Виробництво біомастил: інтенсифікація процесу за допомогою ультразвукового оброблення

Галузь мастильних матеріалів вступає у вирішальну фазу інновацій у розробці рецептур. У міру того як промислові споживачі, сектор транспортних засобів, морські оператори та галузі, що приділяють особливу увагу охороні навколишнього середовища, переходять на біорозкладні та відновлювані альтернативи, виробники мастильних матеріалів відчувають дедалі більший тиск щодо створення високоефективних біомастил без шкоди для контролю в’язкості, окислювальної стійкості, захисту від зносу або довготривалої стійкості при зберіганні. Аналітики ринку відзначають постійне зростання попиту на біомастила, що зумовлено потребою у біорозкладних, екологічно чистих та стійких мастильних рішеннях у транспортній та промисловій галузях.

Ультразвукове виробництво біомастил: інтенсифікація процесу для отримання екологічно безпечних мастильних матеріалів

На цьому тлі ультразвукова обробка, також відома як сонікація, набуває все більшого промислового значення як універсальна технологія виробництва біомастил. Потужний ультразвук можна використовувати для ультразвукової дисперсії, сонохімічної переестерифікації, емульгування та отримання мікрогелевих частинок, що надає розробникам рецептур надійний інструмент для поліпшення як хімічного перетворення, так і фізичної якості рецептури. Це робить сонікацію високоефективною технологією обробки, що застосовується у виробництві біомастил, біомастильних мастил, біомастил на водній основі та харчових мастил.

Чому ультразвукова обробка має важливе значення для виробників біомастил

Біомастила часто базуються на складних системах сировини: рослинних оліях, синтетичних ефірах, біополімерах, похідних целюлози, функціональних добавках, антиоксидантах, інгібіторах корозії, протизносних добавках, модифікаторах тертя, а також фазах на водній основі або емульсійного типу. Ці компоненти можуть суттєво відрізнятися за полярністю, в’язкістю, розміром частинок, розчинністю та міжфазною поведінкою. Звичайні змішувачі, системи «ротор-статор» або тривале періодичне перемішування не завжди забезпечують достатню енергетичну щільність для отримання дрібнодисперсних, стабільних дисперсій або швидких міжфазних реакцій.
Ультразвукова обробка дозволяє вирішити ці проблеми за допомогою акустичної кавітації. Коли ультразвук високої інтенсивності подається в рідини, утворюються, зростають і руйнуються мікроскопічні кавітаційні бульбашки. Це створює локалізовані зони високого зсуву, інтенсивне мікрозмішування, турбулентність, деагломерацію частинок та реактивні зони, які можуть прискорювати масообмін та хімічні реакції. У дослідженнях з трансестерифікації ультразвук широко вивчався як засіб подолання повільної кінетики реакції та неефективного контакту між олійною та спиртовою фазами.
Для виробників мастильних матеріалів це означає, що ультразвук — це не просто лабораторний метод гомогенізації. Це технологія інтенсифікації процесів, яка дозволяє створювати більш стабільні, однорідні та ефективні біоосновані мастильні суміші.
 

Ультразвукові диспергатори з датчиком дозволяють створювати високоефективні біомастила.
(Дослідження та ілюстрація: Лю та ін., 2020)

Ультразвукова дисперсія біооснованих присадок до мастильних матеріалів

Однією з головних проблем при розробці рецептур біомастил є рівномірне введення біоактивних добавок. Такі матеріали, як карбоксиметилцелюлоза, нановолокна целюлози, біополімери, натуральні камеді, похідні лігніну, біозагусники та функціональні наночастинки, можуть суттєво впливати на в’язкість, мастильні властивості, протизносні характеристики, утворення плівки та стабільність суспензії. Однак ці матеріали часто мають схильність до агломерації, повільно гідратуються або утворюють неоднорідні гелеві структури.
Ультразвукова дисперсія допомагає виробникам зменшити утворення агломератів та рівномірніше розподілити добавки по всій матриці мастила. Це особливо важливо для мастил на водній основі, наномастил, мастильних систем, що нагадують мастила, та біомастил на основі емульсій. Останні дослідження систем на основі целюлози показують, що ультразвукова обробка може суттєво впливати на поведінку дисперсії, реологію та структуру мережі, що робить її корисним технологічним інструментом для налагодження целюлозовмісних рецептур.

Для виробників мастильних матеріалів краща дисперсія може означати:

• Більш стабільна в'язкість та реологічні властивості
• Підвищення ефективності добавки при менших дозах
• Зниження швидкості осадження, фазового розділення або плавання твердих частинок
• Більш стабільні трибологічні характеристики
• Скорочення часу обробки порівняно з тривалим механічним перемішуванням

Карбоксиметилцелюлоза має особливе значення, оскільки вона широко застосовується як похідна целюлози, що володіє корисними властивостями щодо в’язкості, поверхні та плівкоутворення. У системах мастильних матеріалів ультразвукова обробка може сприяти інкорпоруванню КМЦ та інших біополімерів у стабільні водні або емульсійні композиції, сприяючи розробці екологічно вдосконалених мастильних матеріалів із контрольованими реологічними характеристиками та підвищеною стабільністю композиції.
 

Біомастила з ультразвуково диспергованою карбоксиметилцелюлозою. Ультразвукова дисперсія дозволяє отримати нанобіомастила, що зберігають стабільність протягом тривалого часу
Дослідження та ілюстрації: ©Rahmadiawan та ін., 2022

Сонохімічна трансестерифікація для отримання біомастильних матеріалів на основі діестерів та естерів

Естери є одними з найважливіших базових рідин для високоефективних біомастил. Залежно від вихідної сировини та молекулярної структури вони можуть забезпечувати хорошу змащувальну здатність, високий індекс в’язкості, біорозкладність та сприятливі експлуатаційні характеристики при низьких температурах. Діестери та поліольні ефіри мають особливе значення для таких сфер застосування, як гідравлічні рідини, масла для компресорів, рідини для обробки металів, масла для бензопил, суднові мастильні матеріали та спеціальні промислові мастильні матеріали.
Одним із перспективних напрямків застосування ультразвуку є сонохімічне отримання ефірів шляхом переетерифікації. У процесі традиційної переетерифікації незмішувані реагенти, такі як олії та спирти, часто вимагають інтенсивного перемішування, підвищених температур, каталізаторів та тривалого часу реакції. Ультразвук покращує масообмін, створюючи дрібні емульсії між фазами реагентів та безперервно оновлюючи межу розділу, де відбувається реакція.
Трансестерифікація з використанням ультразвуку — це загальновизнана технологія, яка за відповідних умов добре зарекомендувала себе завдяки таким перевагам, як прискорення реакції, поліпшення контакту між фазами, скорочення часу розділення, високий вихід продукту та зменшення утворення відходів. Виробники мастильних матеріалів використовують метод ультразвукової трансестерифікації для виробництва компонентів біомастил на основі ефірів, зокрема діефірів та інших функціональних ефірних сполук.

Ультразвукова переестерифікація допомагає виробникам:

• Покращити взаємодію між фазами олії, спирту та каталізатора
• Скоротити час реакції за рахунок посилення міжфазного масообміну
• Забезпечити можливість обробки при нижчих температурах або з більшою енергоефективністю
• Підвищити стабільність конверсії при серійному або безперервному виробництві
• Створити компактні конструкції реакторів для масштабованого виробництва ефірів

Для компаній, що виробляють базові оливи для біомастил, ультразвук відкриває можливість інтенсифікувати процеси етерифікації та переетерифікації, сприяючи при цьому більш екологічному та ефективному виробництву.

Ультразвукова емульгація мастильних сумішей

Багато сучасних біомастил не є простими однофазними оливами. До їх складу можуть входити емульсії типу «вода в оливі», емульсії типу «олива у воді», концентрати присадок, дисперсії воску, системи, модифіковані полімерами, або складні багатофазні суміші. Якість цих емульсій безпосередньо впливає на стійкість при зберіганні, мастильні властивості, охолоджувальну здатність, захист від корозії та поведінку під час застосування.
Ультразвукова емульгація є надзвичайно ефективною, оскільки кавітація створює інтенсивні локальні зсувні сили, які розбивають краплі на дрібніші частинки та забезпечують вузький розподіл крапель за розміром. У виробництві мастильних матеріалів цей процес можна використовувати для емульгування олій біологічного походження, ефірних фаз, водних фаз, поверхнево-активних речовин, полімерних стабілізаторів та функціональних добавок з метою отримання стабільних сумішей.

Це особливо актуально для:

• біомастила на водній основі
• Рідини для обробки металів та рідини для різання
• Гідравлічні рідини з відновлюваними компонентами
• Мастила емульсійного типу та напівтверді мастильні матеріали
• Концентрати добавок та попередньо дисперговані суміші
• Системи змащування, що містять біополімери або похідні целюлози

Дрібне емульгування покращує фізичну стабільність мастильних сумішей і дозволяє зменшити надмірне використання поверхнево-активних речовин. Для виробників це дає як експлуатаційні, так і економічні переваги: підвищену стабільність, ефективніше використання присадок та більшу гнучкість у формуванні рецептур.

Ультразвукова обробка для отримання мікрогелевих частинок у емульсії

Ще однією перспективною галуззю є виробництво частинок емульсійних мікрогелів для сучасних мастильних сумішей. Мікрогелі можуть виступати в ролі модифікаторів реології, носіїв активних інгредієнтів, модифікаторів тертя або реактивних структуруючих агентів. У біооснованих мастильних системах частинки мікрогелю можуть виготовлятися з природних полімерів, модифікованої целюлози, полісахаридів, білків або інших відновлюваних полімерних систем.
Ультразвукова обробка сприяє отриманню мікрогелів, забезпечуючи контрольоване емульгування, зменшення розміру крапель, диспергування полімерів та формування фазової структури. Ті самі механізми, що базуються на кавітації та забезпечують утворення дрібнодисперсних емульсій, також можуть сприяти створенню дрібних, однорідних крапель-прекурсорів або дисперсних полімерних доменів, які згодом гелевуються, зшиваються або стабілізуються.

Оптимізуйте виробництво біомастил за допомогою ультразвукової обробки

Одне з найважливіших питань для виробників мастильних матеріалів полягає в тому, чи можна надійно інтегрувати ультразвукову обробку у виробничі лінії. У випадку з ультразвуковими апаратами Hielscher відповідь однозначно — так. Високоефективні ультразвукові апарати Hielscher розроблені для безперервної роботи, потокової обробки та безперешкодної інтеграції в існуючі виробничі лінії, що робить їх потужним і надійним рішенням для промислового виробництва біомастил.
У типовій промисловій установці попередньо змішана мастильна суміш, суспензія присадок, реакційна суміш олії та спирту або емульсія подаються через ультразвукову проточну комірку, де вони піддаються дії ультразвукової енергії, що точно регулюється. Ключові параметри процесу, такі як амплітуда, тиск, температура, швидкість потоку, час перебування та питома вхідна енергія, можна точно регулювати, контролювати та автоматично документувати. Такий високий рівень керованості забезпечує виробникам мастильних матеріалів надійність процесу, необхідну для відтворюваної якості рецептур, валідованих виробничих протоколів та послідовного масштабування від R&Випробування серії D з метою запуску пілотного виробництва та досягнення повної промислової потужності.
Для виробників біомастил така масштабованість має особливе значення, оскільки вимоги до складу продуктів стають дедалі суворішими. Споживачі очікують на екологічно стійкі продукти, але водночас вимагають, щоб їхні експлуатаційні характеристики відповідали або навіть перевершували показники традиційних мастил на нафтовій основі. Ультразвукові апарати Hielscher допомагають виробникам подолати цей розрив, поєднуючи потужність, надійність, керованість та лінійну масштабованість в одній надійній ультразвуковій платформі. Ці переваги роблять ультразвукові апарати Hielscher найкращим вибором для компаній, яким потрібна ультразвукова обробка промислового рівня для отримання високоякісних біомастильних сумішей.

 
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

Література / Список літератури