افزودنی زیست پذیر چیست؟

با افزایش تلاش‌های حفاظت از محیط زیست و کاهش منابع نفتی، علاقه به توسعه افزودنی‌های روان‌کننده‌ای که از منابع زیستی به دست می‌آیند، در حال افزایش است. این مقاله به بررسی اهمیت فزاینده افزودنی‌های زیست‌پذیر در روان‌کننده‌ها در زمینه‌های تریبولوژی و فناوری روان‌سازی می‌پردازد. همچنین پیشرفت‌های اخیر، چالش‌ها و چشم‌اندازهای آینده مرتبط با فرمولاسیون‌های روان‌کننده را بررسی خواهد کرد.

اهمیت افزودنی زیست پذیر در صنایع

 روان‌کننده‌های زیست‌پایه مزایای اقتصادی، زیست‌محیطی، ایمنی و بهداشتی متعددی نسبت به روان‌کننده‌های مبتنی بر نفت دارند. برای بهره‌برداری کامل از این مزایا، روان‌کننده زیست‌پذیر باید با استفاده از یک روغن پایه زیست‌پذیر و افزودنی‌های مرتبط فرموله شود. در حال حاضر، تعداد کمی روغن پایه زیست‌پذیر در بازار وجود دارد که فرمول‌ساز می‌تواند از آن‌ها برای ترکیب فرمولاسیون‌های زیست‌پذیر انتخاب کند.

دکتر مارتین گریوز می‌گوید: «بیشتر افزودنی‌های مورد استفاده در فرمولاسیون‌های روان‌کننده امروزه از مواد اولیه پتروشیمی به دست می‌آیند.» او اضافه می‌کند: «با این حال، علاقه به افزودنی‌های مشتق شده از منابع اولئوکمیکال (ترکیبات  شیمیایی هستند که از روغن های گیاهی و حیوانی بدست می آیند)، به ویژه افزودنی‌های زیست‌پذیر که برای عملکرد بر روی سطوح طراحی شده‌اند، در حال افزایش است» مانند اصلاح‌کننده‌های اصطکاک، افزودنی‌های ضد سایش و بازدارنده‌های خوردگی، اسیدهای چرب زنجیره بلند و مشتقات استری آن‌ها یا استرهای عملکردی به طور معمول به عنوان اصلاح‌کننده‌های اصطکاک در روغن‌های موتور، مایعات انتقال و روغن‌های هیدرولیک استفاده می‌شوند که با کاهش تلفات اصطکاک می‌تواند، منجر به مزایای صرفه‌جویی در سوخت شود.

او فرض می‌کند که اسیدهای چرب و استرهای زنجیره بلند، اصلاح‌کننده‌های اصطکاک عالی در روان‌کننده‌ها هستند و می‌توانند برای تولید سورفاکتانت‌ها در مایعات، کار با فلز استفاده شوند. مشتقات شیمیایی چربی‌ها با استفاده از گوگرد، فسفر، نیتروژن، بور یا عناصر دیگر می‌توانند طیف وسیعی از افزودنی‌های ضد سایش (AW)، فشار شدید (EP)، بازدارنده‌های خوردگی (CI) و غیره را تولید کنند. منابع چربی بزرگ، در مقایسه با اولفین‌های سنتزی، می‌توانند غلظت این عملکردهای گوگرد/فسفر/نیتروژن را رقیق کنند و ممکن است منجر به معامله‌هایی در عملکرد AW/EP/CI، لغزندگی و حلالیت شوند.

مورد ایده‌آل این است که روان‌کننده‌های با عملکرد بالا ایجاد کنیم که هم حاوی افزودنی‌های پایدار (زیست‌پذیر) و هم روغن‌های پایه پایدار (زیست‌پذیر) باشند.

بنا به گفته دکتر مارتین «بیشتر توسعه‌های زیست‌پایه‌ای که در بازار می‌بینم، مایعات پایه زیست‌پذیر هستند. ‘روغن پایه’ به یک اصطلاح بسیار گسترده تبدیل شده است، زیرا استرها، پلی‌آلفا اولفین‌ها (PAOs)، پلی‌الکین گلیکول‌ها (PAGs) و سایر مواد اولیه دیگر دیگر ‘روغن’ محسوب نمی‌شوند. فرمولاسیون‌های زیست‌پایه ممکن است 90%-99% مایع پایه زیست‌پایه و 1%-10% فناوری افزودنی متعارف شامل افزودنی‌های فشار شدید (EP)، ضد سایش (AW)، آنتی‌اکسیدان‌ها و بازدارنده‌های جداسازی/کف‌زدا باشند.

مورد ایده‌آل، و هدفی که صنعت ما به دنبال آن است، ایجاد روان‌کننده‌های با عملکرد بالا است که هم حاوی افزودنی‌های پایدار (زیست‌پذیر) و هم روغن‌های پایه پایدار (زیست‌پذیر) باشند. این فرمول‌ها باید در بازار با روغن‌های معدنی یا روان‌کننده‌های سنتزی با کیفیت بالا و شناخته شده رقابت کنند. مشتریان برای یک محصول زیست‌پایه که به همان اندازه خوب عمل می‌کند، سه برابر قیمت پرداخت نخواهند کرد. پیشنهاد ارزش که تعادل بین هزینه و عملکرد با پایداری را برقرار می‌کند، باید یک عامل قانع‌کننده باشد که در طول فرآیند توسعه فرمولاسیون مورد توجه قرار گیرد. بخش‌های دریایی و انرژی بادی تقاضاهای بیشتری برای عملکرد و ثبات بر روی روان‌کننده‌های نسل بعدی قرار می‌دهند و صنعت افزودنی و فرمول‌سازان با چالش واقعی در تولید گزینه‌های پایدار برای پاسخگویی به ثبات هیدرولیتیک و برشی و همچنین الزامات جدید عملکرد EP و AW در این کاربردهای چالش‌برانگیز مواجه هستند. در سال‌های اخیر، پذیرش افزودنی‌های زیست‌پایه در صنعت روان‌کننده‌ها تکامل یافته است.

در سال‌های اخیر، پذیرش افزودنی‌های زیست‌پایه در صنعت روان‌کننده‌ها تکامل یافته است. صنعت شیمیایی در طول صدها سال تکامل یافته است تا فناوری‌های «متعارف» ما را در یک بازار بسیار رقابتی و حساس به هزینه تولید کند. مواد اولیه زیست‌پایه ممکن است نیاز به تأسیسات جدید یا به‌روزرسانی زیرساخت‌های موجود داشته باشند. در واقع، افزودنی‌های زیست‌پایه‌ای که می‌توانند عملکرد عالی و عملکرد زیست‌محیطی را در مقایسه با گزینه‌های مشتق شده از پتروشیمی نشان دهند، آینده‌ای امیدوارکننده دارند.

نوآوری

 محصولات استری جدیدی به تازگی معرفی شده‌اند که دارای سمیت اکولوژیکی پایین، عدم انباشتگی زیستی، سطوح بالای تجزیه‌پذیری زیستی و محتوای بالای کربن زیستی هستند. گنجاندن سطوح بالای اکسیژن در ساختار مولکولی آن‌ها منجر به رفتار عالی در تشکیل فیلم می‌شود، مانند ظرفیت باربری بالا و کنترل اصطکاک، که می‌تواند منجر به افزایش بهرهوری انرژی در تجهیزات شود. مزایای کلیدی عملکردی در آزمایش‌های تجهیزات مورد بررسی قرار گرفته‌اند. ویژگی متمایز دیگر آن‌ها ظرفیت حرارتی حجمی بالای آن‌هاست که نشان می‌دهد پتانسیل بهبود مدیریت حرارت در تجهیزات را دارند. مایعات یونی در دو دهه گذشته توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. در ابتدا، چالش‌های مربوط به حلالیت روغن مانع بزرگی بود، اما پیشرفت‌های اخیر منجر به توسعه مولکول‌های جدیدی شده است که در روغن حل می‌شوند. در میان این‌ها، مایعات یونی فسفونیوم-فسفات و آمونیوم-فسفات به عنوان افزودنی‌های ضد سایش (AW) در مایعات مبتنی بر استر عملکرد استثنایی از خود نشان داده‌اند و از گزینه‌های متعارف بهتر عمل کرده‌اند. علاوه بر این، این افزودنی‌های جدید دارای پروفایل‌های سمیت اکولوژیکی مطلوبی هستند که آن‌ها را به گزینه‌ای دوستدار محیط زیست‌تر نسبت به برخی شیمی‌های سنتی تبدیل می‌کند. با این حال، یک چالش بزرگ در تولید این افزودنی‌ها به صورت مقرون به صرفه باقی مانده است. پرداختن به این مسئله برای تجاری‌سازی این مایعات یونی پیشرفته اهمیت دارد.

نظرات در مورد نوآوری: بخش عمده‌ای از فرمولاسیون‌های زیست‌پایه بر اساس تری‌گلیسیریدهای طبیعی (روغن‌های گیاهی) یا استرهای سنتزی، با برخی هیدروکربن‌های زیست‌پایه است. تولیدکنندگان مایعات پایه، قادر به اختراع مایعات جدیدی هستند که عملکرد استثنایی در برخی زمینه‌ها دارند، اما تلاش برای ساخت یک مایع پایه واحد که همه چیز را انجام دهد، به محدودیت‌های بنیادی علم مواد برخورد خواهد کرد.

مثال استرها:

• استرهای غیراشباع مانند روغن‌های گیاهی گزینه‌ای با هزینه پایین‌تر هستند اما پایداری حرارتی-اکسیداتیو ضعیفی دارند.
• استفاده از اسیدهای چرب اشباع مانند C16-C18 مقاومت در برابر حرارت و اکسیداسیون را بهبود می‌بخشد، اما اکنون خواص دمای پایین تحت تأثیر قرار می‌گیرد و نقطه ریزش خیلی بالا می‌شود.
• استفاده از اسیدهای چرب اشباع زنجیره کوتاه مانند C8-C10 جریان سرد را بهبود می‌بخشد، اما اکنون هزینه افزایش یافته و نقطه اشتعال در دماهای بالا تحت تأثیر قرار گرفته است.

بازار حساس به هزینه مانند روان‌کننده‌ها در نهایت به این بستگی دارد که یا عملکرد بهتری با همان هزینه ارائه شود یا همان عملکرد با هزینه کمتر. بسیاری از مواد اولیه زیست‌پایه در عملکرد عالی هستند، اما ارزش (عملکرد نسبت به هزینه) کمبود دارد. بنابراین، نوآوری برای قابل‌اجرا کردن روان‌کننده‌ها و چربی‌های زیست‌پایه در مقیاس بزرگ باید به مسأله افزایش ارزش و نه حداکثر کردن عملکرد هر چه هزینه، تبدیل شود.