используются сложные системы сырья: растительные масла, синтетические эфиры, полимеры на биологической основе, производные целлюлозы, функциональные добавки, антиоксиданты, ингибиторы коррозии, противоизносные добавки, модификаторы трения, а также фазы на водной основе или эмульсионного типа. Эти компоненты могут значительно различаться по полярности, вязкости, размеру частиц, растворимости и межфазному поведению. Обычные смесители, системы «ротор-статор» или длительное периодическое перемешивание не всегда могут обеспечить достаточную плотность энергии для получения мелких, стабильных дисперсий или быстрых межфазных реакций.
Ультразвуковая обработка решает эти проблемы с помощью акустической кавитации. При воздействии жидкостей ультразвуком высокой интенсивности образуются, растут и разрушаются микроскопические кавитационные пузырьки. Это приводит к возникновению локальных зон высокого сдвига, интенсивному микроперемешиванию, турбулентности, деагломерации частиц и образованию зон химической активности, которые могут ускорять массоперенос и химические реакции. В исследованиях по переэтерификации ультразвук широко изучается как способ преодоления медленной кинетики реакции и неэффективного контакта между масляной и спиртовой фазами.
Для производителей смазочных материалов это означает, что ультразвук — не просто лабораторный метод гомогенизации. Это технология интенсификации процессов, которая позволяет создавать более стабильные, однородные и эффективные рецептуры смазочных материалов на биологической основе.
 

Ультразвуковые диспергаторы зондового типа позволяют создавать высокоэффективные биосмазочные материалы.
(Исследование и иллюстрация: Лю и др., 2020)

Ультразвуковая дисперсия биологически активных присадок к смазочным материалам

Одной из ключевых задач при разработке рецептур биосмазок является однородное введение биологических присадок. Такие материалы, как карбоксиметилцеллюлоза, нановолокна целлюлозы, биополимеры, натуральные камеди, производные лигнина, загустители биологического происхождения и функциональные наночастицы, могут существенно влиять на вязкость, смазывающую способность, противоизносные свойства, способность к образованию пленки и стабильность суспензии. Однако эти материалы часто имеют склонность к агломерации, медленно гидратируются или образуют неоднородные гелевые структуры.
Ультразвуковая дисперсия помогает производителям уменьшить образование агломератов и более равномерно распределить добавки по всей матрице смазочного материала. Это особенно ценно для смазочных материалов на водной основе, наносмазочных материалов, смазочных систем, похожих на консистентные смазки, и биосмазочных материалов на эмульсионной основе. Недавние исследования систем на основе целлюлозы показывают, что ультразвуковая обработка может существенно влиять на дисперсионные свойства, реологию и структуру сети, что делает её полезным технологическим инструментом для оптимизации рецептур, содержащих целлюлозу.

Для производителей смазочных материалов улучшение дисперсии может означать:

• Более стабильные показатели вязкости и реологические свойства
• Повышение эффективности добавки при более низких дозировках
• Снижение осаждения, фазового разделения или всплывания твердых частиц
• Более стабильные трибологические характеристики
• Более короткие сроки обработки по сравнению с длительным механическим перемешиванием

Карбоксиметилцеллюлоза представляет особый интерес, поскольку широко используется в качестве производного целлюлозы, обладающего полезными вязкостными, поверхностными и пленкообразующими свойствами. В системах смазочных материалов ультразвуковая обработка может способствовать включению КМЦ и других биополимеров в стабильные водные или эмульсионные составы, что способствует разработке экологически более безопасных смазочных материалов с контролируемыми реологическими характеристиками и повышенной стабильностью состава.
 

Биосмазочные материалы с ультразвуковой дисперсией карбоксиметилцеллюлозы. Ультразвуковая дисперсия позволяет получать долгосрочно стабильные нано-биосмазочные материалы
Исследование и иллюстрации: ©Rahmadiawan и др., 2022

Звукохимическая переэтерификация для получения биосмазочных материалов на основе диэфиров и эфиров

Эфиры относятся к числу важнейших базовых жидкостей для высокоэффективных биосмазок. В зависимости от исходного сырья и молекулярной структуры они могут обладать хорошими смазывающими свойствами, высоким индексом вязкости, биоразлагаемостью и благоприятными характеристиками при низких температурах. Диэфиры и полиольные эфиры имеют особое значение для таких областей применения, как гидравлические жидкости, масла для компрессоров, смазочно-охлаждающие жидкости для металлообработки, масла для бензопил, судовые смазочные материалы и специальные промышленные смазочные материалы.
Одним из перспективных направлений применения ультразвука является сонохимический синтез эфиров методом переэтерификации. При традиционной переэтерификации несмешивающиеся реагенты, такие как масла и спирты, зачастую требуют интенсивного перемешивания, повышенных температур, использования катализаторов и длительного времени реакции. Ультразвук улучшает массообмен за счет создания мелких эмульсий между фазами реагентов и непрерывного обновления границы раздела фаз, где протекает реакция.
Трансэтерификация с использованием ультразвука — это хорошо отработанная технология, которая при соблюдении соответствующих условий демонстрирует такие преимущества, как более высокая скорость реакции, улучшенный фазовый контакт, сокращение времени разделения, высокий выход продукта и снижение образования отходов. Производители смазочных материалов используют метод ультразвуковой трансэтерификации для получения компонентов биосмазочных материалов на основе эфиров, в том числе диэфиров и других функциональных эфирных соединений.

Ультразвуковая переэтерификация помогает производителям:

• Улучшить взаимодействие между фазами масла, спирта и катализатора
• Сократить время реакции за счет усиления межфазного массообмена
• Обеспечить возможность работы в режимах с более низкой температурой или более высокой энергоэффективностью
• Повышение стабильности конверсии при серийном или непрерывном производстве
• Создание компактных конструкций реакторов для масштабируемого производства эфиров

Для компаний, занимающихся производством базовых масел для биосмазок, ультразвук открывает возможность ускорить процессы этерификации и переэтерификации, способствуя при этом более экологичному и эффективному производству.

Ультразвуковая эмульгирование смазочных составов

Многие современные биосмазочные материалы не являются простыми однофазными маслами. Они могут включать эмульсии типа «вода в масле», эмульсии типа «масло в воде», концентраты присадок, дисперсии воска, системы с полимерными добавками или сложные многофазные составы. Качество этих эмульсий напрямую влияет на стойкость при хранении, смазывающую способность, охлаждающие свойства, защиту от коррозии и эксплуатационные характеристики.
Ультразвуковая эмульгирование является высокоэффективным процессом, поскольку кавитация создает интенсивные локальные сдвиговые силы, которые разбивают капли на более мелкие частицы и обеспечивают узкое распределение капель по размеру. При производстве смазочных материалов этот метод можно использовать для эмульгирования масел биологического происхождения, эфирных фаз, водных фаз, поверхностно-активных веществ, полимерных стабилизаторов и функциональных присадок с целью получения стабильных составов.

Это особенно актуально для:

• биосмазочные материалы на водной основе
• Смазочно-охлаждающие жидкости и жидкости для резки
• Гидравлические жидкости с компонентами из возобновляемых источников
• Смазки эмульсионного типа и полутвердые смазочные материалы
• Концентраты добавок и преддисперсии
• Системы смазки, содержащие биополимеры или производные целлюлозы

Тонкое эмульгирование повышает физическую стабильность смазочных составов и позволяет сократить избыточное использование поверхностно-активных веществ. Для производителей это дает как эксплуатационные, так и экономические преимущества: повышенная стабильность, более эффективное использование присадок и большая гибкость при разработке рецептур.

Ультразвуковая обработка для получения микрогелевых частиц в эмульсии

Еще одним перспективным направлением является производство эмульсионных микрогелевых частиц для современных смазочных составов. Микрогели могут выступать в качестве реологических модификаторов, носителей активных ингредиентов, модификаторов трения или реагирующих структурирующих агентов. В системах смазочных материалов на биологической основе частицы микрогелей могут производиться 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 формирование фазовой структуры. Те же механизмы, основанные на кавитации, которые обеспечивают получение тонкодисперсных эмульсий, могут также способствовать созданию мелких однородных капель прекурсора или диспергированных полимерных доменов, которые впоследствии подвергаются гелеобразованию, сшиванию или стабилизации.

Оптимизируйте производство биологических смазочных материалов с помощью ультразвуковой обработки

Один из важнейших вопросов для производителей смазочных материалов заключается в том, можно ли надёжно интегрировать ультразвуковую обработку в производственные линии. В случае с ультразвуковыми устройствами Hielscher ответ однозначно положительный. Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты Hielscher разработаны для непрерывной работы, потоковой обработки и беспроблемной интеграции в существующие производственные линии, что делает их мощным и надежным решением для промышленного производства биосмазочных материалов.
В типичной промышленной установке предварительно смешанная смазочная смесь, суспензия присадок, реакционная смесь масла и спирта или эмульсия подаются через ультразвуковую проточную ячейку, где подвергаются воздействию ультразвуковой энергии с точным контролем параметров. Ключевые параметры процесса, такие как амплитуда, давление, температура, расход, время пребывания и удельная подаваемая энергия, можно точно регулировать, контролировать и автоматически документировать. Такой высокий уровень управляемости обеспечивает производителям смазочных материалов надежность процесса, необходимую для воспроизводимого качества рецептур, валидированных производственных протоколов и последовательного масштабирования от R&Испытания серии D с целью запуска пробного производства и выхода на полную промышленную мощность.
Для производителей биосмазок такая масштабируемость имеет особое значение, поскольку требования к составу продуктов становятся всё более строгими. Клиенты ожидают экологически устойчивых продуктов, но при этом требуют, чтобы их эксплуатационные характеристики соответствовали или превосходили показатели традиционных смазок на нефтяной основе. Ультразвуковые аппараты Hielscher помогают производителям преодолеть этот разрыв, сочетая в себе мощность, надёжность, управляемость и линейную масштабируемость в одной надёжной ультразвуковой платформе. Эти преимущества делают ультразвуковые аппараты Hielscher предпочтительным выбором для компаний, которым требуется ультразвуковая обработка промышленного уровня для получения высококачественных биосмазочных составов.

 
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / Литература