Nanopartikeldispersioner i voks – fremstil stabile formuleringer!

Dispergering af nanopartikler i voksmatricer er en vigtig, men udfordrende anvendelse inden for belægninger, kosmetik, lægemidler og faseskiftmaterialer. På grund af smeltede voksers iboende viskositet, deres hydrofobicitet og nanopartiklers tendens til at agglomerere som følge af høje overfladeenergier kræver fremstilling af nanopartikel-voks-dispersioner ekspertise. Sonikatorer fra Hielscher leverer den dispergeringskraft, præcise styrbarhed og skalerbarhed, der er nødvendig for at fremstille stabile nanopartikel-voks-dispersioner i bordopstillinger og industriel produktion.

Udfordringer ved dispergering af nanopartikler i voks

Nanopartikler – hvad enten de er metalliske, keramiske eller kulstofbaserede – danner let aggregater på grund af stærke van der Waals-interaktioner. I voks forstærkes disse interaktioner af manglen på polære opløsningsmidler eller stabilisatorer. Mekanisk omrøring eller rotor-stator-homogenisatorer viser sig ofte at være utilstrækkelige, især når nanopartiklernes diameter er under 100 nm, eller når der kræves et højt partikelindhold. En homogen dispersion kræver en energitilførsel, der kan bryde agglomerater op på nanoskala og samtidig befugte partikeloverfladen med voksmediet.

Mekanismen bag nanodispergering med ultralyd

Den betydelige effektivitet ved ultralydsdispergering skyldes den unikke virkningsmekanisme ved akustisk kavitation. Sonikatorer af probetypen genererer intense kavitationskræfter, når ultralydsbølger med høj intensitet og lav frekvens forplanter sig gennem væske, f.eks. smeltet voks. Boblernes kollaps under kavitation skaber lokale områder med meget høje temperaturer, ekstreme forskydningsgradienter, chokbølger og mikrostråler. Disse kortvarige kræfter overvinder adhæsionen mellem partiklerne og bryder effektivt agglomerater af nanopartikler op.
Desuden forbedrer sonikering vokssmeltens befugtning af nanopartiklernes overflader. Kavitationsboblernes gentagne kollaps reducerer grænsefladespændingen, så voksmolekyler kan trænge ind mellem partiklerne og stabilisere dem sterisk.

Anvendelser af voksnanodispersioner fremstillet med ultralyd

Muligheden for at dispergere nanopartikler homogent i voks åbner for mange forskellige anvendelser:

Belægninger og polermidler: Tilsætning af nanopartikler af siliciumdioxid eller aluminiumoxid forbedrer hårdhed, ridsebestandighed og glans.
Kosmetiske formuleringer: Nanopartikler af titandioxid eller zinkoxid giver UV-beskyttelse, samtidig med at gennemsigtigheden bevares.
Faseskiftmaterialer (PCM’er): Grafen, kulstofnanorør eller metaloxider øger varmeledningsevnen og forbedrer dermed effektiviteten af varmelagring i energisystemer.
Lægemiddellevering: Lipofile nanopartikler indlejret i voks fungerer som depoter med langsom frigivelse i topiske eller orale formuleringer.

Nanofluider fremstillet ved hjælp af ultralyd er effektive køle- og varmevekslervæsker. Varmeledende nanomaterialer øger varmeoverførslen og evnen til at bortlede varme betydeligt. Ultralydsbehandling er veletableret til syntese og funktionalisering af varmeledende nanopartikler samt fremstilling af stabile, højtydende nanofluider til køling.

Ultralydsdispergatorer til voks-nanopartikel-formuleringer

Ultralydsdispergering med Hielschers højtydende sonikatorer af probetypen er en robust og skalerbar teknik til fremstilling af stabile voksnanodispersioner.
Hielschers ultralydssystemer af probetypen anvendes i vid udstrækning til behandling af nanopartikler på grund af deres høje behandlingskapacitet, præcise parameterstyring og lineære skalerbarhed. Uanset om du skal fremstille nanopartikeldispersioner i voks i batch eller i kontinuerlig inlineproduktion, tilbyder Hielscher Ultrasonics den ideelle sonikeringsopstilling: Ultralydshomogenisatorer til laboratorier er det perfekte værktøj til forskning og produktudvikling, mens industrielle ultralydsflowceller muliggør fremstilling af stabile voksnanodispersioner, der opfylder de højeste kvalitetsstandarder.
Hielschers ultralydsapparater er fremstillet efter de højeste kvalitetsstandarder og kombinerer robusthed, brugervenlighed og nem integration i industrielle processer. De er konstrueret til at modstå krævende miljøer, anvender den nyeste teknologi, er ISO-certificerede og opfylder kravene i CE, UL, CSA og RoHS.

Hvorfor Hielscher Ultrasonics?

høj effektivitet
den nyeste teknologi
pålidelighed og robusthed
justerbar, præcis processtyring
batch og inline
til enhver volumen
intelligent software
smarte funktioner (f.eks. programmerbarhed, datalogning, fjernstyring)
nemme og sikre at betjene
lavt vedligeholdelsesbehov
CIP (rengøring på stedet)

Tabellen nedenfor giver en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Batchvolumen	Flowhastighed	Anbefalede apparater
0,5 til 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 til 500mL	10 til 200mL/min	UP100H
10 til 2000mL	20 til 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 til 20L	0,2 til 4L/min	UIP2000hdT
10 til 100L	2 til 10L/min	UIP4000hdT
15 til 150L	3 til 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 til 100L/min	UIP16000hdT
n.a.	større	gruppe af UIP16000hdT

Relaterede emner

Litteratur / referencer

Szymańska, Iwona; Żbikowska, Anna; Kowalska, Małgorzata; Golec, Krzysztof (2021): Application of Oleogel and Conventional Fats for Ultrasound-assisted Obtaining of Vegan Creams. Journal of Oleo Science 70, 2021.
Noonim, P.; Rajasekaran, B.; Venkatachalam, K. (2022): Structural Characterization and Peroxidation Stability of Palm Oil-Based Oleogel Made with Different Concentrations of Carnauba Wax and Processed with Ultrasonication. Gels 2022, 8, 763.
A.R. Horrocks, B. Kandola, G.J. Milnes, A. Sitpalan, R.L. Hadimani (2012): The potential for ultrasound to improve nanoparticle dispersion and increase flame resistance in fibre-forming polymers. Polymer Degradation and Stability, Volume 97, Issue 12, 2012. 2511-2523.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er voks?

Voks er en klasse af organiske, hydrofobe materialer, der hovedsageligt består af langkædede kulbrinter, estere, fedtsyrer og alkoholer. De er faste ved stuetemperatur, har relativt lave smeltepunkter og bliver blødere ved opvarmning.

Hvilke forskellige typer voks findes der?

Forskellige typer voks omfatter naturlige vokser som bivoks, carnaubavoks og candelillavoks, mineralvokser udvundet af råolie eller brunkul som paraffinvoks, mikrokrystallinsk voks og montanvoks samt syntetiske vokser som polyethylenvoks, Fischer–Tropsch-voks og amidvokser.

Hvad bruges voks til?

Vokser anvendes i vid udstrækning på tværs af industrier. De giver overfladebeskyttelse i belægninger og polermidler, fungerer som strukturgivende midler og bindemidler i kosmetik og lægemidler, bruges som slipmidler og beskyttende belægninger i fødevareindustrien og fungerer som smøremidler, klæbemidler og faseskiftmaterialer til energilagring i tekniske anvendelser.

Hvilken polaritet har forskellige vokser?

Voksers polaritet varierer med deres kemiske sammensætning. Paraffin- og polyethylenvoks er overvejende upolære, bivoks og carnaubavoks udviser svag polaritet på grund af estere og frie fedtsyrer, og montanvoks eller visse syntetiske vokser udviser moderat polaritet på grund af carboxyl- og amidgrupper. 