Виробництво біомастильних матеріалів: інтенсифікація процесів за допомогою ультразвукової обробки
Галузь мастильних матеріалів вступає у вирішальний етап інновацій у розробленні рецептур. У міру того як промислові споживачі, транспортні галузі, оператори морського транспорту та сфери застосування, чутливі до впливу на довкілля, переходять на біорозкладні й відновлювані альтернативи, виробники мастильних матеріалів відчувають дедалі більший тиск щодо забезпечення високоефективних біомастильних матеріалів без погіршення контролю в’язкості, окиснювальної стабільності, захисту від зношування чи стабільності під час тривалого зберігання. Аналітики ринку повідомляють про подальше зростання ринку біомастильних матеріалів, зумовлене попитом на біорозкладні, сталі мастильні рішення з нижчими викидами для транспортних і промислових застосувань.
Ультразвукове виробництво біомастильних матеріалів: інтенсифікація процесів для сталих мастильних матеріалів
На цьому тлі ультразвукова обробка, також відома як сонікація, набуває промислового значення як універсальна технологія виробництва біомастильних матеріалів. Ультразвук високої потужності можна використовувати для ультразвукового диспергування, сонохімічної переетерифікації, емульгування та одержання мікрогелевих частинок, надаючи розробникам рецептур надійний інструмент для поліпшення як хімічного перетворення, так і фізичної якості композицій. Завдяки цьому ультразвукова обробка є високоефективним технологічним методом, який застосовують у виробництві біомастильних олив, пластичних біомастил, біомастильних матеріалів на водній основі та мастильних матеріалів, придатних для контакту з харчовими продуктами.
Ультразвуковий гомогенізатор UIP2000hdT для промислового виробництва біомастильних матеріалів
Чому ультразвукова обробка важлива для виробників біомастильних матеріалів
Біомастильні матеріали часто ґрунтуються на складних сировинних системах: рослинних оліях, синтетичних естерах, полімерах біологічного походження, похідних целюлози, функціональних присадках, антиоксидантах, інгібіторах корозії, протизношувальних присадках, модифікаторах тертя та фазах на водній основі або емульсійного типу. Ці компоненти можуть істотно відрізнятися за полярністю, в’язкістю, розміром частинок, розчинністю та поведінкою на межі поділу фаз. Звичайні змішувачі, роторно-статорні системи або тривале перемішування в періодичному режимі не завжди можуть забезпечити достатню густину енергії для одержання тонкодисперсних стабільних дисперсій або швидких реакцій на межі поділу фаз.
Ультразвукова обробка дає змогу розв’язувати ці проблеми завдяки акустичній кавітації. Коли в рідини вводять ультразвук високої інтенсивності, утворюються, ростуть і схлопуються мікроскопічні кавітаційні бульбашки. Це створює локальні зони інтенсивного зсуву, інтенсивне мікроперемішування, турбулентність, деагломерацію частинок і реакційні зони, які можуть прискорювати масоперенесення та хімічні реакції. У дослідженнях переетерифікації ультразвук широко вивчали як спосіб подолання повільної кінетики реакції та неефективного контакту між олійною і спиртовою фазами.
Для виробників мастильних матеріалів це означає, що ультразвук є не лише лабораторним методом гомогенізації. Це технологія інтенсифікації процесів, яка може сприяти виробництву стабільніших, однорідніших та ефективніших мастильних композицій на біологічній основі.
Ультразвуковий диспергатор зондового типу дає змогу створювати високоефективні біомастильні матеріали.
(Дослідження та зображення: Liu et al., 2020)
Ультразвукове емульгування біомастильних композицій
Ультразвукове диспергування присадок біологічного походження для мастильних матеріалів
Одним із ключових завдань під час розроблення рецептур біомастильних матеріалів є однорідне введення добавок на біологічній основі. Такі матеріали, як карбоксиметилцелюлоза, целюлозні нановолокна, біополімери, природні камеді, похідні лігніну, загусники на біологічній основі та функціональні наночастинки, можуть суттєво впливати на в’язкість, змащувальну здатність, протизношувальні властивості, плівкоутворення та стабільність суспензії. Однак ці матеріали часто схильні до агломерації, повільної гідратації або утворення неоднорідних гелевих структур.
Ультразвукове диспергування допомагає виробникам зменшувати розміри агломератів і рівномірніше розподіляти добавки в усій матриці мастильного матеріалу. Це особливо цінно для мастильних матеріалів на водній основі, наномастильних матеріалів, систем, подібних до пластичних мастил, і біомастильних матеріалів на основі емульсій. Останні дослідження систем на основі целюлози показують, що ультразвукова обробка може суттєво впливати на характер диспергування, реологію та структуру просторової сітки, що робить її корисним технологічним інструментом для регулювання властивостей рецептур, які містять целюлозу.
Для виробників мастильних матеріалів краще диспергування може означати:
- Більш сталі в’язкість і реологічні властивості
- Вищу ефективність добавок за нижчих дозувань
- Зменшення седиментації, розшарування фаз або спливання твердих частинок
- Кращу відтворюваність трибологічних характеристик
- Скорочення тривалості обробки порівняно з тривалим механічним перемішуванням
Карбоксиметилцелюлоза має особливе значення, оскільки її широко використовують як похідну целюлози з корисними в’язкісними, поверхневими та плівкоутворювальними властивостями. У системах мастильних матеріалів ультразвукова обробка може допомогти ввести CMC та інші біополімери до складу стабільних водних або емульсійних рецептур, сприяючи розробленню мастильних матеріалів із поліпшеними екологічними характеристиками, контрольованими властивостями течії та підвищеною стабільністю рецептури.
Біомастильні матеріали з карбоксиметилцелюлозою, диспергованою ультразвуком. Ультразвукове диспергування дає змогу отримувати нанобіомастильні матеріали, стабільні протягом тривалого часу
Дослідження та зображення: ©Rahmadiawan et al., 2022
Сонохімічна переестерифікація для отримання біомастильних матеріалів на основі діестерів та інших естерів
Естери належать до найважливіших базових рідин для високоефективних біомастильних матеріалів. Залежно від сировини та молекулярної структури вони можуть забезпечувати добру змащувальну здатність, високий індекс в’язкості, біорозкладність і сприятливі низькотемпературні властивості. Діестери та естери поліолів особливо важливі для таких застосувань, як гідравлічні рідини, компресорні оливи, мастильно-охолоджувальні рідини для металообробки, оливи для ланцюгових пил, суднові мастильні матеріали та спеціальні промислові мастильні матеріали.
Одним із перспективних застосувань ультразвуку є сонохімічне отримання естерів шляхом переестерифікації. За традиційної переестерифікації реагенти, що не змішуються між собою, як-от олії та спирти, часто потребують інтенсивного перемішування, підвищених температур, каталізаторів і тривалого часу реакції. Ультразвук поліпшує масоперенесення завдяки утворенню тонкодисперсних емульсій із фаз реагентів і безперервному оновленню міжфазної поверхні, на якій відбувається реакція.
Переестерифікація за допомогою ультразвукової обробки є усталеним методом із добре підтвердженими перевагами, такими як вища швидкість реакції, кращий контакт між фазами, скорочення часу розділення, високі виходи та зменшення утворення відходів за відповідних умов. Виробники мастильних матеріалів використовують метод ультразвукової переестерифікації для отримання компонентів біомастильних матеріалів на основі естерів, зокрема діестерів та інших функціональних естерних структур.
Ультразвукова переестерифікація допомагає виробникам:
- Поліпшити контакт між фазами олії, спирту та каталізатора
- Скоротити час реакції завдяки інтенсифікації міжфазного масоперенесення
- Забезпечити можливість обробки в технологічних діапазонах із нижчими температурами або вищою енергоефективністю
- Підвищити сталість ступеня перетворення в періодичному або безперервному виробництві
- Уможливити використання компактних конструкцій реакторів для масштабованого виробництва естерів
Для компаній, що виробляють базові компоненти біомастильних матеріалів, ультразвук відкриває шлях до інтенсифікації процесів естерифікації та переестерифікації, водночас сприяючи чистішому й ефективнішому виробництву.
Ультразвуковий процесор UIP1000hdT потужністю 1000 ват забезпечує перехід від настільного лабораторного обладнання до виробництва
Потужний ультразвук – кластер із 2x ультразвукових процесорів UIP4000hdT з проточними комірками для безперервної обробки в потоці
Ультразвукове емульгування рецептур мастильних матеріалів
Багато сучасних біомастильних матеріалів не є простими однофазними оливами. Вони можуть містити емульсії типу «вода в оливі», емульсії типу «олива у воді», концентрати присадок, дисперсії восків, полімер-модифіковані системи або складні багатофазні комплекси. Якість цих емульсій безпосередньо впливає на стабільність під час зберігання, змащувальну здатність, ефективність охолодження, захист від корозії та поведінку під час застосування.
Ультразвукове емульгування є високоефективним, оскільки кавітація створює інтенсивні локальні зсувні сили, які подрібнюють краплі та забезпечують вузький розподіл крапель за розмірами. У виробництві мастильних матеріалів це можна використовувати для емульгування олив біологічного походження, естерних фаз, водних фаз, поверхнево-активних речовин, полімерних стабілізаторів і функціональних присадок з утворенням стабільних композицій.
Це особливо актуально для:
- Біомастильних матеріалів на водній основі
- Рідин для металообробки та мастильно-охолоджувальних рідин для різання
- Гідравлічних рідин із відновлюваними компонентами
- Пластичних мастил емульсійного типу та напівтвердих мастильних матеріалів
- Концентратів присадок і попередньо підготовлених дисперсій
- Мастильних систем, що містять біополімери або похідні целюлози
Тонкодисперсне емульгування підвищує фізичну стабільність композицій мастильних матеріалів і може зменшити потребу в надмірному вмісті поверхнево-активних речовин. Для виробників це забезпечує переваги як щодо експлуатаційних характеристик, так і щодо витрат: підвищену стабільність, ефективніше використання присадок і більшу гнучкість у розробленні рецептур.
Ультразвукова обробка для одержання емульсійних мікрогелевих частинок
Ще одним напрямом, що розвивається, є виробництво емульсійних мікрогелевих частинок для вдосконалених рецептур мастильних матеріалів. Мікрогелі можуть діяти як модифікатори реологічних властивостей, носії активних інгредієнтів, модифікатори тертя або структуроутворювачі, що реагують на зовнішні впливи. У мастильних системах біологічного походження мікрогелеві частинки можуть бути виготовлені з природних полімерів, модифікованої целюлози, полісахаридів, білків або інших відновлюваних полімерних систем.
Ультразвукова обробка сприяє одержанню мікрогелів, забезпечуючи контрольоване емульгування, зменшення розміру крапель, диспергування полімерів і структурування фаз. Ті самі механізми, зумовлені кавітацією, які забезпечують утворення тонкодисперсних емульсій, також можуть допомагати створювати дрібні однорідні краплі прекурсорів або дисперговані полімерні домени, які згодом піддають гелеутворенню, зшиванню або стабілізації.
Оптимізуйте виробництво біомастильних матеріалів за допомогою ультразвукової обробки
Одне з найважливіших питань для виробників мастильних матеріалів полягає в тому, чи можна надійно інтегрувати ультразвукову обробку у виробничі лінії. З ультразвуковими апаратами Hielscher відповідь однозначна: так. Високопродуктивні ультразвукові апарати Hielscher розроблені для безперервної роботи, обробки в потоці та безперешкодної інтеграції в наявні виробничі лінії, що робить їх потужним і надійним рішенням для промислового виробництва біомастильних матеріалів.
У типовій промисловій установці попередньо змішану мастильну композицію, суспензію присадок, олійно-спиртову реакційну суміш або вихідну емульсію прокачують через ультразвукову проточну комірку, де на них впливає точно контрольована ультразвукова енергія. Основні параметри процесу, як-от амплітуду, тиск, температуру, об’ємну витрату, час перебування та питому підведену енергію, можна точно регулювати й контролювати, а їхні значення автоматично документуються. Такий високий рівень керованості забезпечує виробникам мастильних матеріалів надійність процесу, необхідну для відтворюваної якості композицій, валідованих виробничих протоколів і послідовного масштабування від науково-дослідних випробувань до пілотного виробництва та повної промислової продуктивності.
Для виробників біомастильних матеріалів ця масштабованість особливо важлива, оскільки вимоги до композицій стають дедалі суворішими. Клієнти очікують екологічно сталих продуктів, але водночас розраховують на такі самі або кращі експлуатаційні характеристики, ніж у традиційних мастильних матеріалів на нафтовій основі. Ультразвукові апарати Hielscher допомагають виробникам подолати цей розрив, поєднуючи потужність, надійність, керованість і лінійну масштабованість в одній міцній ультразвуковій платформі. Ці переваги роблять ультразвукові апарати Hielscher пріоритетним вибором для компаній, яким потрібна ультразвукова обробка промислового рівня для отримання високоякісних мастильних композицій на біологічній основі.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових апаратів:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| від 1 до 500mL | від 10 до 200mL/min | UP100H |
| від 10 до 2000mL | від 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| від 0,1 до 20L | від 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| від 10 до 100L | від 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| від 15 до 150L | від 3 до 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | від 10 до 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | більша | кластер із UIP16000hdT |
Проєктування, виробництво та консультування – якість, створена в Німеччині
Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі найвищими стандартами якості та проєктування. Міцність і простота експлуатації дають змогу безперешкодно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об’єкти. Ультразвукові апарати Hielscher легко справляються із суворими умовами та складними робочими середовищами.
Hielscher Ultrasonics є компанією, сертифікованою за ISO, і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, що поєднують найсучасніші технології та зручність користування. Звісно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE, а також вимогам UL, CSA та RoHs.
Ультразвуковий апарат UIP6000hdT для диспергування наноматеріалів у мастильних матеріалах у потоці
Поширені запитання
Що таке біомастильні матеріали?
Біомастильні матеріали – це мастильні матеріали, виготовлені з відновлюваної сировини або сировини біологічного походження, як-от рослинні олії, тваринні жири, синтетичні естери або інша біорозкладна сировина. Вони призначені для зменшення тертя, зношування та нагрівання між рухомими поверхнями й водночас забезпечують кращу здатність до біорозкладання, нижчу токсичність і менший вплив на довкілля порівняно з багатьма мастильними матеріалами на нафтовій основі.
Які базові матеріали найчастіше використовують у композиціях біомастильних матеріалів?
Найпоширенішими базовими матеріалами для біомастильних матеріалів є рослинні олії, синтетичні естери та хімічно модифіковані олії біологічного походження. До часто використовуваної сировини належать ріпакова, соєва, соняшникова, пальмова, рицинова, кокосова та ятрофова олії. Синтетичні естери, як-от діестери та естери поліолів, широко застосовують, оскільки вони забезпечують кращу окиснювальну стабільність, експлуатаційні характеристики за низьких температур, контроль в’язкості та гідролітичну стабільність порівняно з багатьма необробленими природними оліями.
Які матеріали біологічного походження використовують як наноприсадки в біомастильних матеріалах?
Матеріали біологічного походження, які використовують як нанодобавки в біомастильних матеріалах, включають переважно наноцелюлозу, особливо нанокристали целюлози та целюлозні нановолокна, а також наночастинки лігніну, наночастинки хітозану, наночастинки на основі крохмалю, частинки на основі альгінатів, наночастинки на основі білків, біовугілля та інші вуглецеві наночастинки, отримані з біомаси. Серед них наноцелюлоза є одним із найбільш досліджених матеріалів, оскільки вона відновлювана, біорозкладна, механічно міцна та може сприяти зниженню тертя, поліпшенню протизношувальних властивостей, модифікації в’язкості й утворенню трибоплівки в мастильних системах на основі рослинних олій та інших екологічно безпечних мастильних системах.
Які традиційні наноматеріали використовують як добавки в біомастильних матеріалах?
Наночастинки на основі вуглецю, такі як графен, графіт, вуглецеві нанотрубки та вуглецеві точки, Al₂O₃, TiO₂, SiO₂, ZnO, MoS₂ або WS₂, можна використовувати як добавки для поліпшення експлуатаційних властивостей біомастильних матеріалів. Також неорганічні наночастинки, такі як Al₂O₃, дедалі активніше досліджують як функціональні добавки в біомастильних матеріалах. За умови тонкого диспергування ці нанодобавки можуть сприяти зниженню тертя, поліпшенню захисту від зношування, несучої здатності та стабільності рецептури.
Експлуатаційні властивості значною мірою залежать від стабільності дисперсії. Погано дисперговані наночастинки можуть агломерувати, осідати або навіть посилювати абразивне зношування. Саме тут доцільне ультразвукове диспергування, оскільки ультразвукова обробка допомагає деагломерувати наночастинки та рівномірно розподіляти їх в оліях біологічного походження, естерах, емульсіях або мастильних системах, модифікованих полімерами.
Дізнайтеся більше про диспергування нанодобавок у мастильних матеріалах!
У чому різниця між біомастильними матеріалами на біологічній основі та біорозкладними біомастильними матеріалами?
Біомастильний матеріал на біологічній основі означає, що мастильний матеріал містить значну частку відновлюваного вуглецю або речовин біологічного походження.
Біорозкладний біомастильний матеріал означає, що готова рецептура або її компоненти відповідають критеріям біорозкладності, які часто оцінюють за допомогою таких випробувань, як OECD 301.
Література / Джерела
- 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.
Ультразвуковий гомогенізатор UIP1000hdT, ультразвуковий апарат потужністю 1000 ват для розроблення рецептур біомастильних матеріалів
- висока ефективність
- найсучасніша технологія
- надійність і міцність
- регульоване, точне керування процесом
- періодична обробка та обробка в потоці
- для будь-якого об’єму
- інтелектуальне програмне забезпечення
- інтелектуальні функції (наприклад, програмування, протоколювання даних, дистанційне керування)
- простота та безпека експлуатації
- мінімальне технічне обслуговування
- CIP (очищення без розбирання)
Hielscher Ultrasonics виготовляє високопродуктивні ультразвукові гомогенізатори від лабораторних до промислових розмірів.