Výroba biomazív: Intenzifikácia procesov sonikáciou

Odvetvie mazív vstupuje do rozhodujúcej fázy inovácií zloženia. Keďže priemyselní používatelia, odvetvia mobility, prevádzkovatelia námornej dopravy a aplikácie v environmentálne citlivých oblastiach prechádzajú na biologicky odbúrateľné a obnoviteľné alternatívy, výrobcovia mazív sú pod rastúcim tlakom dodávať vysokovýkonné biomazivá bez kompromisov v regulácii viskozity, oxidačnej stabilite, ochrane proti opotrebovaniu alebo dlhodobej skladovacej stabilite. Analytici trhu uvádzajú pokračujúci rast trhu s biomazivami, ktorý poháňa dopyt po biologicky odbúrateľných, udržateľných mazivách s nižšími emisiami pre dopravné a priemyselné aplikácie.

Ultrazvuková výroba biomazív: Intenzifikácia procesov pre udržateľné mazivá

V tomto kontexte získava ultrazvukové spracovanie, známe aj ako sonikácia, čoraz väčší priemyselný význam ako všestranná technológia výroby biomazív. Vysokovýkonný ultrazvuk možno použiť na ultrazvukovú dispergáciu, sonochemickú transesterifikáciu, emulgáciu a prípravu mikrogélových častíc, čím tvorcovia formulácií získavajú spoľahlivý nástroj na zlepšenie chemickej konverzie aj fyzikálnej kvality formulácií. Vďaka tomu je sonikácia vysoko účinnou technikou spracovania používanou pri výrobe mazacích olejov a plastických mazív biologického pôvodu, biomazív na báze vody a mazív vhodných na použitie v potravinárstve.

Prečo je ultrazvukové spracovanie dôležité pre výrobcov biomazív

Biomazivá sú často založené na komplexných systémoch surovín: rastlinných olejoch, syntetických esteroch, polyméroch biologického pôvodu, derivátoch celulózy, funkčných prísadách, antioxidantoch, inhibítoroch korózie, prísadách proti opotrebovaniu, modifikátoroch trenia a fázach na báze vody alebo emulzií. Tieto zložky sa môžu výrazne líšiť polaritou, viskozitou, veľkosťou častíc, rozpustnosťou a správaním na fázovom rozhraní. Bežné miešadlá, rotorovo-statorové systémy alebo dlhé miešanie vsádzok nemusia vždy zabezpečiť dostatočnú hustotu energie na vytvorenie jemných, stabilných disperzií alebo rýchlych reakcií na fázovom rozhraní.
Sonikácia rieši tieto výzvy prostredníctvom akustickej kavitácie. Keď sa do kvapalín privádza ultrazvuk s vysokou intenzitou, vznikajú mikroskopické kavitačné bubliny, ktoré rastú a kolabujú. Tým sa lokálne vytvára vysoké šmykové namáhanie, intenzívne mikromiešanie, turbulencia, deaglomerácia častíc a reaktívne zóny, ktoré môžu urýchliť prenos hmoty a chemické reakcie. Vo výskume transesterifikácie sa ultrazvuk vo veľkej miere skúmal ako spôsob prekonania pomalej reakčnej kinetiky a neúčinného kontaktu medzi olejovou a alkoholovou fázou.
Pre výrobcov mazív to znamená, že ultrazvuk nie je len laboratórnou metódou homogenizácie. Je to technológia intenzifikácie procesov, ktorá môže podporiť výrobu stabilnejších, rovnomernejších a účinnejších formulácií mazív biologického pôvodu.
 

Ultrazvukový dispergátor so sondou vytvára vysokovýkonné biomazivá.
(Štúdia a obrázok: Liu et al., 2020)

Ultrazvuková dispergácia prísad biologického pôvodu do mazív

Kľúčovou výzvou pri formulácii biomazív je homogénne zapracovanie prísad na biologickej báze. Materiály ako karboxymetylcelulóza, celulózové nanovlákna, biopolyméry, prírodné gumy, deriváty lignínu, zahusťovadlá na biologickej báze a funkčné nanočastice môžu výrazne ovplyvniť viskozitu, mazivosť, ochranu proti opotrebovaniu, tvorbu filmu a stabilitu suspenzie. Tieto materiály však často majú tendenciu aglomerovať, pomaly sa hydratovať alebo vytvárať nerovnomerné gélové štruktúry.
Ultrazvuková dispergácia pomáha výrobcom zmenšovať aglomeráty a rovnomernejšie rozptýliť prísady v celej matrici maziva. To je obzvlášť prínosné pre mazivá na báze vody, nanomazivá, systémy podobné plastickým mazivám a biomazivá na báze emulzií. Nedávny výskum systémov na báze celulózy ukazuje, že sonikácia môže významne ovplyvniť dispergačné správanie, reológiu a štruktúru siete, čo z nej robí užitočný nástroj na úpravu formulácií obsahujúcich celulózu.

Pre výrobcov mazív môže lepšia dispergácia znamenať:

• Konzistentnejšiu viskozitu a reologické správanie
• Vyššiu účinnosť prísad pri nižších dávkach
• Obmedzenie sedimentácie, oddeľovania fáz alebo plávajúcich pevných častíc
• Lepšiu reprodukovateľnosť tribologických vlastností
• Kratšie časy spracovania v porovnaní s dlhodobým mechanickým miešaním

Karboxymetylcelulóza je obzvlášť významná, pretože sa široko používa ako derivát celulózy s užitočnými viskozitnými, povrchovými a filmotvornými vlastnosťami. V mazacích systémoch môže sonikácia pomôcť zapracovať CMC a ďalšie biopolyméry do stabilných vodných alebo emulzných formulácií, čím podporuje vývoj environmentálne priaznivejších mazív s kontrolovaným tokovým správaním a zvýšenou stabilitou formulácie.
 

Biomazivá s ultrazvukovo dispergovanou karboxymetylcelulózou. Ultrazvuková dispergácia vytvára dlhodobo stabilné nanobiomazivá
Štúdia a obrázky: ©Rahmadiawan et al., 2022

Sonochemická transesterifikácia pre biomazivá na báze diesterov a esterov

Estery patria medzi najdôležitejšie základové kvapaliny pre vysokovýkonné biomazivá. V závislosti od východiskovej suroviny a molekulovej štruktúry môžu ponúkať dobrú mazivosť, vysoký viskozitný index, biologickú odbúrateľnosť a priaznivé správanie pri nízkych teplotách. Diestery a polyolové estery sú obzvlášť dôležité pre aplikácie, ako sú hydraulické kvapaliny, kompresorové oleje, kvapaliny na obrábanie kovov, oleje pre reťazové píly, mazivá pre námorné aplikácie a špeciálne priemyselné mazivá.
Jednou zo sľubných aplikácií ultrazvuku je sonochemická príprava esterov transesterifikáciou. Pri konvenčnej transesterifikácii si nemiešateľné reaktanty, ako sú oleje a alkoholy, často vyžadujú intenzívne miešanie, zvýšené teploty, katalyzátory a dlhé reakčné časy. Ultrazvuk zlepšuje prenos hmoty vytváraním jemných emulzií medzi fázami reaktantov a nepretržitým obnovovaním rozhrania, na ktorom prebieha reakcia.
Transesterifikácia podporovaná sonikáciou je zavedená technika s dobre overenými výhodami, ako sú vyššie reakčné rýchlosti, lepší kontakt medzi fázami, kratšie časy separácie, vysoké výťažky a znížená tvorba odpadu za vhodných podmienok. Výrobcovia mazív používajú metódu ultrazvukovej transesterifikácie na výrobu zložiek biomazív na báze esterov vrátane diesterov a ďalších funkčných esterových štruktúr.

Ultrazvuková transesterifikácia pomáha výrobcom:

• Zlepšiť kontakt medzi olejovou, alkoholovou a katalyzátorovou fázou
• Skrátiť reakčný čas zintenzívnením prenosu hmoty na rozhraní fáz
• Podporiť spracovanie v prevádzkových rozsahoch s nižšou teplotou alebo vyššou energetickou účinnosťou
• Zlepšiť konzistentnosť konverzie pri vsádzkovej alebo kontinuálnej výrobe
• Umožniť kompaktné konštrukcie reaktorov pre škálovateľnú výrobu esterov

Spoločnostiam vyrábajúcim základové zložky biomazív ponúka ultrazvuk spôsob, ako zintenzívniť procesy esterifikácie a transesterifikácie a zároveň podporiť čistejšiu a efektívnejšiu výrobu.

Ultrazvuková emulgácia mazacích formulácií

Mnohé moderné biomazivá nie sú jednoduché jednofázové oleje. Môžu zahŕňať emulzie vody v oleji, emulzie oleja vo vode, koncentráty aditív, disperzie voskov, systémy modifikované polymérmi alebo komplexné viacfázové zmesi. Kvalita týchto emulzií má priamy vplyv na stabilitu pri skladovaní, mazivosť, chladiaci výkon, ochranu proti korózii a správanie pri používaní.
Ultrazvuková emulgácia je vysoko účinná, pretože kavitácia vytvára intenzívne lokálne šmykové sily, ktoré rozbíjajú kvapôčky na menšie a vytvárajú úzke distribúcie veľkosti kvapôčok. Pri výrobe mazív sa to dá využiť na emulgovanie olejov na biologickej báze, esterových fáz, vodných fáz, povrchovo aktívnych látok, polymérnych stabilizátorov a funkčných aditív do stabilných formulácií.

To je obzvlášť dôležité pre:

• Biomazivá na báze vody
• Kvapaliny na obrábanie kovov a rezné kvapaliny
• Hydraulické kvapaliny s obnoviteľnými zložkami
• Plastické mazivá emulzného typu a polotuhé mazivá
• Koncentráty aditív a preddisperzie
• Mazacie systémy obsahujúce biopolyméry alebo deriváty celulózy

Jemná emulgácia zlepšuje fyzikálnu stabilitu mazacích formulácií a môže znížiť potrebu nadmerného dávkovania povrchovo aktívnych látok. Výrobcom to prináša výhody z hľadiska úžitkových vlastností aj nákladov: lepšiu stabilitu, účinnejšie využitie aditív a väčšiu flexibilitu pri tvorbe formulácií.

Sonikácia na prípravu emulzných mikrogelových častíc

Ďalšou rozvíjajúcou sa oblasťou je výroba emulzných mikrogelových častíc pre pokročilé mazacie formulácie. Mikrogély môžu pôsobiť ako modifikátory reológie, nosiče účinných látok, modifikátory trenia alebo štruktúrotvorné činidlá reagujúce na podnety. V mazacích systémoch na biologickej báze sa mikrogelové častice môžu vyrábať z prírodných polymérov, modifikovanej celulózy, polysacharidov, proteínov alebo iných obnoviteľných polymérnych systémov.
Ultrazvukové spracovanie podporuje prípravu mikrogélov tým, že umožňuje riadenú emulgáciu, zmenšovanie kvapôčok, dispergovanie polymérov a štruktúrovanie fáz. Rovnaké mechanizmy vyvolané kavitáciou, ktoré vytvárajú jemné emulzie, môžu tiež pomôcť vytvárať malé, rovnomerné prekurzorové kvapôčky alebo dispergované polymérne domény, ktoré sa následne gélujú, zosieťujú alebo stabilizujú.

Optimalizujte výrobu svojich biomazív pomocou sonikácie

Jednou z najdôležitejších otázok pre výrobcov mazív je, či sa dá ultrazvukové spracovanie spoľahlivo integrovať do výrobných liniek. So sonikátormi Hielscher je odpoveď jednoznačne áno. Vysokovýkonné sonikátory Hielscher sú navrhnuté na nepretržitú prevádzku, prietokové spracovanie a bezproblémovú integráciu do existujúcich výrobných liniek, vďaka čomu predstavujú výkonné a spoľahlivé riešenie na priemyselnú výrobu biomazív.
V typickej priemyselnej zostave sa predzmes maziva, suspenzia prísad, reakčná zmes oleja a alkoholu alebo vstupná emulzia čerpá cez ultrazvukovú prietokovú celu, kde je vystavená presne riadenej ultrazvukovej energii. Kľúčové procesné parametre, ako sú amplitúda, tlak, teplota, prietok, čas zdržania a merný prívod energie, možno presne nastavovať a monitorovať a automaticky sa zaznamenávajú. Táto vysoká úroveň riaditeľnosti poskytuje výrobcom mazív procesnú istotu potrebnú na dosiahnutie reprodukovateľnej kvality formulácií, validovaných výrobných postupov a konzistentného zväčšovania výrobného rozsahu od skúšok vo výskume a vývoji cez poloprevádzkovú výrobu až po plnú priemyselnú výrobnú kapacitu.
Pre výrobcov biomazív je táto škálovateľnosť obzvlášť dôležitá, pretože požiadavky na formulácie sú čoraz náročnejšie. Zákazníci očakávajú udržateľné výrobky, ale zároveň očakávajú rovnaké alebo lepšie úžitkové vlastnosti než pri bežných mazivách na báze ropy. Sonikátory Hielscher pomáhajú výrobcom preklenúť tento rozdiel tým, že v jednej robustnej ultrazvukovej platforme spájajú výkon, spoľahlivosť, riaditeľnosť a lineárnu škálovateľnosť. Vďaka týmto výhodám sú sonikátory Hielscher preferovanou voľbou pre spoločnosti, ktoré potrebujú sonikáciu v priemyselnej kvalite na výrobu vysokokvalitných formulácií mazív biologického pôvodu.

 
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení:

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú známe najvyššími štandardmi kvality a konštrukčného návrhu. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových zariadení do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové zariadenia Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia s najmodernejšou technológiou a používateľsky prívetivou obsluhou. Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú samozrejme v zhode s požiadavkami CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Literatúra / Referencie

• 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.