Proizvodnja biomaziv: intenzifikacija procesov s sonikacijo

Industrija maziv vstopa v odločilno fazo inovacij pri formulacijah. Ker industrijski uporabniki, sektorji mobilnosti, pomorski operaterji in okoljsko občutljiva področja uporabe prehajajo na biorazgradljive in obnovljive alternative, so proizvajalci maziv pod vse večjim pritiskom, da zagotovijo visokozmogljiva biomaziva, ne da bi pri tem ogrozili nadzor viskoznosti, oksidacijsko stabilnost, zaščito pred obrabo ali dolgoročno stabilnost med skladiščenjem. Tržni analitiki poročajo o nadaljnji rasti trga biomaziv, ki jo spodbuja povpraševanje po biorazgradljivih in trajnostnih mazivnih rešitvah z nižjimi emisijami za uporabo v prometu in industriji.

Ultrazvočna proizvodnja biomaziv: intenzifikacija procesov za trajnostna maziva

V teh razmerah ultrazvočna obdelava, znana tudi kot sonikacija, pridobiva industrijski pomen kot vsestranska proizvodna tehnologija za izdelavo biomaziv. Ultrazvok visoke moči se lahko uporablja za ultrazvočno dispergiranje, sonokemično transesterifikacijo, emulgiranje in pripravo mikrogelnih delcev, s čimer razvijalcem formulacij zagotavlja zanesljivo orodje za izboljšanje tako kemijske pretvorbe kot fizikalne kakovosti formulacije. Zato je sonikacija zelo učinkovita tehnika obdelave, ki se uporablja pri biomazalnih oljih, biomazalnih masteh, biomazivih na vodni osnovi in mazivih, primernih za uporabo v živilski industriji.

Zakaj je ultrazvočna obdelava pomembna za proizvajalce biomaziv

Biomaziva pogosto temeljijo na kompleksnih sistemih surovin: rastlinskih oljih, sintetičnih estrih, polimerih na biološki osnovi, celuloznih derivatih, funkcionalnih dodatkih, antioksidantih, zaviralcih korozije, sredstvih proti obrabi, modifikatorjih trenja ter fazah na vodni osnovi ali emulzijskih fazah. Te sestavine se lahko znatno razlikujejo po polarnosti, viskoznosti, velikosti delcev, topnosti in obnašanju na faznih mejah. Običajna mešala, sistemi rotor–stator ali dolgotrajno šaržno mešanje morda ne zagotavljajo vedno zadostne gostote energije za nastanek finih, stabilnih disperzij ali hitrih reakcij na faznih mejah.
Sonikacija te izzive rešuje z akustično kavitacijo. Ko v tekočine vnašamo ultrazvok visoke intenzivnosti, nastajajo mikroskopski kavitacijski mehurčki, ki rastejo in se sesedajo. Pri tem nastajajo lokalno močan strig, intenzivno mikromešanje, turbulenca, deaglomeracija delcev in reaktivna območja, ki lahko pospešijo prenos snovi in kemijske reakcije. V raziskavah transesterifikacije so ultrazvok obsežno preučevali kot način za premagovanje počasne reakcijske kinetike in neučinkovitega stika med oljno in alkoholno fazo.
Za proizvajalce maziv to pomeni, da ultrazvok ni zgolj laboratorijska metoda homogenizacije. Je tehnologija intenzifikacije procesov, ki lahko podpira proizvodnjo stabilnejših, enakomernejših in učinkovitejših formulacij maziv na biološki osnovi.
 

Ultrazvočni dispergator s sondo omogoča izdelavo visokozmogljivih biomaziv.
(Študija in slika: Liu et al., 2020)

Ultrazvočno dispergiranje dodatkov za maziva na biološki osnovi

Ključni izziv pri formuliranju biomaziv je homogeno vključevanje dodatkov na biološki osnovi. Materiali, kot so karboksimetilceluloza, celulozna nanovlakna, biopolimeri, naravne gume, ligninski derivati, zgoščevala na biološki osnovi in funkcionalni nanodelci, lahko močno vplivajo na viskoznost, mazalnost, učinkovitost zaščite pred obrabo, tvorbo filma in stabilnost suspenzije. Vendar se ti materiali pogosto nagibajo k aglomeraciji, počasni hidrataciji ali tvorbi neenakomernih gelskih struktur.
Ultrazvočno dispergiranje pomaga proizvajalcem zmanjšati aglomerate in enakomerneje porazdeliti dodatke po celotni matrici maziva. To je še posebej dragoceno za maziva na vodni osnovi, nanomaziva, sisteme, podobne mazalnim mastem, in biomaziva na osnovi emulzij. Nedavne raziskave sistemov na osnovi celuloze kažejo, da lahko sonikacija znatno vpliva na obnašanje pri dispergiranju, reologijo in strukturo mreže, zato je uporabno orodje obdelave za prilagajanje formulacij, ki vsebujejo celulozo.

Za proizvajalce maziv lahko boljše dispergiranje pomeni:

• Enakomernejšo viskoznost in reološko obnašanje
• Večjo učinkovitost dodatkov pri nižjih odmerkih
• Manj sedimentacije, ločevanja faz ali plavajočih trdnih delcev
• Bolj ponovljive tribološke lastnosti
• Krajše čase obdelave v primerjavi z dolgotrajnim mehanskim mešanjem

Karboksimetilceluloza je posebej pomembna, saj se pogosto uporablja kot celulozni derivat s koristnimi viskoznostnimi in površinskimi lastnostmi ter lastnostmi tvorbe filma. V mazivnih sistemih lahko sonikacija pomaga vključiti CMC in druge biopolimere v stabilne vodne ali emulzijske formulacije ter tako podpira razvoj okoljsko izboljšanih maziv z nadzorovanim obnašanjem pri tečenju in izboljšano stabilnostjo formulacije.
 

Biomaziva z ultrazvočno dispergirano karboksimetilcelulozo. Ultrazvočno dispergiranje omogoča izdelavo dolgoročno stabilnih nanobiomaziv
Študija in slike: ©Rahmadiawan et al., 2022

Sonokemična transesterifikacija za biomaziva na osnovi diestrov in estrov

Estri sodijo med najpomembnejše osnovne tekočine za visokozmogljiva biomaziva. Glede na surovino in molekulsko strukturo lahko zagotavljajo dobro mazalnost, visok indeks viskoznosti, biorazgradljivost in ugodno obnašanje pri nizkih temperaturah. Diestri in poliolni estri so posebej pomembni za področja uporabe, kot so hidravlične tekočine, kompresorska olja, tekočine za obdelavo kovin, olja za verižne žage, pomorska maziva in posebna industrijska maziva.
Ena od obetavnih uporab ultrazvoka je sonokemična priprava estrov s transesterifikacijo. Pri običajni transesterifikaciji nemešljivi reaktanti, kot so olja in alkoholi, pogosto zahtevajo intenzivno mešanje, povišane temperature, katalizatorje in daljše reakcijske čase. Ultrazvok izboljša prenos snovi z ustvarjanjem finih emulzij med fazami reaktantov in nenehnim obnavljanjem fazne meje, na kateri poteka reakcija.
Transesterifikacija s pomočjo sonikacije je uveljavljena tehnika z dobro dokazanimi prednostmi, kot so večje hitrosti reakcije, boljši stik med fazami, krajši časi ločevanja, visoki izkoristki in manj nastajanja odpadkov v ustreznih pogojih. Proizvajalci maziv uporabljajo metodo ultrazvočne transesterifikacije za proizvodnjo sestavin biomaziv na osnovi estrov, vključno z diestri in drugimi funkcionalnimi estrskimi strukturami.

Ultrazvočna transesterifikacija pomaga proizvajalcem:

• Izboljšati stik med oljno, alkoholno in katalizatorsko fazo
• Skrajšati reakcijski čas z intenziviranjem prenosa snovi na faznih mejah
• Omogočiti območja procesnih pogojev z nižjimi temperaturami ali večjo energijsko učinkovitostjo
• Izboljšati enakomernost pretvorbe pri šaržni ali kontinuirni proizvodnji
• Omogočiti kompaktne zasnove reaktorjev za proizvodnjo estrov, ki jo je mogoče prenesti v večje merilo

Za podjetja, ki proizvajajo osnovne sestavine biomaziv, ultrazvok ponuja pot do intenzifikacije procesov esterifikacije in transesterifikacije, hkrati pa podpira čistejšo in učinkovitejšo proizvodnjo.

Ultrazvočno emulgiranje formulacij maziv

Številna sodobna biomaziva niso preprosta enofazna olja. Lahko vključujejo emulzije vode v olju, emulzije olja v vodi, koncentrate dodatkov, disperzije voskov, sisteme, modificirane s polimeri, ali kompleksne večfazne sestave. Kakovost teh emulzij neposredno vpliva na stabilnost med skladiščenjem, mazalnost, učinkovitost hlajenja, zaščito pred korozijo in obnašanje pri uporabi.
Ultrazvočno emulgiranje je zelo učinkovito, ker kavitacija ustvarja intenzivne lokalne strižne sile, ki kapljice razbijajo na manjše in ustvarjajo ozke porazdelitve velikosti kapljic. Pri proizvodnji maziv se to lahko uporablja za emulgiranje olj na biološki osnovi, estrskih faz, vodnih faz, površinsko aktivnih snovi, polimernih stabilizatorjev in funkcionalnih dodatkov v stabilne formulacije.

To je posebej pomembno za:

• Biomaziva na vodni osnovi
• Tekočine za obdelavo kovin in rezalne tekočine
• Hidravlične tekočine z obnovljivimi sestavinami
• Emulzijske mazalne masti in poltrdna maziva
• Koncentrate dodatkov in preddisperzije
• Mazivne sisteme, ki vsebujejo biopolimere ali celulozne derivate

Fino emulgiranje izboljša fizikalno stabilnost formulacij maziv in lahko zmanjša potrebo po prekomernih količinah površinsko aktivnih snovi. Proizvajalcem to prinaša tako prednosti glede učinkovitosti kot stroškov: izboljšano stabilnost, učinkovitejšo uporabo dodatkov in večjo prilagodljivost pri formuliranju.

Sonikacija za emulzijske mikrogelne delce

Drugo razvijajoče se področje je proizvodnja emulzijskih mikrogelnih delcev za napredne formulacije maziv. Mikrogeli lahko delujejo kot reološki modifikatorji, nosilci učinkovin, modifikatorji trenja ali odzivna sredstva za tvorbo strukture. V mazivnih sistemih na biološki osnovi se lahko mikrogelni delci proizvajajo iz naravnih polimerov, modificirane celuloze, polisaharidov, beljakovin ali drugih obnovljivih polimernih sistemov.
Ultrazvočna obdelava podpira pripravo mikrogelov, saj omogoča nadzorovano emulgiranje, zmanjševanje velikosti kapljic, dispergiranje polimerov in strukturiranje faz. Isti mehanizmi, ki jih poganja kavitacija in ki ustvarjajo fine emulzije, lahko pomagajo ustvariti tudi majhne, enakomerne kapljice prekurzorjev ali dispergirane polimerne domene, ki se nato gelirajo, zamrežijo ali stabilizirajo.

Optimizirajte proizvodnjo biomaziv s sonikacijo

Eno najpomembnejših vprašanj za proizvajalce maziv je, ali je mogoče ultrazvočno obdelavo zanesljivo vključiti v proizvodne linije. S sonikatorji Hielscher je odgovor nedvomno pritrdilen. Visokozmogljivi sonikatorji Hielscher so zasnovani za neprekinjeno delovanje, obdelavo v procesni liniji in nemoteno vključitev v obstoječe proizvodne linije, zato so zmogljiva in zanesljiva rešitev za industrijsko proizvodnjo biomaziv.
V tipični industrijski postavitvi se predmešanica maziva, suspenzija dodatkov, reakcijska mešanica olja in alkohola ali dovajana emulzija črpa skozi ultrazvočno pretočno celico, kjer je izpostavljena natančno nadzorovani ultrazvočni energiji. Ključne procesne parametre, kot so amplituda, tlak, temperatura, pretok, zadrževalni čas in specifični vnos energije, je mogoče natančno nastavljati in spremljati, samodejno pa se tudi dokumentirajo. Ta visoka raven nadzorljivosti proizvajalcem maziv zagotavlja zanesljivost procesa, potrebno za ponovljivo kakovost formulacij, validirane proizvodne protokole in dosleden prenos iz razvojno-raziskovalnih preizkusov v pilotno proizvodnjo ter na polno industrijsko zmogljivost obdelave.
Za proizvajalce biomaziv je ta možnost prenosa v večje merilo posebej pomembna, ker postajajo zahteve za formulacije vse zahtevnejše. Kupci pričakujejo trajnostne izdelke, vendar pričakujejo tudi enako ali boljšo učinkovitost kot pri običajnih mazivih na osnovi nafte. Sonikatorji Hielscher pomagajo proizvajalcem premostiti to vrzel z združevanjem moči, zanesljivosti, nadzorljivosti in linearnega prenosa v večje merilo v eni robustni ultrazvočni platformi. Zaradi teh prednosti so sonikatorji Hielscher prednostna izbira za podjetja, ki potrebujejo sonikacijo industrijske kakovosti za visokokakovostne formulacije maziv na biološki osnovi.

 
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost, izdelana v Nemčiji

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Ultrazvočne naprave Hielscher seveda izpolnjujejo zahteve CE ter zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / viri

• 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.