Sản xuất chất bôi trơn sinh học: Tăng cường quá trình bằng xử lý siêu âm

Ngành công nghiệp chất bôi trơn đang bước vào giai đoạn mang tính quyết định trong đổi mới công thức. Khi người dùng công nghiệp, các lĩnh vực giao thông vận tải, các đơn vị khai thác hàng hải và các ứng dụng nhạy cảm về môi trường chuyển sang những giải pháp thay thế có khả năng phân hủy sinh học và có nguồn gốc tái tạo, các nhà sản xuất chất bôi trơn chịu áp lực ngày càng lớn trong việc cung cấp chất bôi trơn sinh học hiệu năng cao mà không làm suy giảm khả năng kiểm soát độ nhớt, độ ổn định oxy hóa, khả năng bảo vệ chống mài mòn hoặc độ ổn định khi bảo quản lâu dài. Các nhà phân tích thị trường ghi nhận sự tăng trưởng liên tục của chất bôi trơn sinh học, được thúc đẩy bởi nhu cầu về các giải pháp bôi trơn có khả năng phân hủy sinh học, phát thải thấp hơn và bền vững trong các ứng dụng giao thông vận tải và công nghiệp.

Sản xuất chất bôi trơn sinh học bằng siêu âm: Tăng cường quá trình để tạo ra chất bôi trơn bền vững

Trong bối cảnh này, xử lý bằng siêu âm đang ngày càng có vai trò quan trọng trong công nghiệp với tư cách là một công nghệ sản xuất đa năng dành cho chất bôi trơn sinh học. Siêu âm công suất cao có thể được sử dụng để phân tán bằng siêu âm, thực hiện phản ứng trao đổi este bằng hóa siêu âm, nhũ hóa và điều chế các hạt microgel, mang đến cho các nhà phát triển công thức một công cụ mạnh mẽ để cải thiện cả mức độ chuyển hóa hóa học lẫn chất lượng vật lý của công thức. Nhờ đó, xử lý siêu âm trở thành một kỹ thuật xử lý có hiệu suất rất cao, được sử dụng cho dầu bôi trơn sinh học, mỡ bôi trơn sinh học, chất bôi trơn sinh học gốc nước và chất bôi trơn cấp thực phẩm.

Vì sao xử lý siêu âm quan trọng đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn sinh học

Chất bôi trơn sinh học thường dựa trên các hệ nguyên liệu phức tạp: dầu thực vật, este tổng hợp, polyme có nguồn gốc sinh học, dẫn xuất cellulose, phụ gia chức năng, chất chống oxy hóa, chất ức chế ăn mòn, chất chống mài mòn, chất điều chỉnh ma sát và các pha gốc nước hoặc dạng nhũ tương. Những thành phần này có thể khác biệt đáng kể về độ phân cực, độ nhớt, kích thước hạt, độ hòa tan và đặc tính tại bề mặt phân cách. Máy trộn thông thường, hệ rôto–stato hoặc quá trình khuấy theo mẻ kéo dài có thể không phải lúc nào cũng cung cấp đủ mật độ năng lượng để tạo ra các hệ phân tán mịn, ổn định hoặc các phản ứng nhanh tại bề mặt phân cách.
Xử lý siêu âm giải quyết những thách thức này thông qua hiện tượng xâm thực âm. Khi siêu âm cường độ cao được đưa vào chất lỏng, các bọt xâm thực cực nhỏ hình thành, phát triển và sụp đổ. Quá trình này tạo ra tác động cắt mạnh cục bộ, sự trộn vi mô mãnh liệt, dòng chảy rối, sự phá vỡ kết tụ hạt và các vùng phản ứng có thể đẩy nhanh quá trình truyền khối và các phản ứng hóa học. Trong nghiên cứu về phản ứng trao đổi este, siêu âm đã được nghiên cứu rộng rãi như một phương pháp khắc phục động học phản ứng chậm và sự tiếp xúc kém hiệu quả giữa pha dầu và pha cồn.
Đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn, điều này có nghĩa là siêu âm không chỉ đơn thuần là một phương pháp đồng nhất hóa trong phòng thí nghiệm. Đây là một công nghệ tăng cường quá trình có thể hỗ trợ sản xuất các công thức chất bôi trơn có nguồn gốc sinh học ổn định hơn, đồng đều hơn và hiệu quả hơn.
 

Thiết bị phân tán siêu âm dạng đầu dò tạo ra chất bôi trơn sinh học hiệu năng cao.
(Nghiên cứu và hình ảnh: Liu và cộng sự, 2020)

Phân tán bằng siêu âm các phụ gia chất bôi trơn có nguồn gốc sinh học

Một thách thức then chốt trong việc xây dựng công thức chất bôi trơn sinh học là đưa các phụ gia có nguồn gốc sinh học vào hệ một cách đồng nhất. Các vật liệu như carboxymethyl cellulose, sợi nano cellulose, polyme sinh học, gôm tự nhiên, dẫn xuất lignin, chất làm đặc có nguồn gốc sinh học và hạt nano chức năng có thể ảnh hưởng mạnh đến độ nhớt, khả năng bôi trơn, hiệu quả chống mài mòn, sự hình thành màng và độ ổn định của huyền phù. Tuy nhiên, những vật liệu này thường có xu hướng kết tụ, hydrat hóa chậm hoặc tạo thành các cấu trúc gel không đồng nhất.
Phân tán bằng siêu âm giúp các nhà sản xuất giảm các khối kết tụ và phân bố phụ gia đồng đều hơn trong toàn bộ nền chất bôi trơn. Điều này đặc biệt có giá trị đối với chất bôi trơn gốc nước, chất bôi trơn nano, các hệ dạng mỡ bôi trơn và chất bôi trơn sinh học dạng nhũ tương. Nghiên cứu gần đây về các hệ dựa trên cellulose cho thấy xử lý siêu âm có thể ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính phân tán, tính lưu biến và cấu trúc mạng lưới, nhờ đó trở thành một công cụ xử lý hữu ích để tinh chỉnh các công thức chứa cellulose.

Đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn, khả năng phân tán tốt hơn có thể mang lại:

• Độ nhớt và đặc tính lưu biến nhất quán hơn
• Hiệu quả phụ gia được cải thiện ở mức liều lượng thấp hơn
• Giảm lắng cặn, tách pha hoặc chất rắn nổi
• Hiệu năng ma sát học có khả năng tái lập cao hơn
• Thời gian xử lý ngắn hơn so với khuấy cơ học kéo dài

Carboxymethyl cellulose đặc biệt phù hợp vì đây là một dẫn xuất cellulose được sử dụng rộng rãi với các đặc tính hữu ích về độ nhớt, bề mặt và khả năng tạo màng. Trong các hệ chất bôi trơn, xử lý siêu âm có thể giúp đưa CMC và các polyme sinh học khác vào các công thức gốc nước hoặc dạng nhũ tương ổn định, hỗ trợ phát triển các chất bôi trơn thân thiện hơn với môi trường, có đặc tính dòng chảy được kiểm soát và độ ổn định công thức được nâng cao.
 

Chất bôi trơn sinh học chứa carboxymethyl cellulose được phân tán bằng siêu âm. Phân tán bằng siêu âm tạo ra chất bôi trơn sinh học nano ổn định lâu dài
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Rahmadiawan et al., 2022

Phản ứng trao đổi este bằng hóa siêu âm cho chất bôi trơn sinh học gốc đieste và este

Este nằm trong số những chất lỏng nền quan trọng nhất cho chất bôi trơn sinh học hiệu năng cao. Chúng có thể mang lại khả năng bôi trơn tốt, chỉ số độ nhớt cao, khả năng phân hủy sinh học và đặc tính thuận lợi ở nhiệt độ thấp, tùy thuộc vào nguyên liệu đầu vào và cấu trúc phân tử. Đieste và este polyol đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng như chất lỏng thủy lực, dầu máy nén, chất lỏng gia công kim loại, dầu bôi trơn xích cưa, chất bôi trơn hàng hải và chất bôi trơn công nghiệp chuyên dụng.
Một ứng dụng đầy triển vọng của siêu âm là điều chế este bằng hóa siêu âm thông qua phản ứng trao đổi este. Trong phản ứng trao đổi este thông thường, các chất phản ứng không hòa trộn lẫn nhau như dầu và ancol thường đòi hỏi trộn mạnh, nhiệt độ cao, chất xúc tác và thời gian phản ứng kéo dài. Siêu âm cải thiện quá trình truyền khối bằng cách tạo các nhũ tương mịn giữa các pha phản ứng và liên tục làm mới bề mặt phân cách nơi phản ứng diễn ra.
Phản ứng trao đổi este có hỗ trợ siêu âm là một kỹ thuật đã được xác lập và chứng minh rõ các ưu điểm như tốc độ phản ứng nhanh hơn, khả năng tiếp xúc giữa các pha được cải thiện, thời gian phân tách ngắn hơn, hiệu suất cao và giảm hình thành chất thải trong các điều kiện phù hợp. Các nhà sản xuất chất bôi trơn sử dụng phương pháp trao đổi este bằng siêu âm để sản xuất các thành phần chất bôi trơn sinh học gốc este, bao gồm đieste và các cấu trúc este chức năng khác.

Phản ứng trao đổi este bằng siêu âm giúp các nhà sản xuất:

• Cải thiện sự tiếp xúc giữa các pha dầu, ancol và chất xúc tác
• Giảm thời gian phản ứng bằng cách tăng cường truyền khối qua bề mặt phân cách
• Hỗ trợ các khoảng điều kiện xử lý ở nhiệt độ thấp hơn hoặc tiết kiệm năng lượng hơn
• Cải thiện tính nhất quán của mức độ chuyển hóa trong sản xuất theo mẻ hoặc liên tục
• Cho phép thiết kế thiết bị phản ứng nhỏ gọn để sản xuất este với khả năng mở rộng quy mô

Đối với các công ty sản xuất nguyên liệu nền cho chất bôi trơn sinh học, siêu âm mang lại một phương thức tăng cường các quá trình este hóa và trao đổi este, đồng thời hỗ trợ sản xuất sạch hơn, hiệu quả hơn.

Nhũ hóa các công thức chất bôi trơn bằng siêu âm

Nhiều chất bôi trơn sinh học hiện đại không phải là các loại dầu đơn pha đơn giản. Chúng có thể bao gồm nhũ tương nước trong dầu, nhũ tương dầu trong nước, phụ gia cô đặc, hệ phân tán sáp, hệ biến tính bằng polyme hoặc các hệ đa pha phức tạp. Chất lượng của các nhũ tương này ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định khi bảo quản, khả năng bôi trơn, hiệu quả làm mát, khả năng bảo vệ chống ăn mòn và đặc tính khi sử dụng.
Nhũ hóa bằng siêu âm có hiệu quả cao vì hiện tượng xâm thực tạo ra các lực cắt cục bộ mạnh, chia nhỏ các giọt và tạo ra phân bố kích thước giọt hẹp. Trong sản xuất chất bôi trơn, phương pháp này có thể được sử dụng để nhũ hóa dầu có nguồn gốc sinh học, pha este, pha nước, chất hoạt động bề mặt, chất ổn định polyme và phụ gia chức năng thành các công thức ổn định.

Điều này đặc biệt phù hợp với:

• Chất bôi trơn sinh học gốc nước
• Chất lỏng gia công kim loại và chất lỏng cắt gọt
• Chất lỏng thủy lực có các thành phần từ nguồn tái tạo
• Mỡ bôi trơn dạng nhũ tương và chất bôi trơn bán rắn
• Phụ gia cô đặc và hệ phân tán sơ bộ
• Hệ chất bôi trơn chứa polyme sinh học hoặc dẫn xuất cellulose

Nhũ hóa mịn cải thiện độ ổn định vật lý của các công thức chất bôi trơn và có thể giảm nhu cầu sử dụng chất hoạt động bề mặt với hàm lượng quá cao. Đối với các nhà sản xuất, điều này mang lại lợi ích cả về hiệu năng lẫn chi phí: độ ổn định được cải thiện, sử dụng phụ gia hiệu quả hơn và linh hoạt hơn trong xây dựng công thức.

Xử lý siêu âm để tạo hạt microgel nhũ tương

Một lĩnh vực mới nổi khác là sản xuất các hạt microgel nhũ tương cho các công thức chất bôi trơn tiên tiến. Microgel có thể đóng vai trò là chất điều chỉnh lưu biến, chất mang hoạt chất, chất điều chỉnh ma sát hoặc tác nhân tạo cấu trúc có khả năng đáp ứng với kích thích. Trong các hệ chất bôi trơn có nguồn gốc sinh học, hạt microgel có thể được sản xuất từ polyme tự nhiên, cellulose biến tính, polysaccharide, protein hoặc các hệ polyme khác từ nguồn tái tạo.
Xử lý siêu âm hỗ trợ điều chế microgel bằng cách cho phép kiểm soát quá trình nhũ hóa, giảm kích thước giọt, phân tán polyme và tạo cấu trúc pha. Chính các cơ chế do xâm thực chi phối tạo ra nhũ tương mịn cũng có thể giúp tạo ra các giọt tiền chất nhỏ, đồng đều hoặc các miền polyme phân tán, sau đó được tạo gel, liên kết ngang hoặc ổn định.

Tối ưu hóa quá trình sản xuất chất bôi trơn sinh học của bạn bằng xử lý siêu âm

Một trong những câu hỏi quan trọng nhất đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn là liệu công nghệ xử lý bằng siêu âm có thể được tích hợp một cách tin cậy vào dây chuyền sản xuất hay không. Với các thiết bị siêu âm Hielscher, câu trả lời rõ ràng là có. Các thiết bị siêu âm hiệu suất cao của Hielscher được thiết kế để vận hành liên tục, xử lý trực tiếp trên đường ống và tích hợp liền mạch vào các dây chuyền sản xuất hiện có, trở thành giải pháp mạnh mẽ và đáng tin cậy cho sản xuất chất bôi trơn sinh học ở quy mô công nghiệp.
Trong một hệ thống công nghiệp điển hình, hỗn hợp chất bôi trơn trộn sẵn, huyền phù phụ gia, hỗn hợp phản ứng dầu–ancol hoặc nguyên liệu nhũ tương được bơm qua buồng dòng chảy siêu âm, nơi chúng tiếp xúc với năng lượng siêu âm được kiểm soát chính xác. Các thông số quy trình chính như biên độ, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, thời gian lưu và năng lượng đầu vào riêng có thể được điều chỉnh, giám sát chính xác và được tự động ghi lại. Khả năng kiểm soát ở mức cao này mang lại cho các nhà sản xuất chất bôi trơn sự bảo đảm về quy trình cần thiết để đạt chất lượng công thức có thể tái lập, các quy trình sản xuất đã được thẩm định và khả năng mở rộng quy mô nhất quán từ thử nghiệm nghiên cứu và phát triển đến sản xuất thí điểm và đạt năng suất xử lý công nghiệp đầy đủ.
Đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn sinh học, khả năng mở rộng quy mô này đặc biệt quan trọng vì các yêu cầu về công thức ngày càng khắt khe. Khách hàng kỳ vọng sản phẩm bền vững, đồng thời cũng kỳ vọng hiệu năng tương đương hoặc tốt hơn các chất bôi trơn gốc dầu mỏ thông thường. Các thiết bị siêu âm Hielscher giúp nhà sản xuất thu hẹp khoảng cách này bằng cách kết hợp công suất, độ tin cậy, khả năng kiểm soát và khả năng mở rộng quy mô tuyến tính trong một nền tảng siêu âm vững chắc. Những ưu điểm này khiến các thiết bị siêu âm Hielscher trở thành lựa chọn ưu tiên cho các công ty cần xử lý siêu âm đạt chuẩn công nghiệp để tạo ra các công thức chất bôi trơn có nguồn gốc sinh học chất lượng cao.

 
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng những điều kiện khắc nghiệt và môi trường có yêu cầu cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu suất cao với công nghệ tiên tiến nhất và tính thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.